Ce travail porte sur la modélisation et la commande de la machine synchrone à réluctance variable, l’objectif étant de réduire les ondulations de couple. La méthodologie adoptée consiste à agir à la fois sur la structure de la machine et sur ses courants d’alimentation. Un état de l’art des techniques de réduction des ondulations de couple dans les machines électriques est d’abord dressé. Un modèle électromagnétique qui tient compte des harmoniques d’espace, basé sur l’approche par les fonctions de bobinage, est ensuite élaboré dans le but de caractériser et de quantifier les ondulations de couple. La pertinence du modèle est faite à travers la confrontation avec des résultats obtenus par calcul de champ par éléments finis. Ce modèle est alors utilisé pour l’optimisation des paramètres géométriques de la machine. Il a conduit à la définition d’un prototype de machine optimisée au sens du maximum de couple moyen et du minimum d’ondulations de couple. La deuxième partie de ce travail porte sur la commande de la machine en vue de compenser les ondulations de couple. Pour les simulations dynamiques de la machine pilotée par un onduleur de tension à commande vectorielle, le modèle élaboré demandant des temps de calcul raisonnables est utilisé sans difficulté particulière. Deux méthodes de compensation des ondulations de couple sont ensuite proposées. La première consiste à déterminer les courants qui produisent un couple constant en optimisant un autre critère tel que les pertes Joule ou le facteur de puissance. Une méthode de calcul systématique de ces courants est élaborée en utilisant les multiplicateurs de Lagrange. La deuxième méthode consiste à estimer en temps réel le couple résistant, puis à injecter un courant supplémentaire dans la boucle de régulation du couple. Les simulations numériques des deux méthodes ont donné des résultats probants. La validation expérimentale des calculs est effectuée sur un prototype de machine que nous avons calculé et réalisé. Les résultats des calculs, comparés aux mesures effectuées, sont satisfaisants. / This work deals with the modelling and control of synchronous reluctance machine in order to attenuate the torque ripple. The adopted methodology concerns both the electromagnetic structure of the machine and its feeding currents waveshapes. Firstly, a state of the art of torque ripple minimisation techniques in electrical machines is drawn up. Then, an electromagnetic model, taking into account all the space harmonics, based on winding functions approach, is proposed in order to compute the electromagnetic torque with its whole harmonic spectrum. The results of this model are compared with finite elements analysis ones and a good agreement between them is obtained. A parametric analysis of the machine is then done with the goal of maximizing the mean torque and minimizing the torque ripple. An optimal structure is then defined. The second part of this work is interested in the control in order to compensate the torque ripple. For the dynamic simulations of the vector controlled machine, the proposed model being low time consuming, is favourably and easily used. Two methods for torque ripple compensation are then proposed. The first one consists to determine the feeding currents that produce a constant torque by optimizing another criterion such as Joule losses or power factor. A systematic method of calculation of these currents is developed using Lagrange’s multipliers. In the second method the load torque is tracked and corrected by the injection of an additional current into the torque control loop. Numerical simulations of the two methods give good results. The experimental validation of the calculation is performed on a prototype machine that we have calculated and realized. The results of the calculations are favourably compared to measurements.

L'accroissement des fréquences d'alimentation des machines électriques à commutation électronique, en particulier les machines à réluctance variable à double saillance, et les formes non sinusoïdales de tension ou de courant nécessite la prise en compte des pertes magnétiques qui ne peuvent plus être négligées devant les pertes Joule.

Dans un contexte actuel de diminution des pollutions sonores, et plus particulièrement des pollutions sonores introduites par le fonctionnement des machines électriques, nous avons développé durant cette thèse une méthode originale de réduction des vibrations dans les machines à réluctance variable. Des actionneurs piézoélectriques dimensionnés et placés de manière optimale sur la machine, et contrôlés à partir de la mesure de l'accélération vibratoire d'une ou plusieurs positions de celle-ci, permettent une diminution significative des vibrations. Durant cette thèse l'étude du dimensionnement et du placement de ces actionneurs, leurs contrôles optimaux ainsi que l'étude de l'applicabilité de la méthode de compensation ont été développés.

Les développements technologiques des moteurs thermiques et plus généralement des groupes moto-propulseurs vont vers une complexité de plus en plus grande et requièrent une fiabilité sans faille. Ils exigent une évolution des moyens d'essais pour une plus grande fiabilité des mesures, des essais accélérés et à coût minimal. Ainsi, les bancs d'essais sont aujourd'hui complètement automatisés. Ils permettent d'assurer le fonctionnement du moteur thermique suivant des cycles préétablis. Les bancs de charges existants sont surtout de type "statique", utilisant le principe du freinage par courants de Foucault. C'est dans ce cadre que ce travail s'insère. Il s'articule principalement autour de trois axes : * Analyse critique des freins existants. Nous avons réalise plusieurs essais sur des freins standards homopolaires (220 kW). Ces essais et les analyses effectuées nous ont ainsi permis de mettre en évidence les effets de la rémanence magnétique engendrant une traînée en couple et de proposer une alimentation et des stratégies adéquates pour minimiser ce problème. D'autre part, cela nous a permis de montrer les limites du frein et notamment du système de refroidissement actuel. * Elaboration de modèles magneto-dynamiques fiables pour une gamme de puissances allant de 5 a 750 kW. Concernant ce deuxième point, nous avons tenté de développer des modèles magnétodynamiques analytiques non-linéaires prenant en compte aussi bien la réaction magnétique d'induit que les effets 3D. Ces modèles sont validés par des calculs éléments finis et par des essais réalisés sur les freins existants. La souplesse de ces modèles nous a ainsi permis de mener des études paramétriques rapides et de proposer sur la base des résultats obtenus des méthodologies de dimensionnement des freins à courants de Foucault homopolaires. * Etude topologique, conception, réalisation et expérimentation de bancs de charge dynamiques présentant donc les deux fonctions exigées : moteur et frein. Pour ce troisième point, nous avons réalisé une étude non-exhaustive de différentes solutions possibles pour l'adjonction d'une fonction motrice aux freins actuels. La comparaison de deux topologies, intégrée et séparée, nous a montré que la première solution présentait l'avantage de minimiser les masses tournantes et les longueurs d'arbre, ce qui favorise fortement la tenue en vibrations du banc d'essais. C'est donc cette solution que nous avons retenue pour réaliser un moteur-frein intégré à réluctance variable et à courants de Foucault de conception originale. Une maquette de 24 Nm a été réalisée et des essais de validation ont montré la faisabilité et la viabilité technologique de la solution développée.

Les dispositifs innovants étudiés dans cette thèse se caractérisent par les principes communs suivant : - ce sont des machines synchrones hybrides dont le champ d'excitation est créé par des aimants permanents situés sur le même ensemble que le bobinage induit. - donc l'autre partie est passive. - La variation du flux d'induction à travers les bobinages induits est obtenue par commutation du flux des aimants permanents à l'aide des pièces polaires de la partie passive. Deux autres caractéristiques sont utilisée chaque fois que possible : - Bobinage induit global, c'est-à-dire pouvant enlacer plusieurs pôles, constitué d'un simple solénoïde permettant un excellent coefficient de bobinage et une grande facilité de réalisation et de montage. - Fonctionnement possible en monophasé grâce à un pré-positionnement adéquat à l'arrêt. Parmi nos réalisations utilisant ces principes, nous pouvons distinguer les dispositifs de machines tournantes et linéaires. Les actionneurs linéaires sont modulaires, possèdent un rail entièrement passif et peuvent être économiques. L'auto pilotage peut être soit électronique avec ou sans capteur, soit électromécanique. Les machines tournantes possèdent des caractéristiques spécifiques. Elles peuvent être par exemple très rapides (> 50.000 tr/mn) ou miniatures (diamètre <10mm). Des modélisations analytiques et numériques ont permis une bonne compréhension du principe de ces structures et de leur conception. Nous avons mis au point une méthode rapide de modélisation de nos structures associant le calcul analytique et numérique par éléments finis en régime non linéaire. Les expérimentations ont montré des résultats intéressant compte tenue de la simplicité des machines.

Les travaux présentés portent sur la conception et la commande d'un ensemble convertisseur-génératrice basse vitesse pour les applications éoliennes. Une génératrice 10kW, 50 tr/min (contrainte typique d'une éolienne autonome) est étudiée. La machine à réluctance variable (MRV) à plots dentés et à grand nombre de dents est retenue car elle est bien adaptée à un fonctionnement à basse vitesse de rotation permettant la simplification ou la suppression du multiplicateur de vitesse utilisé avec les génératrices classiques.<br />La structure électromagnétique est d'abord optimisée par un algorithme génétique couplé à la méthode des éléments finis. <br />La commande de la génératrice est ensuite traitée. La machine est modélisée par la méthode des éléments finis puis le réseau de courbes du flux en fonction de la position et du courant est approximé par Krigeage en vue de la commande. La machine est commandée par un demi pont en H et l'optimisation des paramètres de commande est effectuée.<br />Enfin, un banc d'essais comprenant une MRV 6/4 (3kW) fonctionnant en générateur et couplée à un moteur à courant continu a été mis en œuvre. La commande des deux machines est implantée sur une carte DSPACE 1103. Ce banc d'essais permet de vérifier d'une part la validité de la modélisation par éléments finis, et d'autre part les lois de commandes élaborées.

Dans le domaine du véhicule électrique, la chaîne de traction allant de la batterie de stockage aux roues en passant par le moteur constitue le cœur du système. Elle bénéficie régulièrement d’innovations technologiques rendant ce véhicule de plus en plus attractif. Actuellement, les motorisations proposées par les constructeurs sont classiques, de type synchrone à rotor bobiné, à aimant permanent ou asynchrone. De conception éprouvée et dotées de lois de commande complexes et parfaitement maîtrisées, elles offrent de bonnes performances.Cependant, les industriels explorent de nouvelles motorisations moins conventionnelles permettant de réduire leur coût de fabrication, tout en maintenant les performances. Une des solutions possibles est la machine à réluctance variable à double saillance (MRVDS). En effet, elle est de conception simple et constituée de matériaux peu couteux. Son rotor complètement passif lui confère une très bonne robustesse et une vitesse de rotation élevée, nécessaire à une certaine compacité.Néanmoins, son pilotage est beaucoup plus complexe que pour les autres machines, elle est relativement bruyante et son couple présente des ondulations non négligeables.Nos travaux ont pour but de contribuer à l’amélioration des performances de la MRVDS du point de vue contrôle, caractéristiques de couple et efficacité énergétique sur une plage de vitesse importante. Ils ont alors été conduits selon deux axes : un axe commande et un axe conception.Afin de satisfaire un contrôle du couple le plus parfait possible, de nouveaux régulateurs de courant à la fois performants et relativement simples à implémenter sur cible logicielle ont été présenté dans un premier temps. Ensuite, nous avons proposé une implémentation partitionnée de la commande de la MRVDS sur cibles logicielle et matérielle. L’objectif est ici de conserver les performances de la commande dans le cas de l’utilisation d’un processeur économique, dont la période d’échantillonnage serait relativement importante, et tout particulièrement à haute vitesse. Une carte FPGA (Fied Programmable Gate Array) a alors été mise en œuvre.Pour améliorer les caractéristiques de couple en fonction de la vitesse ainsi que le rendement de l’ensemble moteur-convertisseur, une nouvelle structure de MRVDS non conventionnelle a été proposée. Elle est munie d’un bobinage auxiliaire créant une excitation magnétique dans chaque phase.Une étude a d’abord été menée à l’aide de simulations basées sur un nouveau modèle. Elle a permis de mettre en évidence les avantages d’une excitation par rapport à une MRVDS classique. Afin de valider les résultats, un prototype a ensuite été conçu, réalisé et expérimenté.Une part importante de ces travaux a ainsi été consacrée à la mise en œuvre de plateformes expérimentales et à la réalisation de nombreux essais permettant de valider les développements théoriques, tant du point de vue commande sur une MRVDS 8/6 que conception sur une MRVDS 6/4. / For electric vehicles, traction from storage battery to the wheels through the engine is the heart of the system. It regularly enjoys technological innovations making this vehicle more attractive. Currently, machines offered by manufacturers are classic, synchronous and induction machines. With complex laws, they offer good performance.However, manufacturers are exploring new unconventional machines to reduce their manufacturing cost while maintaining performance. One possible solution is the switched reluctance machine (SRM). Indeed, its design is simple and made of inexpensive materials. Its rotor completely passive gives it a very good robustness and high rotational speed required for certain compactness. However, its operation is much more complex than for other machines, it is relatively noisy and has significant torque ripple.Our work contributes to the improvement of SRM’s performance in terms of control torque characteristics and global efficiency over a large range speed. They were driven on two axes: one control axis and one design axis.To satisfy a torque control as perfect as possible, new currents controller both efficient and relatively simple to implement on software target were first presented. Then we proposed a SRM's control implementation on hardware and software targets. The objective is to maintain the performances in the case of an important sampling period, especially at high speeds. So an FPGA circuit (Fied Programmable Gate Array) was used.To improve torque characteristics depending on the speed, and global efficiency, a new SRM structure has been proposed. It is provided with an auxiliary coil creating a magnetic excitation in each phase. A study was initially conducted using simulations based on a new model. It helped to highlight the benefits of excitement compared to a conventional SRM. To validate the results, a prototype was then designed, built and tested.An important part of this work has been devoted to the implementation of experimental platforms and implementation of numerous tests to validate the theoretical developments, both in terms of control on a 8/6 SRM and design on a 6/4 SRM.

Cette thèse porte sur l’optimisation du contrôle des Machines Synchrones à Réluctance Variable (MSRV) et en particulier sur la compensation des phénomènes vibratoires. Elle comprend trois points forts : le développement d’une méthode de minimisation des pulsations de couple et sa validation expérimentale, l’études des facteurs qui peuvent influencer la méthode et l’influence de cette méthode sur les autres performances de la MSRV.Tout d’abord, une méthode de contrôle permettant de compenser les ondulations de couple d’une MSRV existante a été développée. Premièrement, une équation analytique du couple est proposée et analysée afin d’exprimer la relation analytique harmonique entre le couple et les courants d’alimentation. La notion de « fonction de couple » est ensuite introduite. Une stratégie basée sur l’utilisation de cette fonction pour minimiser les ondulations du couple est présentée. Deux méthodes de réduction des ondulations de couple utilisant les différents harmoniques de la fonction de couple sont mises en évidence en. Elles ont été analysées et comparées pour répondre aux différents objectifs. Par la suite, la méthode a été validée par les résultats des simulations pour trois technologies de rotor de MSRV parmi les plus répandues. La méthode est aussi validée par la modélisation analytique et la simulation dynamique à l’aide du logiciel Matlab/Simulink ainsi que par les résultats d’expérimentation avec l’aide du banc d’essai.Ensuite, les facteurs qui peuvent influencer la méthode proposée pour réduire les ondulations de couple et les performances dynamiques ont analysés. Dans un premier temps, une amélioration sensible de l’aptitude au démarrage de la MSRV lorsque la compensation des ondulations de couple est mise en œuvre est mise en évidence. D’autre part la sensibilité de la méthode aux erreurs de mesure de position est évaluée afin de quantifier sa fiabilité dans le cas de l’utilisation d’estimateurs lors du contrôle sans capteur. Enfin, l’influence de la saturation sur la méthode proposée est aussi étudiée à l’aide d’une analyse par éléments finis du comportement magnétique de la MSRV.Finalement, l’influence de la méthode de compensation des ondulations de couple sur d’autres performances de la MSRV est analysée. Les courants optimaux ont plus harmoniques que les courants originaux. Par conséquent, les pertes dans le cuivre, dans le fer et dans les semi-conducteurs de l’onduleur sont modélisées analytiquement, calculées et comparées. Les conclusions montrent que les pertes dans le cuivre sont les plus sensibles à la compensation des harmoniques de couple tandis que les pertes dans le fer et dans l’onduleur sont faiblement affectées. D’autre part, la réduction des ondulations de couple peut changer le comportement vibro-acoustique de la MSRV. La dernière partie est consacrée à l’étude de la relation entre les ondulations de couple et le bruit. Une équation est proposée pour évaluer la variation du bruit produit par la compensation des ondulations de couple. Dans cette partie, les simulations dans Flux 2D sont effectuées pour calculer la variation du bruit. En outre, le logiciel professionnel Manatee réalisant l’analyse des vibrations et de l’acoustique est utilisé dans le but de conforter les résultats obtenus par la modélisation analytique. / This thesis aims to study the control and optimization of a synchronous reluctance machine for the purpose of improving the vibrational performance. The main works of the thesis can be classified into three parts: the proposed torque ripple reduction method, the factors which can influence the proposed method and the influence of the proposed method.At first, the torque ripple of synchronous reluctance machine is reduced by a control method. Firstly, a torque equation is proposed in order to present the relationship between torque ripple and the optimal currents. Then a new parameter, torque function, is put forward. Based on the torque function, the torque ripple reduction strategy is presented. Two different torque ripple minimizations are proposed by applying different torque function harmonics. They are analyzed and compared in order to define the optimal method. In order to test the proposed method further, the selected torque ripple minimization approach is applied to three SynRMs. The results of finite element simulations imply that the proposed method is effective to decrease the torque ripples of these three SynRMs. The proposed torque ripple reduction method is verified according to the models built in MATLAB/Simulink and the experiment results respectively.Then the factors which could influence the proposed torque ripple reduction method are analyzed. Firstly, torque function is a function of rotor position, current angle and saturation. Based on the model in Simulink, the influence of different starting position on the performance of the studied SynSR is analyzed. Besides, the estimated position errors produced by senserless control could also affect the toque ripple minimization by changing torque function. At last, the influence of saturation on the proposed torque ripple reduction method is introduced because the amplitudes of the optimal currents are increased.In addition, the influence of torque ripple reduction on the other perfomances of SynRM is analyzed. The optimal currents have more harmonics than the original sinusoidal currents. So three losses (copper losses, iron losses and inverter losses) are modeled, calculated, analyzed and compared. According to the results, the copper losses are the most sensible losses. The iron losses and the inverter losses are a little increased and the increased parts can be neglected. Besides, reducing torque ripple by adding stator currents could influence the vibro-acoustic of the studied SynRM. Thus this section aims to explain the relationship between torque ripple reduction and acoustic noise. An analytical equation is proposed in order to evaluate the variation of noise produced by torque ripple reduction. Simulations in Flux 2D have been performed in order to calculate the variation of noise resulted by torque ripple reduction. At last, the software Manatee which is professional in studying the vibration and noise is applied for the purpose of comparing the results with those of the finite element analysis.

Modélisation des équations électromagnétiques 3D couplées avec les circuits d'alimentation électrique et le déplacement de parties mobiles, dans le cas de machines électriques tournantes. La formulation choisie utilise, comme inconnue principale, le potentiel vecteur magnétique nonjaugé, int~rpolé sur des éléments finis d'arête. Le caractère compatible de la formulation est assuré par l'introduction d'un potentiel vecteur électrique pour représenter le courant source, tant pour les inducteurs filaires maillés que pour les inducteurs filaires non-maillés. Le circuit électrique d'alimentation est analysé par la méthode des potentiels électriques intégrés dans le temps et les systèmes électrique et magnétique sont résolus simultanément. La connexion entre les parties mobiles est les parties fixes se fait par une technique d'interpolation des maillages, adaptée aux éléments d'arête. Des méthodes numériques spécifiques ont été développées et implantées, notamment pour l'intégration en pas-à-pas dans le temps du système temporel du premier ordre et pour la résolution du système matriciel résultant. L'ensemble des développements effectués a été validé sur un moteur à réluctance variable.

Ce mémoire d'HDR synthétise les travaux menés de 1983 à 1994 sur les machines à réluctance variable. Ils concernent leur conception intégrant les contraintes de l'électronique de puissance et leurs capteurs d'autopilotage. Ces travaux ont été associés à plusieurs réalisations de prototypes allant de la dizaine de watts à plusieurs dizaines de kilowatts. Le mémoire inclut également le CV de l'auteur et une chapitre historique concernant les machines électriques.