Les travaux de cette thèse s’inscrivent dans le contexte du développement de groupes motopropulseurs électriques pour véhicules automobiles. Ces développements ont mis en lumière les problématiques liées aux phénomènes acoustiques et vibratoires des machines électriques, spécifiques à l'application automobile. L'objectif de ces travaux est la mise en place de lois de commande dédiées à la réduction d'harmoniques de courant à l'origine d'harmoniques vibratoires.Pour cela, les différents éléments du système ont été modélisés, puis les paramètres du modèle électrique de la machine ont été identifiés au moyen de mesures expérimentales.Deux stratégies de commande ont ensuite été développées puis mises en place. D'une part, un régulateur dédié à l'harmonique de courant visé a été synthétisé par optimisation H-infini. D'autre part, la modélisation de l'origine de cet harmonique comme provenant d'un signal perturbateur externe a permis la compensation de celui-ci au moyen d'un observateur.L'efficacité de ces deux stratégies sur la réduction des harmoniques de courant visés et des harmoniques vibratoires correspondants a été validée expérimentalement sur banc d'essai vibratoire. / This work takes place in the context of the development of powertrains for electric vehicles. Those developments have raised new issues such as noise and vibrations of electrical machines, which are important issues in automotive applications. The aim of this thesis is to develop control laws dedicated to the reduction of currents harmonics that are responsible for vibration harmonics.In that purpose, different parts of the system have been modelled. Parameters of the electrical model of the studied machine have then been identified thanks to experimental measurements.Two different control laws are proposed and developed. One the one hand, a controller is synthetized thanks to H-infinity optimization. On the other hand, the studied current harmonic is modelled as coming from an external disturbance. This virtual disturbance is estimated thanks to an observer and compensated.

Les travaux de cette thèse s’inscrivent dans le contexte du développement de groupes motopropulseurs électriques pour véhicules automobiles. Ces développements ont mis en lumière les problématiques liées aux phénomènes acoustiques et vibratoires des machines électriques, spécifiques à l'application automobile. L'objectif de ces travaux est la mise en place de lois de commande dédiées à la réduction d'harmoniques de courant à l'origine d'harmoniques vibratoires.Pour cela, les différents éléments du système ont été modélisés, puis les paramètres du modèle électrique de la machine ont été identifiés au moyen de mesures expérimentales.Deux stratégies de commande ont ensuite été développées puis mises en place. D'une part, un régulateur dédié à l'harmonique de courant visé a été synthétisé par optimisation H-infini. D'autre part, la modélisation de l'origine de cet harmonique comme provenant d'un signal perturbateur externe a permis la compensation de celui-ci au moyen d'un observateur.L'efficacité de ces deux stratégies sur la réduction des harmoniques de courant visés et des harmoniques vibratoires correspondants a été validée expérimentalement sur banc d'essai vibratoire. / This work takes place in the context of the development of powertrains for electric vehicles. Those developments have raised new issues such as noise and vibrations of electrical machines, which are important issues in automotive applications. The aim of this thesis is to develop control laws dedicated to the reduction of currents harmonics that are responsible for vibration harmonics.In that purpose, different parts of the system have been modelled. Parameters of the electrical model of the studied machine have then been identified thanks to experimental measurements.Two different control laws are proposed and developed. One the one hand, a controller is synthetized thanks to H-infinity optimization. On the other hand, the studied current harmonic is modelled as coming from an external disturbance. This virtual disturbance is estimated thanks to an observer and compensated.

Le coût, l'autonomie et la durée de vie sont les principaux aspects qui freine le public dans l'achat d'une voiture électrique. Tous ces aspects sont liés à la batterie qui ne permet de stocker qu'une quantité limitée d'énergie. Dans ces conditions, il est indispensable de maîtriser les pertes d'énergie de la chaîne de traction. La machine électrique étant le principal consommateur d'énergie, elle joue un rôle important dans l'efficacité énergétique globale. Dans ce contexte, comment réduire les pertes de la machine électrique pour la rendre plus efficace ? Pour répondre à cette question, l'objectif de ce travail est de modéliser (avec une précision suffisante) et réduire les pertes fer dans notre application machine électrique de traction afin de les maîtriser. On comblera ainsi le manque de confiance en les modèles de pertes fer que peut avoir le concepteur de machine du concepteur de machine en lui permettant de réaliser des optimisations fines jusque dans les dernières phases de développement. Dans la première partie de ce manuscrit, le lecteur découvrira alors une machine synchrone à rotor bobiné du point de vue du matériau magnétique doux. Les premières conclusions montrent qu'une modélisation fine est nécessaire pour bien prendre en compte les phénomènes générateurs de pertes. On s'intéresse également à la mesure des matériaux magnétiques doux afin de comprendre de manière générale et tangible les pertes dans le matériau. On prend également conscience de la toute première source d'incertitude des modèles, la mesure du matériau. Enfin, nous présentons les démarches couramment rencontrées dans la littérature pour la modélisation des pertes fer. Face aux limitations des modèles couramment rencontrés, le modèle LS (un modèle d'hystérésis scalaire qui décompose les pertes en une contribution statique et une contribution dynamique) est redéveloppé afin qu'il réponde encore mieux aux exigences de l'industrie automobile. Il est précis et facilement identifiable à partir de mesures faciles à réaliser. La contribution statique reprend le modèle de Preisach formulé à l'aide des fonctions d'Everett dont l'identification à partir des caractéristiques mesurées est directe. La contribution dynamique quant à elle est dorénavant identifiable à partir de caractérisations en induction sinusoïdales. La précision du modèle ainsi améliorée est ensuite validée sur 63 cas tests exigeants dont la forme de l'induction est à fort contenus harmoniques. Le modèle développé est ensuite couplé avec un modèle électromagnétique élément finis de la machine électrique et validé par l'expérience. Les mesures faites sur le matériau étant l'un des points faibles des modèles, une méthodologie permettant d'évaluer la pertinence de la plage des mesures est proposée. On dresse également un état de l'art de l'impact du process (découpage, empilement et assemblage des tôles) sur les pertes fer afin d'aider le concepteur à mettre en balance les impacts liés au process qui n'ont pu être modélisés. Enfin des méthodologies parmi lesquels, les méthodologies des plans d'expériences sont mises en place afin d'optimiser les cartographies de commandes en des temps de calcul raisonnables. On montre des gains allant jusqu'à 50% de réduction des pertes totales de la machine dans certaines zones de fonctionnement par rapport à une optimisation dont l'objectif serait de minimiser uniquement les pertes dans les conducteurs de la machine. Ces résultats montrent l'intérêt d'utiliser un modèle de pertes fer précis afin de réduire les pertes totales de la machine. / Cost, range and lifetime are the main aspects that hold back the consumer to buy electric cars. These three aspects are all related to the battery which stores a limited amount of energy. Under such condition energy consumption is a major concern in electric cars. As the major electricity consumer, electrical machines play a key role for global energy savings. In this context how the electric machine can be made more energy efficient? To answer this question this thesis aim to model (accurately enough) and reduce the iron losses in traction electrical machine for electrical car. Indeed iron loss model suffer from a lack of confidence when it comes to fine optimization during the late phase of development. This thesis answers this question and takes into account the development criteria of the car industry and the constraints of the electric car. The first part of the thesis gives an overview of the application by taking a wounded rotor synchronous machine as a case study. The reader will discover the electrical machine with a soft magnetic material perspective. First, conclusion show that fine modelling of the electric machine is necessary to achieve desired accuracy. An overview on soft magnetic material behavior and measurements is then given. The reader will then acquire a broad feeling on soft magnetic material behavior and understands the first source of inaccuracy of the models (the measurements). Then, the typical models for predicting iron losses in magnetic materials are presented in a literature review. The second part of this study focus on iron loss modelling aspect. The loss surface model (a scalar hysteresis model made of a static and dynamic contribution) is used as the base of this modelling work. The static contribution is re-developed using Everett function formulation of the Preisach model is used to allow easy identification of the model directly from measurements. The identification of the dynamic contribution is re-worked to allow identification from sine-wave measurements (triangular wave measurement previously required). The model accuracy is improved and validated on 63 test cases with high harmonic distortion wave forms. The iron loss model is then coupled to finite element model of the electric machine and the limits of the model are investigated. One of the limits coming from measurement limitation, a methodology to evaluate the relevance of the measurement range is proposed. A literature review of the main impact of the process including cutting, stacking and assembling effects on electrical steel magnetic characteristics is intended to complement the modelling work to help the decision making of the designer on aspects that cannot be modeled. Finally methodologies playing with the modelling hypothesis and involving design of experiment and response surface are presented to reduce computational time and allow the optimization of the control of the machine. The optimizations carried out show total machine loss reduction up to 50% for some working point of the machine compared to an optimization dedicated to minimize only Joule's losses. This results show the interest of using a reliable iron loss model to reduce the total loss of the machine.

Ce travail concerne les machines synchrones à excitation (rotor bobiné). Leur modélisation est effectuée sous forme analytique; elle peut être employée lors des phases d'étude et de conception de ces machines (par exemple, pour la prédétermination des formes d'ondes et des pertes fer). Le premier chapitre présente les véhicules électriques et les particularités de leur chaîne de traction. Nous en déduisons ensuite les contraintes qui influent sur les paramètres magnétiques de ces machines. La méthode de calcul utilisée est détaillée dans le deuxième chapitre. Celle-ci permet d'analyser les effets de la saillance des machines au cours de leur rotation. Cette méthode se base sur une étude de la perméance d'entrefer (unique point traité par résolution numérique) qui conduit à un modèle de cette zone soit ponctuel, soit harmonique. Nous présentons ensuite les éléments permettant d'adapter cette caractérisation au cas des machines synchrones à aimants permanents. Les chapitres suivants sont consacrés à l'exploitation et à la validation de ce modèle pour différents points de fonctionnement de la machine. Le calcul des inductances (directe et en quadrature) en régime permanent, ainsi que la détermination de la répartition instantanée des flux en rotation, y sont traités. Les résultats obtenus avec le modèle analytique sont comparés à ceux obtenus avec des résolutions intégralement numériques (éléments finis). Divers cas ont été testés, notamment le fonctionnement en survitesse avec une forte réaction d'induit et le fonctionnement à couple maximum. Le modèle a permis de reconstituer avec une bonne précision ces différents cas, même en présence de saturation. Ces résultats valident le concept développé ici.

Cette thèse est dédiée à la conception optimale de la machine synchrone à rotor bobiné modulaire sans balais pour les systèmes embarqués. Cette machine est basée sur une structure POKIPOKITM développée par Mitsubishi Electric Coopération avec les convertisseurs de puissance intégrée pour augmenter la capacité de tolérance aux défauts. L'analyse électromagnétique est utilisée pour étudier les différentes machines synchrones à rotor bobiné et donc, pour sélectionner la structure qui offre la meilleure tolérance aux défauts et les performances les plus élevées. D’abord, le choix des nombres de phases, d’encoches et de pôles est un point critique. Ensuite, quelques machines sont analysées et comparées selon les critères tels que la densité de couple, le rendement, l'ondulation de couple. La machine avec 7 phases, 7 encoches et 6 pôles est alors choisie. Cette machine est ensuite comparée à la machine synchrone à aimant permanent monté en surface. Le résultat démontre que la machine synchrone à rotor bobiné modulaire sans balais possède le potentiel de remplacer la machine synchrone à aimant permanent dans notre application parce qu’elle présente des performances similaires avec une capacité de tolérance aux défauts élevée. Dans un second temps, une fois la structure 7phases/7encoches/6pôles choisie, cette machine est optimisée en utilisant NOMAD (qui est un logiciel d'optimisation de boîte noire) afin de minimiser le volume externe sous les contraintes électromagnétiques, thermiques et mécaniques. Comme ce problème d'optimisation est extrêmement difficile à résoudre, quelques relaxations ont été effectuées pour tester les différents algorithmes d'optimisation : fmincon (de Matlab) et NOMAD. Nous remarquons que NOMAD est plus efficace que fmincon pour trouver des solutions à ce problème de conception où certaines contraintes sont calculées par des simulations numériques (ANSYS Maxwell ; code éléments finis). En utilisant la méthode NOMAD basée sur l’algorithme Mesh Adaptive Direct Search, nous obtenons des résultats optimaux qui satisfont toutes les contraintes proposées. Il est nécessaire de valider ce design optimisé en vérifiant toutes les contraintes par des simulations électromagnétiques et thermiques en 3D. Les résultats montrent que le couple moyen obtenu par la simulation en 3D est inférieur à la valeur souhaitée. Par conséquent, en augmentant la longueur de la machine, une nouvelle machine corrigée est ainsi obtenue. Nous observons que les pertes de fer obtenues en 3D sont plus élevées qu'en 2D en raison du flux de fuite dans la tête de bobinage. En prenant les valeurs des pertes analysées par la simulation en 3D, la température de surface de la nouvelle machine analysée par la méthode Computational Fluid Dynamics est plus élevée que celle calculée dans l’optimisation. Enfin, un prototype de machine est construit et quelques tests expérimentaux est réalisés. Le résultat montre que la force électromotrice à vide a une forme d'onde similaire par rapport à la prédiction numérique en 3D et la différence de couple statique maximum entre les tests expérimentaux et les simulations par éléments finis en 3D est faible. / This thesis is dedicated to the design and the optimization of modular brushless wound rotor synchronous machine for embedded systems. This machine is constructed based on POKIPOKITM structure with integrated drive electronics. Finite element analysis based optimization becomes more popular in the field of electrical machine design because analytical equations are not easily formalized for the machines which have complicate structures. Using electromagnetic analysis to comparatively study different modular brushless wound rotor synchronous machines and therefore, to select the structure which offers the best fault tolerant capability and the highest output performances. Firstly, the fundamental winding factor calculated by using the method based on voltage phasors is considered as a significant criterion in order to select the numbers of phases, stator slots and poles. After that, 2D finite element numerical simulations are carried out for a set of 15 machines to analyze their performances. The simulation results are then compared to find an appropriate machine according to torque density, torque ripple and machine efficiency. The 7phase/7-slot/6-pole machine is chosen and compared with a reference design surfacemounted permanent magnet synchronous machine in order to evaluate the interesting performance features of the wound rotor synchronous machine. In the second design stage, this machine is optimized by using derivative-free optimization. The objective is to minimize external volume under electromagnetic, thermal and mechanical constraints. Given that an accurate finite element analysis for machine performance takes a long time. Moreover, considering that the average torque can be obtained by simulating the model with only four rotor positions instead of one electric period, optimization strategy is proposed to reduce computational time and therefore, obtain a fast convergence ability by defining relaxed problems which enable minimizing the external volume of the machine under only several constraints such as average torque, torque ripple and copper losses. By testing relaxed problems, two different optimization methods (NOMAD and fmincon) are compared in order to select an appropriate method for our optimization problem. Using NOMAD method based on Mesh Adaptive Direct Search, we achieve optimal results which satisfy all of the constraints proposed. In the third design stage, all constraints are validated by 3D electromagnetic and thermal simulations using finite element and computational fluid dynamics methods. The 3D results show that the average torque obtained is lower than the desired value. By increasing the length of the machine, a new corrected machine is thus obtained. It can be observed that the iron losses obtained in 3D are higher than that in 2D due to the leakage flux in the end-winding. Then, the machine temperature is analyzed by using ANSYS Fluent. Note that the surface temperature is higher than that calculated in the optimization and the coil temperature is 8.48°C higher than the desired value (105°C). However, some dissipation by the shaft and the bearings of the machine are expected to reduce the machine temperature. Finally, a machine prototype is built and some experimental tests are carried out. The results show that the electromotive force has a similar waveform compared to 3D prediction and the difference of the measured and predicted maximum static torques is small.