La quasi-totalité des études de machines synchrones à aimants permanents (MSAP) pour les applications aux véhicules hybrides concernent les performances uniquement sur quelques points particuliers d’un cycle de fonctionnement du véhicule (le point de base, le point à grande vitesse ou le point le plus sollicité). Cependant, ces machines électriques fonctionnent souvent à différents couples et à différentes vitesses. Cette thèse s’intéresse donc à l’étude des performances de MSAP sur l’ensemble d’un cycle de fonctionnement en vue de les optimiser sur cycle. Durant cette thèse, l’auteur a contribué à développer les modèles de couple, de défluxage, de pertes cuivre et de pertes magnétiques et les méthodes de calcul de ces pertes à vide et en charge pour les quatre MSAP dont trois machines à concentration de flux et une machine à aimants en surface du rotor et pour trois cycles de fonctionnement : NEDC, Artemis-Urbain et Artemis-Routier. Une validation expérimentale de ces modèles a été effectuée sur un banc d’essai moteur avec deux prototypes de MSAP. Ensuite, les MSAP ont été dimensionnées en vue d’une minimisation des pertes sur cycle et du courant efficace du point de base. Cette combinaison a pour but d’augmenter le rendement de la machine électrique et de minimiser la dimension de l’onduleur de tension associée. Ce problème d’optimisation multi-objectif a été réalisé en utilisant l'algorithme génétique, Non-Dominated Sorting Genetic Algorithm (NSGA-II). Ainsi, un Front de Pareto des solutions optimales peut être déduit. Les impacts des modèles de pertes (à vide et en charge) sur l’optimisation sur cycle des machines sont étudiés et l’intérêt de chaque modèle est présenté. Les modèles et méthodes de calcul proposés peuvent être appliqués à tous les cycles de fonctionnement, à différentes MSAP et à différentes applications. / Almost all studies of permanent magnet synchronous machines (PMSM) for for hybrid vehicle applications relate to their performances on a specific point of a driving cycle of the vehicle (the base point, the point at high speed or the most used point). However, these machines often operate at different torques and at different speeds. This thesis studies therefore PMSM performances in order to optimize during an entire driving cycle. In this thesis, the author contributed to develop models of torque, field weakening, copper losses and iron losses and methods of calculating these losses at no-load and at load for four MSAP (three concentrated flux machine and a surface mounted PMSM) and for three driving cycles (New Eurepean Driving Cycle, Artemis-Urban and Artemis-Road). An experimental validation of these models was realized on a test bench with two prototypes of MSAP. Then, the MSAP were sized for a minimization of average power losses during the cycle and of the RMS current at the base point. This combination is designed to increase the efficiency of the electrical machine and minimize the size of the associated voltage inverter. This problem of multi-objective optimization was performed using the genetic algorithm, Non-Dominated Sorting Genetic Algorithm (NSGA-II). Thus, a Pareto front of optimal solutions can be derived. The impacts of loss models (at no-load and at load) on the PMSM optimization during the cycle are studied and the interest of each model is presented. Models and calculation methods proposed in this thesis can be applied to all cycles, at different MSAP and for other applications.

La traction hybride et/ou électrique est un domaine d’application en pleine croissance présentant une forte restriction en termes d’encombrement. Cela a poussé les concepteurs à créer des structures de machine adaptées. Parmi ces topologies, nous trouvons les machines synchrones à double excitation (MSDE). Ces machines permettent de combiner les avantages d’une machine à aimants et ceux d’une machine à excitation bobinée. Le choix d’un modèle pour ces machines est un élément important dans les étapes d’analyse, d’optimisation et de pré-dimensionnement. Ce mémoire présente une contribution à la modélisation des machines synchrones à simple et à double excitation basée sur la méthode des réseaux de perméances. Trois parties sont ainsi proposées. La première partie de la thèse présente deux états de l’art- un sur les machines synchrones à double excitation et l’autre sur les méthodes de modélisation des machines électriques et principalement la modélisation par réseau de perméances. Dans la deuxième partie, nous abordons la modélisation 2D de la machine synchrone à aimants permanents à concentration de flux avec prise en compte de la rotation et de la saturation. Le but de cette partie est de trouver des méthodes permettant de combiner à la fois temps de calcul et précision. On commence par la modélisation par réseau de perméances en se basant sur un maillage de l’espace d'étude par des réluctances bidirectionnelles, ainsi qu’une comparaison entre calcul du couple par le tenseur de Maxwell et flux-FMM. La deuxième section présente un couplage entre réseaux de perméances et éléments finis. La méthode proposée consiste à résoudre les deux modèles (réluctant et éléments finis) simultanément avec un logiciel EF. Le couplage s’effectue par une équivalence entre les dimensions géométriques et les caractéristiques magnétiques des matériaux. La présentation des différents modèles dans le plan précision-temps de calcul montre l’efficacité de l’utilisation des réseaux de perméances et du couplage comparé au modèle éléments finis. La troisième partie porte sur la modélisation tridimensionnelle des machines synchrones à double excitation. Dans un premier temps, nous présentons une adaptation de la modélisation par réseau de perméances aux structures tridimensionnelles. Puis, nous appliquons ce modèle aux machines synchrones à double excitation. La machine à double excitation à concentration de flux est présentée avec une étude de l’influence du feuilletage sur la capacité de contrôle du flux. Pour améliorer le contrôle du flux d'excitation, une machine à aimants enterrés homopolaire est également étudiée avec l'approche développée. La validation du modèle est réalisée par des éléments finis et des mesures expérimentales. Dans la dernière partie, une comparaison entre configurations homopolaire et bipolaire de la structure à aimants enterrés est effectuée, puis le rotor à concentration de flux est optimisé afin de le comparer à la machine à aimants enterrés. / The electric and / or hybrid driveis are an application area growing with a strong restriction in terms of congestion. This prompted the designers to create appropriate structures. Among these topologies, we find the double-excitation synchronous machine (MSDE). These machines can combine the advantages of permanent magnets machine and those of a coils excited machine.The choice of a model for these machines is an important step in the analysis, optimization and pre-sizing. This thesis presents a contribution to the modeling by magnetic equivalent circuit (MEC) of single and double excitation synchronous machines. Three parties are offered as well. The first part of the thesis presents two states of the art: one on the double-excitation synchronous machines and the other on the modeling of electrical machines, mainly in the modeling by magnetic equivalent circuit. In the second part, we discuss the 2D modeling of flux concentration permanent magnet synchronous machine taking into account the rotation and saturation. The purpose of this section is to find ways to combine both computational time and accuracy. We start by using the magnetic equivalent circuit modeling based on a mesh of the structure and each mesh is replaced by two-way reluctances, then a torque estimation are obtened by two methods flux-FMM and Maxwell stress Tensor. The second section presents a coupling between magnetic equivalent circuit and finite element method. The proposed method is to solve the two models (reluctant and finite elements) simultaneously with software EF. The coupling is performed by an equivalence between the geometric dimensions and magnetic properties of materials. The presentation of different models in terms of time-accurate calculation shows the effectiveness of the use of MEC and coupling method compared to FEM. The third part concerns the three-dimensional modeling of double excitation synchronous machines. At first, we present an adaptation of the MEC to the three-dimensional structures. Then we apply this model to the double excitation synchronous machines (DESM). The DESM with flux concentration configuration is presented. To better control the wund flux of excitation, a buried magnet homopolar machine is also studied with the same approach. Model validation is performed by finite element and experimental measurements. In the last part, a comparison between homopolar and bipolar configurations is made, then the rotor flux concentration is optimized in order to compare it to the machine magnets buried.

Les travaux de cette thèse portent sur la méthodologie de conception des Machines Synchrones à Aimants Permanents (MSAP) avec pour application le véhicule électrique. Dans une première partie, nous avons abordé du contexte de l'étude et de la problématique du dimensionnement. A l'occasion, nous avons montré qu'il est nécessaire d'adopter une méthodologie de design appropriée en fonction de l'avancement de chaque projet dans le cadre du processus de conception. Nous avons alors proposé différents niveaux de modélisation afin de repérer la machine optimale face au cahier des charges pour ensuite la caractériser plus finement et l'optimiser. La seconde partie du rapport traite donc de la modélisation et de l'optimisation de la MSAP. En premier lieu, un modèle analytique permet d'évaluer les performances globales des centaines de machines très rapidement. Ce premier calcul permet de sélectionner les meilleures machines à l'application pour ensuite les optimiser. Puis, le second niveau de modélisation se base sur les réseaux de réluctances. Ce niveau plus fin permet d'une part de retrouver les performances affinées des MSAP et également de procéder à l'optimisation. Enfin, la dernière partie du rapport est consacrée à l'optimisation de la MSAP en vue d'améliorer grandement les performances et de satisfaire au mieux au cahier des charges. / The works of this thesis concern the design methodology of Permanent Magnet Synchronous Machine (PMSM) for an electric vehicle application. The first part of this report introduces the context of the study and the problem of design. Then, we have shown that it is necessary to adopt an appropriate design methodology based on the progress of each project in the design process. Thus, we proposed different levels of modeling to identify the optimal machine against the specifications, and then characterize it more finely and optimize. The second part of the report deals with the modeling and optimization of the PMSM. First, an analytical model is employed to evaluate the overall performance of hundreds of machines very quickly. The first calculation is used to select the best machine for the application and then optimize them. Then, the second level of modeling is based on reluctance networks. This model allows finer resolution of the PMSM and also permits to perform optimization. The last part of the report is devoted to the optimization of the PMSM in order to greatly improve performances and meet the specifications.

Ce travail de thèse a pour objectifs l'observation et la commande des convertisseurs multi-niveaux et la commande des machines synchrones. Pour satisfaire le besoin des clients de l’entreprise GS Maintenance et pour des raisons de maintenance, une commande en courant de la machine synchrone est implémentée expérimentalement. L'accent est mis sur le démarrage de ce type de machines car durant ces phases de fonctionnement (basses vitesses), les forces électromotrices sont faibles pour assurer la commutation des thyristors de l'onduleur. Ensuite, l'entreprise a proposé à ses clients un convertisseur statique en moyenne tension afin de garder sa place dans la variation de vitesse. Dans ce cadre, une commande en tension moderne de la machine synchrone alimentée par un onduleur de tension est proposée et validée par des résultats de simulation. Compte tenu du fonctionnement en moyenne tension, les convertisseurs multi-niveaux ont été retenus par l’entreprise. Dans ce cadre, le convertisseur multicellulaire série est proposé dans ce travail et une commande directe basée sur la théorie des modes glissants et le principe de priorité est conçue pour assurer l'équilibrage des tensions flottantes du convertisseur. Cette commande a été généralisée pour un nombre quelconque de cellules du convertisseur et validée par des résultats de simulation pour un nombre de cellules égal à 7. Pour réduire le coût et l'encombrement du convertisseur, un observateur adaptatif des tensions flottantes est proposé en prenant en compte les états de commutation du convertisseur. Cet observateur est ensuite associé à la commande directe en boucle fermée. Un banc d'essai du convertisseur à 3 cellules est réalisé au sein de l’entreprise et l’ensemble « observateur + commande directe » est testé expérimentalement sur ce banc. / This PhD thesis aims to the observation and control of multilevel converters and the synchronous machines control. To satisfy the needs of GS Maintenance's customers and for maintenance reasons, a control strategy for a current fed self controlled synchronous machine is validated by experiments tests. The proposed strategy focus on a very low speed because the machine counter electromotive force is insufficient for inverter thyristors switching. Recently, the company proposed for its customers a power converter with medium voltage to keep its place in the speed variation. So, a modern voltage control of the synchronous machine fed by a voltage inverter is proposed and validated by simulation results. Medium voltage operation encouraged the company to choose the multi-level converter. Then, the flying capacitor converter is proposed in this work and a direct control based on the sliding mode theory and the priority principle is designed to guarantee the voltage balance. This control strategy has been generalized for any number of cells of the converter and validated by simulation results for a 7 cells converter. To reduce the cost and complexity of the converter, an adaptive observer floating voltages is proposed by taking into account the switching states of the converter. This observer is then associated with the direct control in closed loop. A test bench of a 3 cells converter is set up in the company. Experimental tests of « observer based direct control » are then conducted on this test bench.

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Im Industriesektor gibt es viele Anwendungen bei denen elektrische Maschinen rund um die Uhr in rauhen Umgebungen betrieben werden. Bei VEM wurden hierfür neue Antriebe entwickelt, die hohe Wirkungsgrade auf IE5 Niveau mit Robustheit, Wartungsarmut und niedrigen Anschaffungskosten kombinieren. In diesem Vortrag werden der Entwurfsprozess sowie die auf diese Weise erzielten Ergebnisse, gemessen anhand mehrerer Prototypen, präsentiert. Darüber hinaus wird der Einfluss der Fähigkeiten des Umrichters auf das Betriebsverhalten der Maschine betrachtet. / In industrial applications electrical machines are often operated around the clock in rough environments. VEM developed new drives for these applications, combining robustness, low maintenance effort and low cost with highest efficiency levels (IE5). In this presentation the development process as well as the results, measured at multiple prototypes, are shown. Additionally the significance of a smart inverter is pointed out.

L'apprentissage des matrices de rang faible est un problème de grande importance dans les statistiques, l'apprentissage automatique, la vision par ordinateur et les systèmes de recommandation. En raison de sa nature NP-difficile, une des approches principales consiste à résoudre sa relaxation convexe la plus étroite : la minimisation de la norme de trace. Parmi les différents algorithmes capables de résoudre cette optimisation, on peut citer la méthode de Frank-Wolfe, particulièrement adaptée aux matrices de grande dimension. En préparation à l'utilisation d'infrastructures distribuées pour accélérer le calcul, cette étude vise à explorer la possibilité d'exécuter l'algorithme de Frank-Wolfe dans un réseau en étoile avec le modèle BSP (Bulk Synchronous Parallel) et à étudier son efficacité théorique et empirique. Concernant l'aspect théorique, cette étude revisite le taux de convergence déterministe de Frank-Wolfe et l'étend à des cas non déterministes. En particulier, il montre qu'avec le sous-problème linéaire résolu de manière appropriée, Frank-Wolfe peut atteindre un taux de convergence sous-linéaire à la fois en espérance et avec une probabilité élevée. Cette contribution pose la fondation théorique de l'utilisation de la méthode de la puissance itérée ou de l'algorithme de Lanczos pour résoudre le sous-problème linéaire de Frank-Wolfe associé à la minimisation de la norme de trace. Concernant l'aspect algorithmique, dans le cadre de BSP, cette étude propose et analyse quatre stratégies pour le sous-problème linéaire ainsi que des méthodes pour la recherche linéaire. En outre, remarquant la propriété de mise à jour de rang-1 de Frank-Wolfe, il met à jour le gradient de manière récursive, avec une représentation dense ou de rang faible, au lieu de le recalculer de manière répétée à partir de zéro. Toutes ces conceptions sont génériques et s'appliquent à toutes les infrastructures distribuées compatibles avec le modèle BSP. Concernant l'aspect empirique, cette étude teste les conceptions algorithmiques proposées dans un cluster Apache SPARK. Selon les résultats des expériences, pour le sous-problème linéaire, la centralisation des gradients ou la moyenne des vecteurs singuliers est suffisante dans le cas de faible dimension, alors que la méthode de la puissance itérée distribuée, avec aussi peu qu'une ou deux itérations par époque, excelle dans le cas de grande dimension. La librairie Python développée pour les expériences est modulaire, extensible et prête à être déployée dans un contexte industriel. Cette étude a rempli sa fonction de preuve de concept. Suivant le chemin qu'il met en place, des solveurs peuvent être implémentés pour différentes infrastructures, parmi lesquelles des clusters GPU, pour résoudre des problèmes pratiques dans des contextes spécifiques. En outre, ses excellentes performances dans le jeu de données ImageNet le rendent prometteur pour l'apprentissage en profondeur. / Learning low-rank matrices is a problem of great importance in statistics, machine learning, computer vision, recommender systems, etc. Because of its NP-hard nature, a principled approach is to solve its tightest convex relaxation : trace norm minimization. Among various algorithms capable of solving this optimization is the Frank-Wolfe method, which is particularly suitable for high-dimensional matrices. In preparation for the usage of distributed infrastructures to further accelerate the computation, this study aims at exploring the possibility of executing the Frank-Wolfe algorithm in a star network with the Bulk Synchronous Parallel (BSP) model and investigating its efficiency both theoretically and empirically. In the theoretical aspect, this study revisits Frank-Wolfe's fundamental deterministic sublinear convergence rate and extends it to nondeterministic cases. In particular, it shows that with the linear subproblem appropriately solved, Frank-Wolfe can achieve a sublinear convergence rate both in expectation and with high probability. This contribution lays the theoretical foundation of using power iteration or Lanczos iteration to solve the linear subproblem for trace norm minimization. In the algorithmic aspect, within the BSP model, this study proposes and analyzes four strategies for the linear subproblem as well as methods for the line search. Moreover, noticing Frank-Wolfe's rank-1 update property, it updates the gradient recursively, with either a dense or a low-rank representation, instead of repeatedly recalculating it from scratch. All of these designs are generic and apply to any distributed infrastructures compatible with the BSP model. In the empirical aspect, this study tests the proposed algorithmic designs in an Apache SPARK cluster. According to the experiment results, for the linear subproblem, centralizing the gradient or averaging the singular vectors is sufficient in the low-dimensional case, whereas distributed power iteration, with as few as one or two iterations per epoch, excels in the high-dimensional case. The Python package developed for the experiments is modular, extensible and ready to deploy in an industrial context. This study has achieved its function as proof of concept. Following the path it sets up, solvers can be implemented for various infrastructures, among which GPU clusters, to solve practical problems in specific contexts. Besides, its excellent performance in the ImageNet dataset makes it promising for deep learning.

Aujourd'hui, l'électrification des véhicules constitue une des solutions mises en œuvre par les constructeurs automobiles dans la lutte contre les émissions de gaz polluants et pour la réduction des consommations. Comme le prix des aimants terres rares a fortement augmenté ces dernières années, les moteurs électriques sans aimants permanents sont attractifs, comme les moteurs asynchrones, synchrones à rotor bobiné, à réluctance variable (double saillance ou synchrone). Dans cette thèse, les machines asynchrones et synchrones à réluctance variable sont étudiées et comparées pour des véhicules électriques. Ces deux machines ont un coût faible et possèdent des structures de puissance et de contrôles similaires.Des modèles analytiques non linéaires de machines asynchrones et synchrones à réluctance variable sont établis et validés. En outre, leurs modèles économiques et mécaniques sont également mis en œuvre. Sur la base des modèles analytiques établis, la géométrie et les paramètres de commande des machines étudiées sont dimensionnés afin de réduire les pertes énergétiques durant des cycles de conduite. Une optimisation bi-objective est proposée afin de minimiser en même temps les pertes énergétiques et le coût du moteur. Enfin, les machines optimisées sont comparées, à l’aide de Fronts de Pareto, pour évaluer leurs performances électriques, énergétiques et économiques. / Today, the concerns of the energy crisis and the reduction of gas emissions stimulate the research in several electric vehicle domains. As the cost of rare earth magnetic materials has increased significantly in recent years, electrical motors without permanent magnets draw more attention, such as induction motors, wound-synchronous motors, switched reluctance motors, and synchronous reluctant motors. In this thesis, induction and synchronous reluctant machines are chosen to be studied for the electric vehicle traction application since they are low costly and fed up with similar power electronics and control strategies.Nonlinear analytical models of induction and synchronous reluctant machines are established and validated. Besides, economical and mechanical models are developed as well. Based on established analytical models, the geometry and the control parameters of these studied machines are calculated to define the total energy losses during the driving cycle. A bi-objective optimization is carried out to minimize total energy losses and motor costs. At last, the optimized machines are compared from their electric, energetic and economic performances, with the help of the Pareto Fronts obtained.

Low-power wireless networks consist of spatially distributed, resource-constrained devices – also referred to as nodes – that are typically equipped with integrated or external sensors and actuators. Nodes communicate with each other using wireless transceivers, and thus, relay data – e. g., collected sensor values or commands for actuators – cooperatively through the network. This way, low-power wireless networks can support a plethora of different applications, including, e. g., monitoring the air quality in urban areas or controlling the heating, ventilation and cooling of large buildings. The use of wireless communication in such monitoring and actuating applications allows for a higher flexibility and ease of deployment – and thus, overall lower costs – compared to wired solutions. However, wireless communication is notoriously error-prone. Message losses happen often and unpredictably, making it challenging to support applications requiring both high reliability and low latency. Highly reliable, low-latency communication – along with high energy-efficiency – are, however, key requirements to support several important application scenarios and most notably the open-/closed-loop control functions found in e. g., industry and factory automation applications. Communication protocols that rely on synchronous transmissions have been shown to be able to overcome this limitation. These protocols depart from traditional single-link transmissions and do not attempt to avoid concurrent transmissions from different nodes to prevent collisions. On the contrary, they make nodes send the same message at the same time over several paths. Phenomena like constructive interference and capture then ensure that messages are received correctly with high probability. While many approaches relying on synchronous transmissions have been presented in the literature, two important aspects received only little consideration: (i) reliable operation in harsh environments and (ii) support for event-based data traffic. This thesis addresses these two open challenges and proposes novel communication protocols to overcome them.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.