Thèses Equipe Outils et Méthodes Numériques

1. "Contrôle non destructif électromagnétique et ultrasonore en vue de l’évaluation des propriétés mécaniques d’aciers martensitiques"
   Marwane DHERBÉCOURT, Thèse de l'Université de Lille, Mars 2024, résumé

   Les produits tubulaires commercialisés par Vallourec subissent des tests destructifs rigoureux pour s’assurer que leurs propriétés mécaniques soient conformes aux normes et aux spécifications. En particulier, les tubes en acier sans soudure destinés au marché du pétrole et du gaz doivent être des produits fiables et durables. Pouvoir mesurer de manière non destructive certaines des propriétés mécaniques de ces aciers répondrait à un besoin industriel fort. C’est le défi auquel cette thèse veut répondre : mettre en place une méthodologie permettant de mesurer une ou plusieurs grandeurs mécaniques des nuances d’acier Vallourec, à partir de signaux obtenus par des techniques de contrôle non destructives (CND). Afin de décorréler rigoureusement les différentes contributions qui influencent les mesures expérimentales, une analyse détaillée des mécanismes impliqués est nécessaire. L’étude des propriétés mécaniques des aciers étant un domaine extrêmement riche, nous ne nous intéresserons qu’aux nuances d’acier OCTG (Oil Country Tubular Goods). Ces aciers martensitiques sont destinés aux applications de forage, d’extraction du pétrole et du gaz naturel. Aussi, notre attention se porte sur l’évaluation des propriétés suivantes : limite d’élasticité, résistance à la traction, dureté et l’état de contrainte. Pour ce faire, des techniques CND électromagnétiques et ultrasonores pour la caractérisation matériaux des aciers sont mises en place.

2. "Contribution au développement d'une méthodologie non intrusive de diagnostic de défauts électriques de machines synchrones à aimants permanents polyphasées utilisées en éolien offshore"
   Anthony EL HAJJ, Thèse, Février 2024, url, résumé

   Avec la croissance de la demande en énergie électrique et la nécessité de décarboner sa production, l'intérêt porté aux énergies renouvelables, et plus précisément à l'énergie éolienne, est de plus en plus accru. L'éolien offshore admet, quant à lui, maints avantages : le vent est davantage stable et fort en mer, la montée en puissance est plus facile qu'en onshore, etc. Toutefois, l'accès aux parcs en mer est difficile et les interventions sur site et les opérations de maintenance sont onéreuses. En développant des outils de diagnostic précoce de défauts, il est possible d'avoir de meilleures connaissances de l'état de santé des éoliennes et de passer ainsi d'une maintenance corrective et systématique à une maintenance conditionnelle et prédictive, ce qui réduirait ses coûts. L'objectif de ce travail est de développer une méthodologie non intrusive de diagnostic de défauts électriques d'une chaîne de conversion de puissance à génératrice synchrone à aimants permanents polyphasée, présente dans les dernières générations d'éoliennes offshore. Pour ce faire, des indicateurs de défauts, basés sur les mesures déjà disponibles et les degrés de liberté supplémentaires dont disposent certains systèmes polyphasés, sont définis dans un premier temps et calculés en présence de plusieurs types de défauts électriques : augmentation de la résistance d'une phase, court-circuit entre spires, court-circuit phase-phase et court-circuit phase-terre. D'autres composantes sont examinées dans un second temps en vue d'une classification des défauts électriques. Plusieurs points de fonctionnement et sévérités de défauts sont considérés. Ces dernières ont été choisies pour représenter des défauts naissants, ce qui permet d'éviter tout potentiel effet local destructeur et d'analyser la sensibilité des indicateurs développés. Une bonne concordance est montrée entre les simulations réalisées sous MATLAB/Simulink et les essais expérimentaux réalisés sur le 'banc ENR', un banc d'essai installé à EDF R&D Lab Paris-Saclay, d'une puissance de 55 kW et qui représente à une échelle réduite le type de chaînes de conversion de puissance étudié.

1. "Développement d'un outil d'aide à la conception des moteurs synchrones à aimant permanent à démarrage direct"
   Hamza FAROOQ, Thèse, Décembre 2023, url, résumé

   Cette thèse présente le développement d'un outil d'aide à la conception des moteurs synchrones à aimant permanent à démarrage direct. Ces moteurs à démarrage direct ont un rendement intéressant par rapport une machine asynchrone, et ceci en combinant sur leur rotor des aimants permanents et une cage d'écureuil. La cage offre la capacité de démarrage direct, tandis que les aimants permettent au moteur de se synchroniser et de fonctionner à une vitesse synchrone. L'objectif principal de cette étude est de relever le défi du dimensionnement des aimants et de la cage d'écureuil du rotor, afin d'optimiser les performances de ces moteurs. Les aimants du rotor contribuent à améliorer les performances du moteur à vitesse synchrone, mais ils créent également un couple de freinage pendant la phase de démarrage, ce qui entrave un démarrage en douceur du moteur. La cage du rotor fournit quant à elle le couple d'induction pendant le démarrage et doit être conçue pour pouvoir fournir le couple de charge requis, quelle que soit l'application souhaitée. Un modèle transitoire est nécessaire pour observer cet effet des aimants et de la cage d'écureuil sur les performances du moteur. Pour atteindre cet objectif, un modèle analytique basé sur le circuit électrique équivalent dans les axes "d" et "q" est développé, afin d'analyser les performances de ce moteur. Ce modèle permet d'évaluer les performances dynamiques du moteur, à la fois pendant les régimes de démarrage et en régime permanent. Pour tenir compte de l'influence de la saturation sur les performances du moteur, une approche par des réseaux de réluctances est employée. Des relations analytiques issues des réseaux sont développées pour estimer la force électromotrice, de même que les inductances de magnétisation et de fuite. L'outil analytique développé est utilisé pour effectuer une optimisation multi-objectifs, afin d'améliorer simultanément les performances de démarrage en transitoire et synchrones en régime permanent. Le temps de démarrage du moteur est déterminé à l'aide du modèle pour garantir la capacité de démarrage direct dans le processus d'optimisation. Pour valider la robustesse du modèle analytique, des simulations par la méthode des éléments finis sont effectuées. De plus, une étude expérimentale est menée à l'aide d'un moteur à démarrage direct du commerce. Le modèle analytique montre des tendances similaires au démarrage du moteur par rapport aux résultats expérimentaux. Au final, l'outil développé, couplé à un outil d'optimisation, permet d'obtenir des solutions optimales sous forme de front de Pareto avec un bon compromis entre la précision et la rapidité. Cela permet à l'utilisateur d'obtenir rapidement des tendances de conception, notamment sur le prix et les pertes, tout en s'assurant du démarrage possible du moteur, quelle que soit la charge.

2. "Conception et contrôle de machines synchrones Vernier à aimants permanents à attaque directe pour véhicules électriques"
   Walid GUENDOUZ, Thèse, Décembre 2023, url, résumé

   Les véhicules électriques (VE) constituent aujourd’hui l’un des domaines de recherche les plus actifs. Cela comprend différents points allant de la conception des différents composants du véhicule, dont les batteries, jusqu’à la recherche de la gestion énergétique la plus efficace pour optimiser l’autonomie. Ces travaux visent également à accroître la fiabilité des véhicules tout en réduisant les prix. Dans ce vaste contexte, la motorisation électrique est un point clé pour répondre aux exigences d’un VE efficace. L’utilisation d’une machine à attaque directe en monomoteur constituerait une solution intéressante en termes de rendement et de fiabilité en évitant le multiplicateur de vitesse. Dans cette optique et sans augmentation excessive du volume de la machine, nous avons dimensionné et étudié un prototype de machine à réluctance Vernier à aimants à partir d’un cahier des charges bien spécifique. Les performances du prototype dimensionné ont ensuite été validées au travers d’une modélisation numérique par éléments finis en 2D. Ce dernier répond aux spécifications de l’application mais présente un faible facteur de puissance. Différentes autres configurations ont alors été investiguées tout en maintenant constant le volume de matériaux actifs et en gardant un nombre de paires de pôles proche. Deux prototypes ont été sélectionnés pour leur bon facteur de puissance bien qu’ils souffrent d’un taux d’ondulation du couple élevé. Le travail a porté alors sur une optimisation pour réduire ce dernier en ajustant des paramètres géométriques, notamment les ouvertures d’encoches, et en explorant l’utilisation de la configuration Halbach pour les aimants. Afin d’atténuer les ondulations de couple tout en améliorant la puissance massique des matériaux actives de la machine, nous avons adopté une approche proposant une structure à double stator sur la base de celle qui fournit la valeur moyenne de coule la plus élevée. En conservant le stator initial et en ajustant la quantité d’aimants, un second stator interne a été ajouté. Une étude de sensibilité a ensuite été effectuée sur l’angle de décalage entre le stator interne et externe permettant de réduire le couple de détente et les ondulations du couple. Enfin, une optimisation des ouvertures d’encoches des deux stators, ainsi que le taux d’ouverture des aimants de type Halbach a été réalisée. Cela a permis d’aboutir à une structure avec moins d’ondulations tout en maintenant une puissance massique élevée. La dernière partie des travaux a porté sur le développement d’une modélisation analytique de la machine optimisée puis l’application d’une commande vectorielle. Les performances de la structure retenue, avec la commande, ont été alors évaluées dans des conditions de conduite réelles.

3. "Contribution à l'étude et la commande de génératrices synchrones à réluctance en fonctionnement autonome"
   Yamina DJOUADI, Thèse, Décembre 2023, url, résumé

   Dans le domaine de la génération de l'énergie éolienne ,outre les unités de production de masse ,l'augmentation de la pénétration de cette énergie au travers d'unités autonomes avec des prix réduits reste encore un domaine nécessitant des travaux .dans ce cadre des actions ont largement menées sur l'étude et la commande de la machine asynchrone (MAS) à cage en fonctionnement générateur autonome mais trés peu l'ont été sur les machines synchrones or ,ces dernières ont des performances proches de celle des MAS tout en évitant des courants rotoriques et dons des échauffement à évacuer. Par ailleurs, les prix de revient de ces machines sont plus faibles que ceux des MAS. Dans ce contexte, l'étude et la comparaison des performances de MSR à celle de MAS revêt un intérêt indéniable. Dans le cas du présent projet de thèse ,la comparaison s'appuiera sur les diffèrent travaux antérieurs déjà menés sur les performances de la MAS en générateur autonome .le travail e doctorat proposé concerne l'étude ,la modélisation et à la commande de génératrice synchrone à réluctance variable en fonctionnement autonome .ce travail sera structuré suivant trois parties: la première partie sera consacrée à une étude bibliographique la plus exhaustive possible .par ailleurs, ne disposent pas de MRS ,le dimensionnement de la génératrice synchrone à réluctance variable répondant à un cahier de charges spécifique devra être effectué en utilisant le mémé stator que celui d'une MAS dont on dispose .cela se basera alors sur le choix et l'optimisation des saillance rotoriques, soit sous leur forme basique soit sous celle de guide de flux .la deuxième partie sera consacrée à la modélisation numérique et analytique et l'identification des différents paramètres du modèle analytique de la génératrice réluctance variable .une attention particulière sera portée au caractère non linéaire de ce dernier dû à l'effet de la saturation qui n'est pas négligeable dans ces machines .sue cette base ,une étude analytique sera menée pour déterminer quelle seraient les valeurs adéquates de condensateurs qui pourraient être mis en parallèle aux bobinages statoriques pour auto amorcer la machine en générateur .le même modèle sera ensuite mis en œuvre pour quantifier les performances de cette solution 'simple 'en fonction de divers paramètres tels la vitesse ,la charge et les valeurs des capacités .la troisième partie concernera l'étude de la génératrice synchrones à réluctance connectée à un redresseur à MLI d'abord en boucle ouverte puis en boucle fermée en testant diverses stratégies tenant compte de la non-linéarité des matériaux magnétiques . L'élaboration des commandes linéaires des systémes en boucle fermée avec comme objectif, en plus de la fonctionnalité visée, une gestion intelligente de la puissance dans le cas de l'application à la production éolienne d'énergie. Enfin comme dernière partie du travail, nous tenterons de nous munir d'un prototype expérimental afin de valider les différentes études tant de dimensionnement, de modélisation t de fonctionnement en boucle ouverte et fermée.

4. "Fabrication additive de matériaux magnétiques doux par voie indirecte"
   Vincent MARTIN, Thèse, Février 2023, url, résumé

   L’utilisation des technologies de fabrication additive s’est fortement démocratisée depuis la fin des années 80 et l’apparition des premières imprimantes 3D. Grâce aux nombreux développements dont elles ont fait l’objet, ces solutions constituent désormais une réponse pertinente aux problématiques des divers secteurs de la recherche scientifique et de l’industrie. En particulier, le génie électrique peut grandement tirer profit des nouvelles opportunités offertes par l’impression 3D. Ces travaux de thèse portent sur la mise en place et l’étude d’un procédé de fabrication additive pour le génie électrique, en particulier pour l’impression de matériaux magnétiques doux utilisés lors de la réalisation de dispositifs électriques de conversion d’énergie. Un procédé indirect inspiré des technologies de moulage métal par injection est développé et deux matériaux classiques du domaine sont considérés en particulier : le fer silicium 3% et le ferrite manganèse zinc. La validation du procédé ainsi que l’étude de son impact sur les performances sont d’abord présentées. Par la suite, le développement d’un feedstock polymère chargé en poudre de ferrite est exploré pour les méthodes d’impression FFF et DLP. Enfin, la mise en place d’un processus d’optimisation topologique basé sur un modèle de réluctances maillées est réalisée. Celui-ci est appliqué au cas d’un composant magnétique passif et suivi de l’impression et de la caractérisation des géométries optimales

1. "Réduction de modèles numériques pour l’évaluation des performances de machines électriques"
   Théo DELAGNES, thèse, Décembre 2022, url, résumé

   Dans le domaine de l’électrotechnique, il est courant d’avoir recourt à des simulations numériques du matériel électrique, afin par exemple de préparer efficacement des essais, ou d’aller même jusqu’à éviter les essais difficiles à réaliser ou dangereux. Dans ce cadre, on utilise souvent, pour les simulations, la méthode des Eléments Finis (EF) car elle permet la prise en compte de géométries et de lois de matériaux complexes, le mouvement d’une pièce par rapport à une autre et le couplage avec un circuit extérieur. Elle se base sur la discrétisation des équations de Maxwell, et permet d’obtenir l’évolution de distributions de champs électriques et magnétiques, ainsi que de grandeurs d’intérêts (flux, courants, pertes Joule, couple, …) nécessaires au diagnostic matériel. Ainsi, cet outil est particulièrement intéressant dans un contexte industriel, de par sa capacité à représenter un véritable prototype virtuel d’un dispositif dont on cherche à évaluer les performances. Cependant, à cause du grand nombre d’inconnues et du comportement non linéaire de matériaux ferromagnétiques (dont l’utilisation est courante au sein des dispositifs électrotechniques), la simulation numérique par la méthode EF de matériel électrique est souvent très couteuse en temps de calcul. On cherche alors à mettre en œuvre des techniques dans le but de réduire le temps de calcul, en appliquant des méthodes de réduction de modèle. Un premier degré de réduction repose sur la définition d’une base réduite, dans laquelle on recherchera une approximation de la solution en projetant le système EF, ce qui permet de réduire grandement le nombre d’inconnues. Parmi les méthodes les plus connues, on peut citer la Proper Orthogonal Decomposition (POD), la Proper Generalized Decomposition (PGD), la méthode d’Arnoldi ou celle des Circuits de Cauer. Le second degré de réduction consiste à accélérer le temps de calcul associé aux phénomènes non linéaires, en évaluant les phénomènes non linéaires sur quelques points de l’espace, à partir desquels on reconstruira l’ensemble des non linéarités dans tout le domaine ferromagnétique. On distingue alors les méthodes de projection oblique Hyper-Reduction (HR) et Missing Point Estimation (MPE) et les méthodes d’interpolation Discrete Empirical Interpolation Method (DEIM), Gappy POD (GPOD) et Gaussian Newton Augmented Tensors (GNAT). Cette thèse CIFRE a été effectuée dans le cadre du LAMEL (laboratoire commun entre le L2EP et EDF R&D), qui possède une expérience importante dans la réduction de problèmes électromagnétiques basse fréquence. L’objectif de ce doctorat est d’identifier les méthodes de réduction les plus adaptées à un problème magnétodynamique non linéaire avec prise en compte du mouvement, dans le but d’intégrer des modèles réduits au sein de procédures de diagnostics d’une machine asynchrone à cage d’écureuil. Les modèles réduits proposés permettent de réduire le cout de calcul, tout en garantissant une bonne précision sur les résultats. Ils sont évalués dans le cadre de scenarii industriels d’évaluation des performances de machines asynchrones. On montre bien que, dans ce cadre, les approches mettant à profit des modèles réduit permettent de réduire fortement les temps de calcul, tout en gardant une bonne précision par rapport aux approches actuelles basées sur des modèles EF.

2. "Contribution à la caractérisation et à la modélisation 3D de l'anisotropie des aciers électriques à grains orientés en vue du calcul des pertes aux extrémités des turbo-alternateurs"
   Leysmir MILLAN MIRABAL, Thèse, Juin 2022, url, résumé

   Récemment, les gestionnaires de réseau et de système de transmission, comme le Réseau européen des gestionnaires de réseau de transport d'électricité (ENTSO-E), mettent en place des réglementations pour étendre la plage de fonctionnement des équipements connectés au réseau électrique. Les principaux objectifs de ces modifications sont : d'augmenter la flexibilité du réseau en le rendant capable de supporter des variations de fréquence et de tension (dues aux modifications de l'équilibre des puissances active et réactive) et de faciliter l'intégration et la production d'énergie renouvelable. Cependant, de nombreux équipements installés et raccordés au réseau n'ont pas été conçus pour être exploités dans ces plages de fonctionnement et leur utilisation dans ces conditions peut avoir un impact négatif sur le cycle de vie des équipements, en particulier dans les turbo-alternateurs.Les grands turbo-alternateurs, utilisés pour la production d'électricité dans les centrales nucléaires et hydroélectriques, sont impactés par ces nouvelles réglementations. Cet impact est particulièrement observé aux extrémités de ces machines électriques où les pertes fer sont susceptibles d'augmenter significativement. Ces pertes peuvent entraîner des échauffements, notamment des points chauds, qui peuvent conduire à la fusion de l’isolation entre les tôles du noyau du stator, provoquant ainsi des courts-circuits et des dommages irréversibles à l'équipement. Afin de pouvoir analyser et limiter l'impact des mécanismes physiques mis en jeu, la société EDF s’appuie sur des simulations numériques tridimensionnelles de la machine électrique pour calculer les pertes pour différents régimes de fonctionnement.Une partie de ce travail a déjà été réalisée au laboratoire L2EP, où le logiciel d'analyse par éléments finis code_Carmel a été adapté pour le calcul des pertes dans le noyau du stator et des pertes joule dans les modèles tridimensionnels. Cependant, la complexité physique des propriétés des circuits magnétiques aux extrémités des turbo-alternateurs doit être prise en compte pour obtenir des résultats fiables. En effet, compte tenu du schéma tridimensionnel du chemin du flux magnétique et des propriétés fortement anisotropes du circuit magnétique en acier électrique à grains orientés (GO), la description des pertes fer nécessite des modèles de matériaux magnétiques anisotropes précis combinés à une modélisation numérique efficace.Dans le cadre de ce travail de thèse, des modèles anisotropes dédiés aux aciers GO, notamment pour décrire la loi de comportement et les pertes fer, ont été étudiés puis implémentés dans un environnement de simulation par éléments finis (FEM) au sein du logiciel code_Carmel. La mise en œuvre a été validée par rapport à des données expérimentales obtenues sur un acier GO de qualité industrielle conventionnelle généralement utilisée dans les turbo-alternateurs. De plus, un démonstrateur expérimental a été développé pour étudier plus finement le comportement magnétique d'un empilement de tôles GO soumis à des excitations de flux magnétique 3D non conventionnelles. Un modèle numérique du démonstrateur expérimental a été développé et étudié, incluant les modèles de matériaux anisotropes, en comparant le comportement global du matériau GO ainsi que les pertes de fer dans l'échantillon d'intérêt.Les résultats montrent que, dans des configurations d'attaque de flux magnétique non conventionnelles, en particulier avec une attaque de flux magnétique normale au plan de laminage, les caractéristiques anisotropes de l’acier GO peuvent influencer la distribution du flux magnétique dans l'empilement de tôles étudié ainsi que les pertes de fer associées. Notamment, et comme attendu, les pertes par courants de Foucault classiques constituent la contribution majeure aux pertes fer dans l’empilement de tôles étudiées.

3. "Optimisation multi-physiques de 2 gammes de machines tournantes pour actionneurs tubulaires en intégrant les aspects technico-économiques, les imperfections liées au processus de fabrication et le bruit d'origine magnétique"
   Thierry TOLLANCE, Thèse, Juin 2022, url, résumé

   Cette thèse de doctorat porte sur la conception multi-physiques d’actionneurs tubulaires en intégrant les aspects technico-économiques et le bruit d’origine électromagnétique. L’étude s’inscrit dans un contexte industriel de grande série où les exigences acoustiques pour des produits d’intérieur comme le style screen ou écran de cinéma sont de plus en plus grandes. Dans le cadre de production grande série, un bobinage dentaire a été choisie et une machine de référence dite MSAP (Machine Synchrone à Aimants Permanents en surface) a été développée pour répondre à un cahier des charges. Des modèles multi-physiques analytiques permettant la compréhension des tendances mais aussi l’origine des raies de pressions ainsi que des modèles multi-physiques par éléments finis permettant une étude plus quantitative ont été développés, de l’électromagnétisme jusqu’au bruit. Ces modèles ont été confrontés à des mesures expérimentales qui ont permis de valider la chaine de modélisation multi-physiques proposée. La MSAP répond parfaitement au cahier des charges, mais dans un contexte de réduction des coûts, d’autres solutions de moteurs ont été envisagées telles que les machines synchro-réluctantes avec et sans aimant.
   
   Deux types de machines synchro-réluctantes avec et sans aimant ont alors été étudiées avec pour objectif de proposer une structure qui permet de réduire le bruit et conserver des performances suffisantes. Après une étude électromagnétique, il s’est avéré que la machine synchro-réluctante sans aimant ne permettait pas de répondre aux exigences dans le contexte imposé. Une machine assistée d’aimants a ensuite été dimensionnée permettant de répondre au cahier des charges d’un point de vue du couple. Une étude multi-physique a été déroulée et confrontée à des mesures. Le moteur s’avère plus bruyant avec une émergence forte sur une raie d’ordre spatial 2 à 2 kHz.
   
   Pour remédier à cette augmentation de bruit, plus particulièrement la raie à 2 kHz, des techniques de réduction de bruit par des modifications de structure mineure ont été mise en œuvre. Le développement d’un modèle analytique couplé à l’exploitation du produit de convolution nous a permis de remonter aux origines des raies de pression radiale.

1. "Etude de l’impact des procédés de fabrication des machines électriques sur les propriétés des noyaux magnétiques"
   Hugo HELBLING, Thèse, Décembre 2021, url, résumé

   Dans le contexte de l'accroissement de l’efficacité énergétique des machines électriques de fortes puissances, la réduction des pertes fer constitue évidemment un des points clés. Or, il subsiste encore aujourd'hui des écarts entre les pertes estimées lors de la phase de conception et celles mesurées sur les machines réelles. Ces écarts sont, entre autres, liés aux conditions de fabrication du circuit magnétique (découpe, assemblage, imprégnation...) qui peuvent conduire à une modification des propriétés des aciers électriques, notamment par une dégradation des performances magnétiques et une augmentation des pertes fer. Afin d’améliorer les outils de conception, il est alors nécessaire d’analyser et de quantifier les phénomènes et mécanismes physiques qui conduisent à la dégradation des propriétés magnétiques tout en faisant le lien avec les procédés de fabrication. L’objectif de ces travaux de thèse est d’avoir, à terme, une meilleure connaissance de l’évolution des différents postes de pertes fer en lien avec les procédés dégradant les propriétés magnétiques pour une chaîne de fabrication type des machines électriques de fortes puissances. La démarche proposée repose sur la quantification expérimentale des effets de ces procédés sur les performances magnétiques. Pour cela, des maquettes expérimentales dédiées et représentatives de trois procédés industriels identifiés (procédé de compactage, procédé d’imprégnation et procédé de découpe) ont été développées. Dans le cas du procédé d’imprégnation, son effet sera même directement étudié sur les performances magnétiques de stators industriels. Les résultats expérimentaux obtenus sont analysés et discutés en s’appuyant sur les connaissances théoriques de l’état de l’art et sont exploités pour le développement de modèles magnéto-mécaniques et magnéto-thermiques permettant de prendre en compte l’effet desdits procédés sur les propriétés des aciers électriques.

2. "Mise en oeuvre du modèle de Darwin par la méthode des éléments finis en vue de modéliser les machines électriques à des fréquences intermédiaires"
   Houssein TAHA, Thèse, Décembre 2021, url, résumé

   Dans les dernières années, la modélisation des composants magnétiques et électriques suscite beaucoup d’intérêt dans la recherche scientifique. Un modèle magnétodynamique est suffisant pour décrire le comportement des machines électriques dans les basses fréquences, mais, avec l’augmentation des fréquences en électronique de puissance, les machines sont soumises à des tensions hautes fréquences, cela nécessite une modélisation des isolants surtout en raison du vieillissement auquel ils seront exposés. L’objectif de ces travaux est de calculer le champ électrique dans les milieux non conducteurs, en particulier, les effets capacitifs. En effet, vu que les modèles classiques tels que la magnétostatique et la magnéto-quasistatique ne prennent pas en compte la modélisation de ces effets, il est indispensable de mettre en œuvre des formulations en potentiels adaptées dans le code_Carmel pour calculer simultanément les champs électriques et magnétiques, telle que le modèle de Darwin. Ce modèle est capable de capturer les effets capacitifs-inductifs couplés à des fréquences intermédiaires, en particulier, autour de la fréquence de résonance. En revanche, l’électrostatique et l’électro-quasistatique sont parmi les modèles connus qui sont capables à modéliser les effets capacitifs. En outre, un problème de structure mince de Darwin est résolu en utilisant la méthode des éléments coques, appliquée à la fois aux éléments de nœuds et d’arêtes, afin de modéliser des circuits imprimés à des fréquences élevées. Ces éléments sont dérivés de la dégénérescence des éléments prismatiques de Whitney et elles peuvent être appliqués facilement à une formulation pour résoudre une coque mince. Différentes applications industrielles ont été présentées afin de valider les résultats de simulation obtenus par le modèle de Darwin en les comparant aux résultats de mesures.

3. "Modeling of the mechanical cutting effect on local magnetic properties of electric steels and implementation in a finite element computation code"
   Nabil M'ZALI, Thèse, Juin 2021, url, résumé

   Cette thèse porte sur l’impact du processus de poinçonnage mécanique sur les propriétés magnétiques des matériaux qui composent les machines électriques. Le modèle anhystérétique de Sablik qui est basé sur une approche scalaire du couplage magnéto-mécanique a été considéré avec certaines modifications. Le modèle permet de décrire à la fois le couplage magnéto-élastique et magnéto-plastique. Le processus d'identification est réalisé à l'aide de courbes d’aimantations mesurées sous différentes contraintes élastiques et déformations plastiques. Le modèle prenant directement en compte la déformation plastique, une simulation de processus de poinçonnage mécanique a été réalisée à l'aide du logiciel ABAQUS pour définir la distribution de la déformation plastique sur le bord de coupe. Une simulation éléments finis d'une machine électrique synchrone incluant l'effet du poinçonnage a montré la dégradation de l’induction magnétique au niveau des bords de coupe et une augmentation des pertes fer d'environ 38%. Enfin, les résultats obtenus à partir de la simulation magnéto-mécanique ont été étudiés en termes de méthodes utilisées pour considérer la distribution de la déformation plastique dans le calcul numérique. Deux exemples ont été étudiés : une tôle d'acier et une dent d'une machine électrique. Il a été montré que le profil de dégradation défini par la valeur moyenne de la déformation en fonction de la distance au bord de coupe ne reflète pas la distribution réelle de la déformation plastique. Un ajustement de la méthode de calcul a été proposé.

4. "Étude acoustique d’entraînements électriques de faible puissance produits en grande série"
   Emre UYGUN, Thèse, Mai 2021, résumé

   Cette thèse de doctorat porte sur l’étude de l’émission acoustique d’une machine synchrone à aimants permanents de faible puissance, destinée à équiper un actionneur tubulaire pour volet roulant. L’étude s’inscrit dans le contexte industriel de l’électronique grand public, où les exigences acoustiques pour les produits domotiques d’intérieur sont plus accrues. Dans le cadre d’une production en série, certains choix de conception, comme le bobinage dentaire et la commande à 120° de conduction qui permettent un bon compromis technico-économique, ne favorisent cependant pas la discrétion acoustique de ces moteurs. Afin d’étudier le comportement vibratoire et acoustique d’origine magnétique de cette machine, des modèles multiphysiques analytiques et numériques ont été mis en place. Un modèle numérique par éléments finis en considérant la commande a été employé afin d’obtenir le calcul précis des harmoniques d’induction magnétique dans l’entrefer. En couplant ce modèle magnétique à un modèle vibro-acoustique analytique, l’ensemble de la chaîne causale du bruit magnétique a pu être estimé. Corrélé à des mesures expérimentales et à l’aide d’outils de traitement du signal, l’emploi de ces modèles a permis d’analyser l’origine du bruit comme provenant de l’excitation d’une résonance du stator par certains harmoniques spatio-temporels d’effort magnétique. De plus, l’utilisation du produit de convolution sur un modèle analytique de l’induction radiale basé sur le produit de la force magnétomotrice par la perméance d’entrefer avec une forme non-sinusoïdale des courants due à la commande, a permis de déterminer l’origine exacte de ces harmoniques comme étant issus de l’interaction entre les harmoniques d’espace dus au bobinage et les harmoniques temporels du courant introduits par la commande. À la suite de cette analyse, l’influence des paramètres de commande sur les harmoniques à l’origine du bruit a été étudié. L’influence de l’angle de charge sur les harmoniques de pression radiale a été démontré à l’aide de développements analytiques, puis étudié plus précisément avec les modèles établis, avant d’être validé expérimentalement. L’élargissement de la conduction des phases pour réduire les harmoniques de courant à l’origine du bruit a été étudié sur un modèle électrique équivalent, puis validé par des mesures électriques. L’objectif a été de proposer un réglage de ces paramètres permettant l’établissement d’un bon compromis entre la réduction du bruit et le maintien des performances de la machine.

5. "Caractérisation et investigation des effets de la température d’utilisation sur les propriétés électromagnétiques des aciers magnétiques doux"
   Meryeme JAMIL, Thèse, Février 2021, url, résumé

   En fonctionnement, la température au sein d’une machine électrique peut être élevée. En conséquence, les propriétés électromagnétiques de ses composants sont affectées modifiant ainsi les performances de la machine. Cette modification peut être réversible, c’est-à-dire que le matériau retrouve ses propriétés initiales avec la diminution de la température, comme elle peut être irréversible et on parle alors de vieillissement magnétique du matériau. Dans ces travaux, nous nous intéressons aux effets de la température de fonctionnement sur les caractéristiques électromagnétiques du matériau roue polaire (RP) de la machine à griffes. Cette pièce massive possède une géométrie complexe, une composition chimique ainsi qu’un procédé d’élaboration différents de ceux des noyaux magnétiques feuilletés majoritairement utilisés. Afin de s’adapter aux contraintes imposées, nous proposons une méthodologie spécifique de caractérisation des propriétés électromagnétiques à différentes températures, basée sur une miniaturisation du cadre à bande unique (SST). Les résultats de l’étude de l’effet de la température montrent une nette dépendance en température des propriétés électromagnétiques, principalement de la conductivité électrique, ce qui se traduit par une diminution des pertes par courants induits au rotor. Par ailleurs, au cours du temps, le matériau RP sous contrainte thermique, vieillit et ses pertes par hystérésis augmentent. Ce phénomène est dû à la précipitation des carbures. Par suite, un lien entre la cinétique du vieillissement et celle de la précipitation est souligné et une approche de modélisation de la cinétique du vieillissement, en condition isotherme est proposée.

6. "Conception de machines asynchrones triphasées à bobinages statoriques dentaires"
   Jérôme MARAULT, Thèse, Janvier 2021, url, résumé

   Les machines asynchrones (MAS) à cage d’écureuil sont des machines électriques fiables, robustes et à faible coût de fabrication. Pour des raisons historiques et de fiabilité, elles sont principalement dotées de bobinages statoriques distribués. Toutefois, même si ces derniers assurent un fonctionnement très satisfaisant, ils ont des têtes de bobines de longueurs significatives, ce qui engendre des pertes Joule non négligeables. Dernièrement, différents bobinages dentaires avec des têtes de bobines réduites, ont été utilisés dans des machines synchrones avec des performances intéressantes. En plus de réduire les pertes Joule statoriques, ces bobinages permettent de concevoir des machines plus compactes et tolérantes aux défauts. Leur utilisation est moins répandue dans les MAS à cage de par les problèmes induits par les harmoniques spatiaux dans la force magnétomotrice qui en est issue. Les travaux de la thèse ont pour objectif la conciliation de l’utilisation de ces bobinages dans des MAS avec de meilleures performances. Une analyse détaillée est d’abord menée pour appréhender précisément les phénomènes physiques liés à l’utilisation des bobinages dentaires dans les machines asynchrones aussi bien en régime permanent que lors du démarrage. Un modèle analytique paramétrique de machine asynchrone à cage d’écureuil a ensuite été développé. Ce modèle permet de concevoir des bobinages dentaires avec un contenu harmonique spatial maitrisé mais également des rotors avec différents nombres de barres équidistantes ou non. Sur la base de cet outil, des optimisations ont alors été menées tant sur le stator et son bobinage que sur la structure rotorique montrant qu’il est possible d’aboutir à des structures ‘atypiques’ avec des performances satisfaisantes. Enfin, dans une optique de validation, une MAS à bobinage dentaire avec une cage rotorique innovante a été développée et ses performances en termes de couple développé ont été évaluées au travers de simulations numériques et d’essais réalisés sur un prototype.

7. "Méthodes Numériques Appliquées au Calcul des Vibrations d’Origine Electromagnétique : Schémas de Projection des Efforts Magnétiques et Développement de Modèles Réduits"
   Raphaël PILE, Thèse, Janvier 2021, url, résumé

   La présence d’harmoniques de forces électromagnétiques dans les machines électriques est généralement source de bruit acoustique et de vibrations (B&V). Ce phénomène doit être considéré dès les premières phases de conception pour respecter les normes en matière de B&V, en particulier dans le secteur automobile. Le niveau de B&V s’obtient à partir d’une simulation multi-physiques basée sur des modèles électromagnétiques, mécaniques et acoustiques, de préférence rapides et précis de manière à l’inclure le plus tôt possible dans la phase de conception. Cette thèse CIFRE est partie intégrante du programme de recherche interne de la société EOMYS ENGINEERING, qui développe et commercialise son logiciel MANATEE dédié à la simulation électromagnétique et vibroacoustique des machines électriques. Dans ce contexte de modélisation, cette thèse porte sur la méthode électromagnétique semi-analytique des sous-domaines pour le calcul des harmoniques de forces 2D dans l’entrefer d’une large variété de machines électriques, et se concentre particulièrement sur la Machine Synchrone à Aimant Permanents en Surface (MSAPS) et la machine asynchrone à cage d’écureuil. La thèse s’intéresse également à deux verrous scientifiques concernant la contribution des forces tangentielles au niveau de vibration global, et l’effet de modulation des dents qui apparaît dans les machines avec un nombre proche d’encoches et de pôles. A cet effet, un banc d’essai comprenant une machine bruyante particulière (une MSAPS avec 12 encoches et 10 pôles) et l’instrumentation nécessaire a été conçu et réalisé. Le banc d’essai vise enfin à comparer les différents modèles utilisés couramment dans les simulations B&V.

1. "Conception systémique d’une machine électrique intégrée à une chaîne de traction hybride par optimisation sur cycles routiers"
   Adham KALOUN, Thèse, Décembre 2020, url, résumé

   La conception des chaînes de traction hybrides est une tâche complexe, qui fait appel à des experts de différents domaines s’appuyant sur des compétences et des outils distincts. En plus de cela, la recherche d’une solution optimale nécessite un retour système. Cela peut être, selon la granularité des modèles de composants, très coûteux en temps de calcul. Ceci est d’autant plus vrai lorsque la performance du système est déterminée par sa commande, comme c’est le cas du véhicule hybride. En fait, différentes possibilités peuvent être sélectionnées pour fournir le couple requis aux roues pendant le cycle de conduite. Ainsi, le principal obstacle est d’atteindre l’optimalité tout en conservant une méthodologie rapide et robuste. Dans ces travaux de thèse, de nouvelles approches visant à exploiter le potentiel complet de l’hybridation sont proposées et comparées. La première stratégie est une approche bi-niveaux composée de deux blocs d’optimisation imbriqués: un processus d’optimisation des paramètres de design externe qui calcule la meilleure valeur de consommation de carburant à chaque itération en se basant sur une version améliorée de la programmation dynamique pour l’optimisation de la commande. Deux stratégies de conception systémique différentes basées sur le schéma itératif sont également proposées. La première approche est basée sur la réduction de modèle tandis que la seconde se repose sur des techniques précises de réduction de cycle. Cette dernière permet l’utilisation de modèles de haute précision sans pénaliser le temps de calcul. Une approche simultanée est ensuite mise en œuvre, qui optimise à la fois les variables de conception et les paramètres d’une nouvelle stratégie efficace à base de règles. Cette dernière permettra une optimisation plus rapide par rapport à l’optimisation directe de toutes les variables de décision. Enfin, une technique basée sur l’utilisation des méta-modèles est explorée.

2. "Conception d’une machine à réluctance variable à flux axial et à tôles à grains orientés"
   Racha AYDOUN, Thèse, Décembre 2020, url, résumé

   La machine à reluctance variable (MRV) présente divers avantages comme la facilité de réalisation liée à l’absence d’aimant et de bobinage au rotor, la robustesse, le couple important à basses vitesses et des fonctionnements à rotations élevées. Ces avantages sont considérés comme un atout pour différentes applications dont la traction automobile. Le travail de recherche effectué dans cette thèse porte sur la conception d’une MRV à flux axial (MRVFA) à circuit magnétique à tôles à grains orientés (GO). L’objectif est de montrer que cette topologie, associée à un matériau magnétique GO, peut aboutir à une machine avec une puissance volumique et un rendement intéressants. L’étude s’articule autour de 4 chapitres. Le premier présente le principe de fonctionnement et les caractéristiques des MRV, plus particulièrement celles des topologies de la machine à flux axial, puis les principales caractéristiques des tôles d’acier GO. Cet état de l’art a conduit à retenir une configuration axiale à deux stators et un rotor central. Le deuxième chapitre propose un dimensionnement électromagnétique basé sur une équivalence des surfaces actives de la MRVFA et d’une structure radiale de référence existante. Sur la base de ce dimensionnement, des modélisations analytiques et numériques par éléments finis ont montré que la machine axiale est plus compacte et présente un couple électromagnétique plus important que la machine radiale. Le troisième chapitre se focalise sur l’intégrabilité de l’acier GO dans la structure retenue. En effet, de par son caractère fortement anisotrope, il requiert une analyse fine pour concevoir son intégration dans la MRVFA à la fois au rotor et au stator. Pour cela, un modèle 2D équivalent a été exploité pour analyser les phénomènes physiques qui se produisent dans la MRVFA et pour évaluer ses performances avec de l’acier GO. Une modélisation 3D de la MRVFA a ensuite été mise en œuvre en intégrant l’anisotropie. En se basant sur les résultats numériques, un prototype de la MRVFA a été dimensionné au quatrième chapitre. Un algorithme génétique a été mis en œuvre pour déterminer les grandeurs géométriques du prototype dont les performances ont, par la suite, été évaluées par modélisation numérique 3D et comparées à des mesures expérimentales réalisées sur un prototype.

3. "Optimization and Reliability Analysis for Electrical Machines modeled by Finite Element Method"
   Reda EL BECHARI, Thèse, Septembre 2020, url, résumé

   This dissertation deals with the approaches for optimization and reliability analysis of electrical machines modelled by the finite element method. The finite element method is the most sophisticated tool to model the electromagnetic phenomenon. However, it is computationally expensive. Thus, its usage for optimization and reliability analysis (iterative processes) should be made with caution since only a limited number of evaluations of the model can be tolerated. Furthermore, the impact of the manufacturing process on the electrical machines is scarcely studied in the literature. The integration of this aspect in the design phase is one of the contributions of this thesis alongside the main contribution, which is the development and comparison of optimization approaches for electrical machines.
   
   We present the approaches adapted to the subject and develop new ones. On the one hand, the finite element model can be seen as a "black-box" for which we develop a non-intrusive approach based on Kriging meta-models. On the other hand, we consider an intrusive approach as we look inside the "black-box," we upgrade the model to provide the derivatives of the quantities of interest. The derivatives are essential to some optimization and reliability analysis tools. They are computed efficiently using the adjoint variable method. Finally, the methods are compared to give insight into the advantages and the shortcomings of each of them.
   
   Lastly, a real case study is considered; it consists of studying the impact of the manufacturing process on a claw-pole machine manufactured by Valeo. From the production line, machines are withdrawn to measure their dimensions and characterize their deviation from the nominal one. Then a statistical analysis is conducted to assess the reliability and impact on the performances.

1. "Application de techniques d'estimation d'erreur pour l'analyse de dispositifs électromagnétiques basse fréquence"
   Lydéric DEBUSSCHÈRE, Thèse, Décembre 2019, url, résumé

   Le contrôle non destructif par courants de Foucault est largement utilisé pour évaluer la santé de pièces faites de matériaux conducteurs. Cette méthode est facile à mettre en oeuvre par contre le lien entre le signal de sortie du capteur de contrôle et le défaut au sein de la pièce n’est pas immédiat. Il est donc nécessaire d’avoir recours à la simulation pour établir une carte qui lie la forme du défaut au signal du capteur. La simulation est souvent basée sur la résolution des équations de la magnétodynamique en régime harmonique par la méthode de éléments finis. Il s’avère alors que le signal du capteur est de l’ordre de grandeur du bruit numérique. L’obtention de bons résultats nécessite alors l’utilisation d’un maillage très fin conduisant à des temps de calcul élevé empêchant une industrialisation de la méthode. Dans la thèse, nous proposons une méthode itérative couplant des estimateurs d’erreur numérique et des techniques d’adaptation de maillage par l’intermédiaire d’une carte de taille. Celle-ci permet d’établir un lien entre l’estimation d’erreur et les caractéristiques géométriques des éléments du maillage. Cette méthode permet d’obtenir automatiquement et en peu d’itérations un maillage adapté au problème traité à partir d’un maillage initial comportant peu d’éléments. Des exemples académiques et industriels ont été traités et montrent que la méthode permet d’obtenir des bons résultats avec des maillages adaptés comportant un nombre d’éléments beaucoup plus faible qu’avec une approche classique.

2. "Développement de solveurs non linéaires robustes pour la méthode des éléments finis appliquée à des problèmes électromagnétiques basses fréquences"
   Riheb CHERIF, Thèse, Décembre 2019, url, résumé

   Résumé
   Les problèmes électromagnétiques non linéaires sont largement rencontrés en électrotechnique, comme les applications de machines électriques. Le calcul des champs magnétiques nécessite la résolution de problèmes non linéaires dus à la saturation des matériaux ferromagnétiques. La méthode des éléments finis (FEM) est la technique la plus utilisée dans le domaine de modélisation grâce à sa grande précision et à sa robustesse pour résoudre des systèmes aux géométries complexes. La discrétisation de ces problèmes conduit à un grand système d'équations non linéaires qui peuvent être résolus par deux processus itératifs importants: la méthode du point fixe qui est plus robuste, mais peut être très lente vu sa vitesse de convergence linéaire et la méthode de Newton qui a été largement préférée pour résoudre les problèmes de champs non linéaires grâce à sa vitesse de convergence quadratique. Cependant, cette convergence reste locale c'est-à-dire que l'estimation initiale doit être proche de la solution. Ainsi, plusieurs techniques de globalisation sont introduites pour atteindre un niveau acceptable de robustesse. De plus, une itération de Newton peut s'avérer très coûteuse. En effet, elle demande à chaque itération l'évaluation de la matrice jacobienne et la résolution du problème linéarisé impliquant cette dernière matrice. Pour diminuer ces coûts de résolution, plusieurs variantes de cette méthode sont introduites comme les méthodes de Newton-inexactes et les méthodes de Quasi-Newton. Cette thèse a pour but d'implémenter des méthodes numériques mieux adaptées au traitement des problèmes électromagnétiques non linéaires. Ces méthodes seront des versions plus robustes et accélérées des solveurs existants comme les méthodes du type Newton.

1. "Modélisation électromagnétique appliquée à la détermination des harmoniques de forces radiale et tangentielle dans les machines électriques en exploitant l’approche des sous domaines"
   Emile DEVILLERS, thèse, Décembre 2018, url, résumé

   La présence d’harmoniques de forces électromagnétiques dans les machines électriques est généralement source de bruit acoustique et de vibrations (B&V). Ce phénomène doit être considéré dès les premières phases de conception pour respecter les normes en matière de B&V, en particulier dans le secteur automobile. Le niveau de B&V s’obtient à partir d’une simulation multi-physique basée sur des modèles électromagnétiques, mécaniques et acoustiques, de préférence rapides et précis de manière à l’inclure le plus tôt possible dans la phase de conception. Cette thèse CIFRE est partie intégrante du programme de recherche interne de la société EOMYS ENGINEERING, qui développe et commercialise son logiciel MANATEE dédié à la simulation électromagnétique et vibroacoustique des machines électriques. Dans ce contexte de modélisation, cette thèse porte sur la méthode électromagnétique semi-analytique des sous-domaines pour le calcul des harmoniques de forces 2D dans l’entrefer d’une large variété de machines électriques, et se concentre particulièrement sur la Machine Synchrone à Aimant Permanents en Surface (MSAPS) et la machine asynchrone à cage d’écureuil. La thèse s’intéresse également à deux verrous scientifiques concernant la contribution des forces tangentielles au niveau de vibration global, et l’effet de modulation des dents qui apparaît dans les machines avec un nombre proche d’encoches et de pôles. A cet effet, un banc d’essai comprenant une machine bruyante particulière (une MSAPS avec 12 encoches et 10 pôles) et l’instrumentation nécessaire a été conçu et réalisé. Le banc d’essai vise enfin à comparer les différents modèles utilisés couramment dans les simulations B&V

2. "Contribution à la modélisation de la tension d'arbre d'alternateurs de forte puissance en vue d'une utilisation pour le diagnostic"
   Kévin DARQUES, thèse, Novembre 2018, url, résumé

   Résumé : Le développement de nouveaux outils de diagnostic est primordial pour assurer la maintenance des grands alternateurs. La tension présente entre les deux extrémités de l’arbre est considérée comme une quantité indésirable car elle peut induire des dégradations dans les paliers et, est ainsi mesurée de manière préventive. Néanmoins, son analyse fine pourrait s’avérer utile pour la détection de défauts. Comme la tension d’arbre est présente même en fonctionnement sain de l’alternateur, il est nécessaire de découpler toutes les causes qui peuvent l’engendrer. L’objectif de ce travail consiste donc à mener une investigation sur les multiples sources à l’origine de cette tension d’arbre afin de pouvoir quantifier leurs impacts respectifs, mais également de déterminer la signature d’un défaut de court-circuit entre spires ou d’excentricité rotorique. Une première étude a porté sur l’analyse de machines simplifiées dans le but d’isoler l’impact d’un défaut donné. Deux approches ont été développées, la première à partir d’un modèle analytique et la seconde à l’aide de la modélisation par éléments finis. Les conclusions émises par ces deux approches ont été analysées et comparées montrant des concordances qualitatives intéressantes. Ensuite, deux turboalternateurs de grande puissance (900 MW et 1300 MW) ont été modélisés par une approche numérique en 2D. Une démarche d’investigation systématique a été menée pour caractériser l’influence de plusieurs causes afin de cerner et quantifier leurs impacts sur la tension d’arbre. Enfin, une modélisation tridimensionnelle d’un des 2 alternateurs a permis de montrer l’effet des têtes de bobines et ce, en régime sain comme en défaut.
   
   
   Résumé (anglais) : The development of new diagnostic tools is compulsory for the maintenance of large generators. The voltage which appears between the two ends of the shaft of the machine is an undesirable quantity because it can induce degradations in the bearings and thus, it is measured in a preventive manner. However, its analysis could be useful for the detection of some given defects. Since this voltage is non-nil even in healthy operation, it is necessary to be able to dissociate all the causes which can generate it. The objective of this work is to conduct an investigation on the multiple sources which can induce this shaft voltage in order to quantify their respective impacts, but also to highlight more specifically the signature of an interturn short circuit or rotor eccentricity. A first study was focused on the analysis of simplified machines in order to isolate the impact of the inherent effect of a given defect without interaction with other parameters. Two approaches were then developed, the first from an analytical approach and the second one using a finite element modeling. Conclusions of these approaches have been analyzed and compared thus showing interesting qualitative concordances. Then, two high power turbogenerators (900 MW and 1300 MW) were modeled using a numerical approach in 2D. An enquiry process was conducted to characterize the influence of several causes in order to identify and quantify their impacts on the shaft voltage. Finally, a three-dimensional modeling of one of these alternators showed a significant effect of the rotor and stator end windings on this shaft voltage either in healthy and faulty operating.

3. "Application de méthodes de réduction de modèles aux problèmes d'électromagnétisme basse fréquence"
   Laurent MONTIER, Thèse, Juillet 2018, url, résumé

   Dans le domaine de l'électrotechnique, la simulation numérique qui permet d'obtenir des informations très précises sur la dynamique d'un système sans recourir à l'expérience a un point faible conséquent: le coût de calcul. Celui-ci peut devenir très important en raison d'un très grand nombre d'inconnues et de non-linéarités. Dans l'optique de diminuer ce coût, de nombreuses méthodes de réduction ont été développées et appliquées à d'autres domaines. Une part importante de ces méthodes consiste à rechercher la solution dans une base réduite qui s'affranchit de la dimension spatiale du maillage. D'autres méthodes appliquées aux problèmes non linéaires se concentrent sur une évaluation de la solution en certaines composantes du maillage, puis son interpolation sur le reste du domaine. L'objectif de la thèse consiste à appliquer ces méthodes à des modèles de machines électriques, très peu de publications existant dans ce domaine. Les travaux effectués dans le cadre de cette thèse permettront d'une part d'adapter les méthodes proposées au cas des machines électriques et de les appliquer sur des cas industriels de manière à mieux cerner les situations où celles-ci peuvent avoir un apport.
   
   Model order reduction, Low-frquency electromagnetics, Nonlinear, Electric machine
   
   In the electrical engineering field, the numerical simulation allows to obtain very precise information about the dynamicic of a system, whithout having to experiment. Indeed, testing an industrial eletrical device can sometimes be harmfull for itself, or very expensive to set-up. However, simulating has a price, the computational cost. Indeed, the latter may become very important because of a high number of unknowns, or strong nonlinearities in the system. In order to reduced the computational time, Model Order Reduction methods have been recently developped. A major part of those methods consists in looking for an approximation of the solution in a so-called "Reduced Basis" of small size. A second type of methods can be combined with the first one, in order to deal with the nonlinearities efficiently. The objectif of this PhD is to apply those methods to electrical machines, for which only few articles have been published. More precisely, the goal is to adapt the different methods to the electrical machine case, and then to apply it on industrial exemples.
   
   Keywords : Model-order reduction ; Electrical machines ; Proper Orthogonal Decomposition ; Empirical
   Interpolation Method ; Error Estimation ; Finite Element Method

4. "Impact du vrillage sur les forces électromagnétiques dans l’entrefer : Application aux machines asynchrones"
   Ghislain DESPRET, Thèse, Avril 2018, url, résumé

   La machine asynchrone est à ce jour la référence dans les moteurs de traction
   ferroviaire. De nombreuses contraintes dictées par des normes notamment au niveau du bruit acoustique poussent l’industrie à développer des moteurs plus silencieux. Le vrillage connu pour réduire les ondulations de couple semble apporter également une réelle solution afin de diminuer les vibrations et le bruit émis par la machine. C’est dans ce contexte que ce projet en collaboration avec Alstom-Transport situé à Ornans et le soutien de MEDEE (pôle régional sur la maitrise énergétique) est réalisé. Cette thèse se focalise plus particulièrement sur le calcul des forces électromagnétiques dans l’entrefer à l’origine des vibrations, du bruit et du couple. Des modèles analytiques et à éléments finis estimant les forces électromagnétiques et intégrant le vrillage sont présentés et confrontés à des mesures expérimentales de vibration, de bruit et de couple. Les modèles utilisés sont valables pour les machines asynchrones à cage d’écureuil mais sont facilement adaptables pour les machines synchrones. Ils permettent de comprendre l’origine des forces électromagnétiques responsables du bruit et de trouver des configurations de machines moins bruyantes en jouant sur divers paramètres tels que : le vrillage, mais aussi le nombre de paires de pôles, le nombre d’encoches au stator et au rotor, la forme des encoches, la distribution du bobinage, etc.
   
   Mots-clefs : Machines asynchrones, Force électromagnétique, Bruit électromagnétique,Vibration, Vrillage, Transformations de Fourier
   
   Impact of skewing on magnetic forces in the airgap: Application to induction machines
   
   The induction machine is the reference in railway traction motors. Numerous constraints dictated by standards, particularly regarding acoustic noise, are driving the industry to develop quieter engines. The skewing known to reduce torque ripples seems to also provide a real solution to reduce vibration and noise emitted by the machine. In this context, the project is realized in collaboration with Alstom-Transport located in Ornans with the support of MEDEE (regional pole on energy control). This thesis focuses on the calculation of magnetic forces in the air gap which are at the origin of vibration, noise and torque. Analytical and finite element models, which estimate electromagnetic forces and integrate skewing, are presented and compared with experimental measurements of vibration, noise and torque. The models used are valid for the squirrel-cage induction machines but are easily adaptable for synchronous machines. This allows one to understand the origin of the electromagnetic forces responsible for the noise, and to find configurations of less noisy machines. Various parameters such as skewing can be modified to reach this goal, as well as the number of pole pairs, the stator and rotor teeth number, the slot shape, the winding distribution, and so on.
   
   Keywords: Induction machines, Electromagnetic force, Electromagnetic noise, Vibration, Skewing, Fourier transformations

5. "Contribution à l’identification de l’interaction paramètres procédés – propriétés d’emploi des produits : Application au forgeage et aux propriétés électromagnétiques d’une roue polaire d’alternateur"
   Marc BORSENBERGER, Thèse, Avril 2018, url, résumé

   Confidentielle
   
   La conception de machines électriques tend à intégrer l’impact des procédés de fabrication dans le but d’optimiser la conversion d’énergie mécanique en énergie électrique, en lien avec la maîtrise des propriétés électromagnétiques des composants des machines. Les interactions entre procédés, propriétés électromagnétiques et autres propriétés du matériau ont beaucoup été étudiées dans le cas des tôles compte tenu de leur large utilisation dans le domaine de l’électrotechnique et des moyens de caractérisation magnétique normalisés actuels. Cependant, un alternateur à griffes, utilisé dans l’industrie automobile, comporte des composants massifs au rotor pour la conversion mécanique/électrique. Ces composants, appelés roues polaires, sont obtenus par un processus de fabrication comprenant des opérations de forgeage et dont l’impact sur les performances de la machine est encore mal déterminé. Les nouvelles problématiques que pose ce genre de pièces ont mené, dans le cadre des présents travaux, au développement d’une méthodologie spécifique comprenant : l’identification du lien procédés – produit, le développement d’un banc de caractérisation magnétique d’échantillons représentatifs ainsi que la construction de lois de comportement sur des paramètres matériau pertinents à partir de ces échantillons. Les résultats, en accord avec la littérature, ont montré un impact fort de la déformation plastique et de la taille de grain sur les propriétés magnétiques. Cela se traduit, une fois les propriétés modifiées intégrées dans la simulation des performances d’un alternateur, par une baisse significative du courant débité.
   
   Procédés, Propriétés d'emploi, Forge, Roue polaire, Caractérisation magnétique, Noyau magnétique massif, Procédés de fabrication, Déformations (mécanique), Métallurgie
   
   Contribution to the identification of the interaction between process parameters and functionnal properties of workpieces : application to forging and electromagnetic properties of an alternator claw pole
   
   The design of electrical machines aims to integrate the impact of the manufacturing process in order to optimize the conversion from mechanical to electrical energy, with the consideration of the electromagnetic properties of the machine components. The interactions between processes, electromagnetic properties and other material properties have been well studied in the case of the steel laminations, regarding their wide use in electrical engineering and the current standards of magnetic characterization devices. However, the claw pole alternator used in automotive industry has a rotor with massive components for the mechanical-to-electrical energy conversion. These components, called claw poles, are manufactured with forging operations whose impact on the machine performance is yet not well determined. The new challenges brought by this kind of work pieces led, in the frame of the current study, to the development of a specific methodology involving: identification of the link process – product, designing of a magnetic characterization device specific for representative samples as well as the establishment of behavior laws regarding relevant material parameters. The results, in accordance with the literature, have shown a strong influence of plastic strain and grain size on magnetic properties. Once these modified properties integrated in the electromagnetic model of the claw pole alternator, a significant decreased of the output current is eventually observed.
   
   Processes, Functional properties, Forging, Claw pole, Magnetic characterization, Massive magnetic core

6. "Optimisation robuste pour des dispositifs électromagnétiques"
   Siyang DENG, Thèse, Janvier 2018, url, résumé

   Méthodes de conception par optimisation robuste et fiable de dispositifs
   électrotechniques
   
   Résumé: Cette thèse porte sur les méthodes d'optimisation robuste et fiable. Les
   différentes catégories de méthodes d'optimisation stochastique pour traiter les incertitudes
   sur les dimensions et les matériaux sont présentées. Ces méthodes visent à trouver une
   solution plus robuste et/ou fiable en minimisant la variance de l'objectif et/ou en réduisant la
   probabilité de violer les contraintes de faisabilité. Cependant, ces méthodes augmentent le
   nombre d'évaluations par rapport à une optimisation déterministe et nécessitent le gradient
   qui peut être bruité pour des modèles éléments finis. Ainsi, des stratégies basées sur des
   méta-modèles de kriging sont proposées pour approcher des fonctions complexes et donner
   des dérivées sans bruit. Des critères d’enrichissement sont utilisés pour affiner la précision
   tout en cherchant l’optimum. Différentes stratégies comprenant le choix du critère et le
   positionnement de l'enrichissement sont comparées pour mettre en évidence les plus
   efficaces. Enfin, les stratégies d’optimisation développées dans cette thèse sont appliquées à
   l’optimisation d'un transformateur modélisé par des équations analytiques puis par la
   méthode des éléments finis.
   
   Mots-clefs: optimisation, conception, incertitude, robustesse, fiabilité, méta-modèle,
   transformateur, modèle d’éléments finis
   
   Methods for Robust and Reliability-based Design Optimization of Electromagnetic Devices
   
   Abstract: This PhD thesis deals with the robust and reliability-based optimization problems
   under uncertainty on dimensions and material properties. First, the different categories of
   stochastic optimization methods to treat the uncertainty are presented. These methods aim
   to find a more robust and/or reliable solution by minimizing the variance of objective and/or
   reducing the probability to violate the constraints of feasibility. However, as these methods
   increase the number of evaluations compared to deterministic optimization and need the
   gradient information that may be noisy when provided by finite element models, they are not
   suitable for the time-consuming models. So kriging-based meta-model strategies are
   proposed as they can approximate complex functions and give noise-free derivatives. Infill
   sampling criteria are used to increase their precision while searching for the optimal solution.
   Different strategies including the choice of the criterion and the positioning of sample
   enrichment are compared to highlight the most effective ones. Then, the optimization
   approaches developed within this research work are applied to the optimization problem of a
   transformer modelled with analytic equations and finite element models.
   
   Keywords: design optimization, uncertainty,electromagnetic device, finite element model

1. "Modélisation numérique par la méthode des éléments finis des systèmes électrotechniques : recherche du régime permanent"
   Guillaume CARON, Université de Lille, Décembre 2017, url, résumé

   Dans le domaine du Génie Électrique, la méthode des éléments finis (MEF) associée à une approche pas à pas dans le temps est la plus simple, la plus précise et la plus robuste des méthodes pour modéliser les champs magnétiques dans des dispositifs électromagnétiques en basse fréquence. Néanmoins, cette méthode peut conduire à des temps de calcul extrêmement importants lorsque la constante de temps du système étudié est relativement petite en comparaison de la durée du régime transitoire. C'est dans ce contexte que s'inscrit ces travaux de thèse intitulés « Modélisation numérique par la méthode des éléments finis des systèmes électrotechniques: recherche du régime permanent ». Dans ce manuscrit, une méthode numérique nommée Waveform Relaxation-Newton Method (WR-NM) a été développée. Celle-ci est basée sur la Waveform Relaxation Method (WRM) à laquelle des conditions de périodicité sont appliquées afin d'imposer le régime permanent directement pour des problèmes électromagnétiques couplés à des équations de circuit. La convergence de cette méthode étant similaire à celle d'une méthode point-fixe, elle a été combinée à la méthode de Newton-Raphson dont la convergence est quadratique. Afin de valider et de tester la robustesse de la WR-NM, plusieurs applications sont présentées dans le manuscrit. Des gains importants en temps de calcul sont signifiés en comparaison à l'approche classique et ce pour une précision de la solution identique. Un dernier exemple concernant la modélisation d'une machine à griffes couplés à un pont redresseur montre que la WR-NM peut également être employé dans un cadre industriel.
   
   Recherche du régime permanent, Conditions de périodicité, Couplage circuit, Éléments finis, Méthode des
   Maxwell, Équations de -- Solutions numériques, Électromagnétisme, Alternateurs, Modélisation tridimensionnelle
   
   Numerical modeling by finite element method for electrotechnical systems : steady state investigation
   
   In electrical engineering, the Finite Element Method (FEM) associated to the time stepping numerical scheme is the most used approach today. This method is simple, accurate and efficient to modeling magnetic fields in low frequency electromagnetic devices. Nevertheless according to the studied cases, the time constant of the device can lead to prohibitive computation time to obtain the steady state. It is in this context that this PhD thesis is written "Numerical modeling by finite element method for electrotechnical systems: steady state investigation". The Waveform Relaxation-Newton Method (WR-NM) was developed, this method is based on the waveform relaxation method (WRM) in which periodicity conditions are applied to impose the steady state for electromagnetic problems coupled to circuit equations. The convergence of this method is similar to a fixed-point method, thus the method is combined to the method of Newton-Raphson whose convergence is quadratic. In order to validate and test the robustness of WR-NM, several applications are presented in the manuscript. Significant gains in computation time are shown in comparison with the conventional approach and for the same precision of the solution. A final example on the modeling of a claw-pole machine coupled to a bridge rectifier shows that the WR-NM can also be employed in an industrial setting.

2. "Optimisation topologique de dispositifs électromagnétiques"
   Bilquis MOHAMODHOSEN, Centrale Lille, Décembre 2017, url, résumé

   L’Optimisation Topologique (OT) est un sujet en plein essor qui suscite l’intérêt de nombreux chercheurs depuis ces deux dernières décennies dans le domaine de l’électromagnétisme. L’OT représente une méthode très attrayante et originale car elle permet de trouver des structures innovantes sans aucun a priori. Ce travail de thèse est orienté vers l’OT des dispositifs électromagnétiques en approfondissant plusieurs aspects du sujet. Tout d’abord, un outil d’OT est développé et testé, à partir des outils existant au L2EP. En effet, l’OT requiert un outil d’éléments finis et un outil d’optimisation devant être couplés. Une méthodologie originale d’OT fondée sur les principes de la Méthode de Densité est développée et testée. Un cas test académique est utilisé afin de tester et valider le couplage des outils et la méthodologie. Une approche visant à prendre en compte le comportement non-linéaire des matériaux ferromagnétiques avec nos outils OT est également mise en place. Ensuite, la méthode est appliquée afin d’optimiser un électroaimant en 3 dimensions, représentant un cas test proche de la réalité. Ce cas test permet de comparer les résultats avec un comportement linéaire et non-linéaire des matériaux. Diverses topologies sont présentées, par rapport aux différentes formulations du problème. Par la suite, la méthodologie est appliquée à un dispositif électromagnétique plus complexe : une Génératrice Synchrone à Pôles Saillants. Cet exemple nous permet de voir comment la définition du problème d’optimisation peut grandement affecter les résultats d’OT. Quelques topologies sont présentées, et leur faisabilité est analysée
   
   Cas test cubique Electroaimant 3D Electromagnétisme Facteur de faisabilité Génératrice synchrone à pôles saillants Machines électriques Méthode de densité Méthode éléments finis Optimisation Topologique Optimisation mathématique Électroaimants Électromagnétisme Méthode des éléments finis
   
   Topology Optimisation (TO) is a fast growing topic that has been sparking the interest of
   many researchers for the past two decades in the electromagnetic community. Its
   attractiveness lies in the originality of finding innovative structures without any layout a
   priori. This thesis work is oriented towards the TO of electromagnetic devices by elaborating
   on various aspects of the subject. First of all, a tool for TO is developed and tested, based on
   the ‘home-made’ tools available at the L2EP. As TO requires a FE and an optimisation tool
   working together, a coupling is done using both. Furthermore, a TO methodology is
   developed and tested, based on the Density Method. An academic cubic test case is used to
   carry out all the tests, and validate the tools and methodology. An approach is also developed
   to consider the nonlinear behaviour of the ferromagnetic materials with our TO tools.
   Afterwards, the methodology is applied to a 3D electromagnet, which represents a more real
   test case. This test case also serves to compare the results with linear and nonlinear behaviour
   of the materials used. Various topologies are presented, for different problem formulations.
   Subsequently, the methodology is applied to a more complex electromagnetic device: a
   Salient Pole Synchronous Generator. This example allows us to see how the problem
   definition can largely affect TO results. Some topologies are presented and their viability is
   discussed.

3. "Contribution à la conception par démarches directe et inverse de machines synchrones à aimants permanents et bobinage dentaire"
   Patricio LA DELFA, Ecole Centrale Lille, Décembre 2017, url, résumé

   Cette thèse porte sur la conception silencieuse par démarches inverses de machines synchrones à aimants permanents dotées de bobinages dentaires. Notre travail se focalise sur l’analyse des raies de forces radiales à l’origine du bruit magnétique. En premier lieu, un modèle direct électromagnétique, nous a permis de déterminer le spectre spatio-temporel de la force radiale dans l’entrefer. Ce dernier nous offre la possibilité d’obtenir pas à pas et de manière analytique l’induction radiale dans l’entrefer, résultat du produit de la force magnétomotrice totale et de la perméance d’entrefer globale. Plusieurs machines dotées d’un bobinage dentaire et distribué ont été évaluées, comparées à des simulations par éléments finis et corroborés par une analyse modale opérationnelle sur un prototype existant au laboratoire. Puis la démarche inverse de conception est abordée par le biais de deux outils «analytiques prédictifs» donnant les origines des ordres faibles spatio-temporels de la force radiale dans l’entrefer. Enfin, la résolution du problème inverse est conduite au moyen d’une boucle itérative d’optimisation donnant parmi un échantillon de solutions, une fonction de bobinage, visant à atténuer ou supprimer une raie potentiellement risquée en termes de nuisances acoustiques.

4. "Impact du procédé de fabrication des stators slinky sur les propriétés des matériaux"
   Mohamad EL YOUSSEF, Art et Métiers ParisTech, Décembre 2017, url, résumé

   IMPACT DU PROCÉDÉ DE FABRICATION DES STATORS SLINKY
   SUR LES PROPRIÉTÉS DES MATÉRIAUX
   
   RÉSUMÉ : La machine synchrone à griffes est un dispositif très utilisé comme
   alternateur dans l’automobile. La fabrication de cette machine, produite en masse, met
   en œuvre des procédés impactant les caractéristiques des matériaux ferromagnétiques et
   donc, in fine, les performances de l’alternateur. Ce travail de thèse est donc consacré à
   étudier l’impact du processus de fabrication d’un stator Slinky (basé sur un enroulement
   d’une bande de tôle plutôt qu’un empilement) sur les propriétés magnétiques. Pour ce
   faire, une première partie du travail consiste à quantifier l’impact de chaque procédé mis
   en œuvre. Le but est de séparer les procédés les plus fortement impactant. Une
   campagne de caractérisation magnétique, sur des échantillons prélevés avant et après
   chaque procédé, a été réalisée.
   Les résultats montrent que le procédé d’enroulement est l’étape la plus destructive à
   cause des déformations et des contraintes engendrées dans le plan de la tôle à la fois en
   traction et en compression. L’optimisation de ce procédé nécessite donc d’établir le lien
   entre les propriétés mécaniques et magnétiques. Nous proposons une nouvelle méthode
   de caractérisation magnéto-mécanique. Elle permet de réaliser une caractérisation
   magnétique sous chargement uni axial en traction et en compression. Enfin, nous
   présentons des résultats montrant l’évolution du comportement magnétique, d’un
   matériau FeSi NO, en fonction de la déformation et de la contrainte appliquée.
   
   Mots clés : Matériau Magnétique Doux, Caractérisation, Procédés de Fabrications, Machines
   Électriques.
   
   IMPACT OF MANUFACTURING PROCESS OF SLINKY STATORS ON THE
   PROPERTIES OF MATERIAL
   
   ABSTRACT: The synchronous claw pole machine represents a widely used device, as an
   alternator, in the automobile industry. The production of this machine implements a line
   of several processes which impact the characteristics of ferromagnetic materials and,
   ultimately, the performance of the alternator. Therefore, this work is devoted to
   studying the impact of the manufacturing processes of a Slinky stator (based on a rolled
   sheet metal strip rather than stacked sheets) on the magnetic properties. To reach our
   goal, a first task consists in quantifying the impact of each manufacturing process. The
   aim is to separate the most detrimental processes. Thus, a magnetic measurement
   campaign was carried out on samples withdrawn before and after each process.
   The results show that the rolling step represents the most detrimental process due to the
   generated stresses and strains in the plane of the sheet in both modes (tension and
   compression). Therefore, the optimization of this process requires setting up the link
   between the mechanical and magnetic properties. Hence, we propose a new method of
   magneto-mechanical characterization. It enables to carry out magnetic measurements
   under uniaxial loading (tension and compression). Finally, we present results showing
   the evolution of the magnetic behavior of a FeSi NO material depending on the applied
   stress and strain.
   
   Keywords : Soft Magnetic Material, Characterization, Manufacturing process, Electrical
   machines.

5. "Contribution à la modélisation de courts-circuits entre tôles magnétiques"
   Smail ZIANI, Université de Lille, Octobre 2017, url, résumé

   La difficulté majeure de la modélisation numérique par éléments finis des empilements de tôles contenant des défauts d’isolement réside dans le facteur multi-échelle (stator, courts-circuits et vernis isolants). En effet, cet important facteur d’échelle reste un défi pour la raison principale que la finesse de représentation dépend du nombre d’éléments utilisés, ce qui implique des tailles mémoires et des temps de calculs excessifs rendant la réalisation d’un maillage adapté à l’échelle de chaque milieu irréalisable. Ainsi, l’objectif de ce travail a été de modéliser des empilements de tôles contenant des défauts de type courts-circuits entre tôles avec précision tout en ayant des temps de calcul acceptables. Cela, en homogénéisant des volumes ne nécessitant pas forcément une grande précision et en laissant telles quelles les zones où se trouvent des défauts avec une modélisation fine. La difficulté se situe au niveau du couplage entre les parties homogénéisées et les matériaux hétérogènes. L’approche de couplage développée nous permet d’obtenir directement le régime permanent et de prendre en compte la nature non-linéaire des tôles ferromagnétiques. L’approche de couplage a été validée à partir de résultats issus d’une modélisation classique en considérant des défauts sous différentes conditions. Une modélisation thermique a également été développée pour nous permettre d’estimer l’élévation de température d’un défaut. Les résultats de notre approche de couplage montrent une bonne concordance et démontrent la capacité de l’approche à modéliser un empilement de tôles contenant des défauts avec précision tout en réduisant les temps de calculs.
   
   Empilements de tôles ferromagnétiques, Couplage magnéto-Thermique, Éléments finis, Méthode des, Méthodes d'homogénéisation numérique, Théorie spectrale (mathématiques), Courts-circuits, Isolation électrique
   
   Contribution to modeling short circuits in lamination stacks
   
   The major difficulty to model lamination stacks with defects using finite element method is the multi-scale nature of lamination stacks. Indeed, this important scale factor stays a challenge, because of the fineness of the representation that depends on the number of elements used, which implies memory sizes and excessive computation times making the realization of a fine mesh adapted to the scale of each subdomain unworkable. Thus, the objective of this work was to model lamination stacks containing short-circuit with precision with an acceptable number of unknowns and computation times, by homogenizing volumes that do not necessarily require great precision and leaving subdomains containing defects with fine modeling. The difficulty of this approach is the coupling between the homogenized parts and the heterogeneous materials. The coupling approach allows us to directly obtain the steady state and takes into account the non-linear nature of the ferromagnetic laminations. The coupling approach has been validated by comparing its results to a classical approach without homogenization, especially considering defects under different conditions. Thermal modeling has also been developed to estimate the temperature rise of a defect. Comparing the results of our coupling approach with a conventional approach shows good agreement. These results demonstrate the ability of the proposed coupling approach to model a lamination stacks with defects accurately with computation time reduction.

6. "Efficacité énergétique des machines de production d’électricité"
   Maxime PLOYARD, Centrale Lille, Juin 2017, url, résumé

   Efficacité Energétique des Machines de Production d’électricité
   
   Résumé
   Lors de la phase de dimensionnement d’un générateur électrique, des choix préliminaires imposent
   généralement la topologie. Cette thèse a pour objectif d’apporter une aide décisionnelle au choix des
   structures de générateurs de forte puissance. L’intérêt des machines à haute efficacité énergétique est
   porté par des objectifs environnementaux forts. En conséquence, maîtriser et comprendre l’origine des
   pertes dans les machines de production d’électricité est un enjeu capital. Ainsi, une méthodologie de
   calculs de pertes fer est développée pour des générateurs de forte puissance.
   Dans les secteurs de la production et conversion d’énergie, les Machines Synchrones à Double
   Excitation présentent un fort potentiel pour répondre aux défis de la transition énergétique. Dès lors, il
   est important de quantifier l’impact de ces nouvelles structures par rapport aux solutions existantes.
   Cette thèse propose une modélisation par méthodes analytiques et semi-analytiques dans l’objectif de
   concevoir un ensemble de structures de générateurs. La modélisation est également comparée à deux
   prototypes de forte puissance, dont un pour une application éolienne à attaque directe.
   Ensuite, cette modélisation est employée dans un processus de conception par optimisation. Les
   structures Pareto optimales sont comparées suivant différents cahiers des charges. Ces optimisations
   permettent de mettre en avant des gains significatifs par rapport aux solutions existantes notamment
   sur des données statistiques de fonctionnement éolien.
   
   Mots clefs: Générateur Synchrone, Double Excitation, Modélisation Électromagnétique, Pertes fer,
   Optimisation, Topologies de générateurs, Eolienne à Attaque Directe.
   
   Energy Efficiency of Large Electric Power Generators
   
   Abstract
   During the design phase of an electrical generator, the topology is generally imposed by preliminary
   criteria. This thesis aims at providing a decision support for the choice of high power generator
   structures. The interest for high efficiency machines is driven by strong environmental objectives.
   Consequently, understanding the origin of losses in power generation machines is a major issue. Thus,
   a methodology for iron loss calculation is developed for high power generators.
   In the energy production and conversion sectors, Hybrid Excitation Synchronous Machines have a
   great potential to respond to the challenges of energy transition. It is important to quantify the impact
   of these new structures compared with existing solutions. This thesis proposes analytical and lumped
   models to design a set of generator structures. The modeling approach is also compared with two high
   power generators, including one for a direct drive wind turbine.
   Then, this modeling is used in an optimization design process. The optimal Pareto structures are
   compared according to different specifications. These optimized designs show significant gains
   compared to the existing solutions, especially on wind profile from a Weibull probability density
   function.
   
   Keywords: Synchronous Generator, Hybrid Excitation, Electromagnetic Modeling, Iron Losses,
   Optimization, Generator Topologies, Direct Drive Wind Turbine.

7. "Modélisation magnéto-thermique et optimisation topologique multi-objectif de busbars laminés"
   Oriol PUIGDELLIVOL, Université de Lille, Mai 2017, résumé

   confidentielle
   
   Résumé : L’électronique de puissance nécessite des interconnexions à faible inductance et des températures de fonctionnement en dessous de certaines valeurs critiques. Les busbars laminés présentent une inductance très faible en comparaison avec les câbles. De plus, leur forme aplatie permet d’augmenter la surface d’échange avec l’environnent garantissant des bonnes performances thermiques. Dans cette thèse nous proposons une comparaison entre différentes méthodes de calcul d’inductance. Le but est d’en privilégier une en fonction de la complexité du problème à résoudre. La valeur d’inductance à calculer correspond à la boucle de commutation ayant lieu dans les convertisseurs de puissance. Des règles de conception permettant de minimiser la valeur de cette boucle sont aussi présentées. Concernant le calcul thermique, on propose une approche basée sur les éléments finis 2D. La superposition de plusieurs plaques bidimensionnelles permet de modéliser des busbars laminés de façon précise et plus rapide qu’une étude tridimensionnelle. Les conditions aux limites sont appliquées en fonction de la superposition des plaques. Grâce à la rapidité de cette approche, des optimisations topologiques peuvent être appliquées. Des algorithmes d’optimisation adaptés aux besoins industriels ont été développés pour la minimisation de l’inductance et de la température maximale des busbars. Ces algorithmes présentent de bonnes performances et sont utilisés lors des optimisations mono et multi-objectif.
   
   Magneto-thermal modelling and multiobjective topology optimisation of laminated busbars
   
   Résumé (anglais) : Power electronics needs low inductance interconnections and operating temperatures below certain limits. Laminated busbars present low inductance compared with cables. Moreover, their flat geometry increases the heat exchange surface with the environment ensuring good thermal performances. In this PhD thesis we propose a comparison between different inductance calculation methods. The objective is to favor one according to the complexity of the problem to be solved. The inductance value is calculated during the switching loop taking place in the power converters. Several design rules are presented in order to minimize the inductance of the loop. Regarding the thermal management, we present an approach based on the 2D finite element method. The overlapping of the two-dimensional plates allows us to model the whole laminated busbar and faster way than a tridimensional study without losing precision. The boundary conditions are applied according to the overlapping between layers. Thanks to this approach, topology optimization techniques can be applied. Algorithms adapted to the industrial needs have been developed for the minimization of the inductance and the maximum temperature in busbars. These algorithms show good performances and are used in mono and multi-objective optimizations.

1. "Contributions à l’étude des machines à reluctance variable pour application alterno-démarreur automobile"
   Valentin ZAHARIA, Université technique de Cluj-Napoca/EC Lille, Décembre 2016, url, résumé

   Résumé :
   Ce travail de recherche est réalisé dans le cadre d'une collaboration internationale entre l'Université Technique de Cluj-Napoca en Roumanie et Centrale Lille en France. Cette thèse a comme premier objectif, de réduire l’ondulation de couple d’une machine triphasée 6/8 à réluctance variable grâce aux paramètres de contrôle dans le mode de fonctionnement moteur et générateur. Par conséquent, un modèle analytique a été développé et mis en œuvre dans un environnement de calcul numérique. Un outil d'optimisation permettant de trouver les meilleurs paramètres de contrôle a été utilisé. Toutefois, le processus d’optimisation est très lent.En conséquence, une stratégie pour réduire le temps du processus d'optimisation sans abaisser la précision des résultats est proposée. Une stratégie de ‘mapping’ est utilisée entre un modèle grossier mais rapide et un modèle fin mais lent. Un travail est mené sur le choix du modèle grossier, dans le cadre d’un modèle fournissant des valeurs en fonction du temps. Deux stratégies de ‘mapping’ ont été utilisées dans cette thèse : l’‘Output Space Mapping Proportional’(OSMP) et le Manifold Mapping (MM). Ces deux stratégies sont utilisées pour déterminer les paramètres de contrôle optimaux. Le problème d’optimisation est ensuite complété en ajoutant des variables géométriques au processus d’optimisation du contrôle. Les outils développés sont ensuite utilisés dans le cadre du dimensionnement par optimisation d’un alterno-démarreur automobile. Finalement, des expériences et des essais sur un prototype de Machine à RV sont menés afin de valider les résultats du processus d'optimisation en mode moteur et générateur.
   
   Mots clés : conception et contrôle par optimisation, éléments finis, manifold mapping, output space mapping proportional, moteur/générateur à réluctance variable
   
   Contributions to the study of Switched reluctance machine for automotive integrated starter-alternator application
   
   Abstract:
   The switched reluctance machine has a simple construction making it cheaper in execution but one of the drawbacks of this machine is the torque ripple. This thesis had as first target, the usage of an optimization tool to calculate the best control parameters to correct this major drawback in motor and generator operation modes. Hence, an analytical model that takes into account the machine geometry and that is able to be simulated in both operation modes by adjusting the commutation angles was provided and implemented in a calculation environment. The second target of this work is to investigate a method to reduce the optimization time without lowering the accuracy of the results. The strategy used in the optimization process is known in literature as the space mapping technique, more precisely for this thesis output space mapping proportional and manifold mapping were studied. After testing them on a mathematical model it was possible to continue the investigation on defining the optimal control parameters of a three-phases 6/8 SR machine prototype, being able that further to use this strategy in a much complicated process, i.e. defining the right geometry and control of a SR machine to be used in automotive integrated starter alternator systems. The final target of the thesis was to conduct experiments and tests on the existing prototype in order to partially validate the results of the optimization process.
   
   Keywords: design and control optimization, finite element, manifold mapping, output space mapping proportional, switched reluctance motor/generator.

2. "Optimisation du dimensionnement et de la commande sur cycle de fonctionnement d’un générateur à aimants permanents et auto-commutation pour applications micro-éoliennes"
   Andreea ZAHARIA, Université technique de Cluj-Napoca/EC Lille, Décembre 2016, url, résumé

   Optimisation du dimensionnement et de la commande sur cycle de fonctionnement d’un
   générateur à aimants permanents et auto-commutation pour applications micro-éoliennes
   
   Résumé
   La conception d'un microsystème autonome de conversion de l'énergie éolienne représente le cœur de
   cette étude. L'attention est portée vers le générateur BLDCPM en étoile à trois phases, ayant un rotor extérieur
   avec des aimants permanents montés en surface et des enroulements concentrés avec des forces électromotrices
   trapézoïdales. Une connexion directe entre la turbine à axe horizontal et la machine tournant à vitesse variable
   est considérée puisque l'application visée est résidentielle et nécessite un fonctionnement à faible vitesse. Le
   convertisseur électronique de puissance à courant alternatif (redresseur) et à pont complet triphasé du côté
   générateur est considéré pour contrôler la tension constante du bus continu de sortie. En raison de la vitesse
   variable du vent, de nombreuses fluctuations se produisent dans la puissance et la fréquence du générateur
   BLDCPM, ce qui oblige sa conception pour un fonctionnement à une large plage de vitesse. Ainsi, le travail de
   la thèse vise à déterminer les paramètres optimaux de conception géométriques et électriques du générateur
   BLDCPM, en assurant des pertes de puissance minimales dans le μWECS. Un fonctionnement sur un cycle long
   terme d’une année avec une vitesse moyenne du vent mesurée toutes les heures est considéré pour maximiser la
   puissance éolienne extraite et augmenter l'efficacité du système dans son ensemble. Par conséquent, il est
   nécessaire de déterminer le niveau de modélisation, ainsi que les variables de conception de chacun des
   composants du système. Comme l'optimisation fait appel à un algorithme pour le processus de conception, le
   nombre d'évaluations du modèle peut être assez important. Plus les variables de conception et les contraintes
   sont nombreuses, plus élevé est le nombre d'évaluations. En conséquence, la réduction du temps de simulation,
   ainsi que l'intégration et l'exploitation des données provenant du profil de vitesse du vent pour déterminer la
   totalité des pertes de puissance dans le μWECS considérées sont les principales préoccupations. Ensuite, la
   méthodologie d'optimisation est présentée, ainsi que les résultats optimaux obtenus et la comparaison de
   plusieurs paramètres d'entrée et de sortie. Enfin, des essais expérimentaux sont également effectués sur un
   prototype de machine BLDCPM de référence afin de vérifier la technique de commutation et de contrôle
   électronique.
   
   Mots clefs : générateur sans balais à aimant permanent et auto-commutation, méthode de barycentre,
   modélisation, multi-physique, optimisation de conception, microsystème autonome de conversion de l'énergie
   éolienne, cycle long terme du vent
   
   Brushless DC permanent magnet micro-wind generator modeling and optimization over
   long-term wind-speed cycle operation
   
   Abstract
   The design of a stand-alone micro-wind energy conversion system represents the core of this study. The
   attention is derived towards the three-phase star-connected BLDCPM generator, having outer rotor with Nd-Fe-
   B surface-mounted PMs, and concentrated stator-armature windings with quasi-trapezoidal stator-phase back-
   EMF voltages. A direct connection to the variable speed horizontal axis wind turbine is considered as the
   residential use application for which is desired requires low-speed operation. Generator-side three-phase full-
   bridge AC/DC power electronic converter (rectifier) is considered for controlling the output DC-bus constant
   voltage. Due to the variable wind speed, many fluctuations occur in the power and frequency of the BLDCPM
   generator, compelling its design for large speed-range operation. Hence, the thesis work aims at determining the
   optimal design parameters of the BLDCPM generator ensuring minimum power losses of μWECS over long-
   term wind-speed cycle operation, and thereby maximizing the extracted wind power and increasing the
   efficiency of the overall system. Therefore, it is necessary to determine the modeling level, as well as the design
   variables of each component of the system. As the optimization appeals to an algorithm for the design process,
   the number of model evaluations can be fairly important. The more design variables and constraints, the higher
   the model evaluation count. As a result, reduction of the simulation time, as well as integration and exploitation
   of the available data from the wind-speed profile for determining the total power losses of considered μWECS
   are of main concern. Afterwards, the optimization methodology is presented along with the optimum results
   obtained, as well as comparison of several input/output parameters. Finally, experimental tests are also carried
   out on a reference BLDCPM machine prototype in order to verify its electronic commutation and control
   technique.
   
   Keywords: barycenter method, brushless DC permanent magnet generator, design optimization, modeling,
   multi-physics, stand-alone micro-wind energy conversion system, long-term wind speed cycle.
   
   Modelarea și optimizarea micro-generatorului cu magneți permanenți și auto-comutație
   electronică cu operare sub un profil al vântului de lungă durată
   
   Rezumat :
   Designul unui micro-sistem autonom de conversie a energiei provenită de la o micro-turbină eoliană
   reprezintă nucleul acestui studiu. Atenția este îndreptată asupra generatorului trifazic cu configurație de rotor
   exterior cu magneți permanenți montați pe suprafața acestuia și cu înfășurări concentrate pe stator. O legătură
   directă între turbina cu ax orizontal și generatorul de viteză variabilă este considerată, deoarece aplicația avută
   în vedere este rezidențială și necesită funcționare la viteză mică. Convertorul electronic de curent alternativ
   (redresor) cu trei faze asociat generatorului este considerat pentru a menține tensiunea de ieșire pe bus cc la o
   valoare constantă. Din cauza vitezei variabile a vântului, multe fluctuații apar în puterea și frecvența
   generatorului, forțând designul acestuia la o funcționare într-o gamă largă de viteză. Astfel, activitatea tezei este
   de a determina parametri geometrici și electrici optimi ai generatorului, asigurând pierderi minime de putere în
   micro-sistemul de conversie al energiei considerat. O operațiune pe un ciclu de vânt cu durata unui an, cu o
   viteză medie a vântului, măsurată la fiecare oră este considerat pentru a maximiza puterea extrasă din vânt și de
   a crește eficiența globală a micro-sistemului. Prin urmare, este necesar să se determine nivelul de modelare,
   precum și variabilele de proiectare pentru fiecare dintre componentele sistemului. Datorită faptului că
   optimizarea apelează la un algoritm pentru procesul de proiectare, numărul de evaluări ale modelului poate fi
   destul de important. Cu cât există mai multe variabile de proiectare și constrângeri, cu atât numărul de evaluări
   este mai mare. În consecință, reducerea timpului de simulare, precum și integrarea și exploatarea datelor
   provenite de la profilul de viteză al vântului pentru a determinarea pierderile totale de energie din micro-sistem,
   sunt principalele preocupări. În următoarea etapă este prezentată metodologia de optimizare, precum și
   rezultatele optime obținute și compararea mai multor parametri de intrare și de ieșire. În final, teste experimentale
   sunt, de asemenea, efectuate pe un prototip de mașină cu magneți permanenți și auto-comutație electronică de
   referință pentru a verifica tehnica de comutare și de control electronic.
   
   Cuvinte cheie : generator cu magneți permanenți și auto-comutație electronică, metoda baricentrului,
   proiectare prin optimizare, micro-sistem autonom de conversie al energiei, ciclu de vânt de lungă durată

3. "Estimateurs d’erreur a posteriori pour les équations de Maxwell en formulation temporelle et potentielle"
   Roberta TITTARELLI, Université Lille 1, Septembre 2016, url, résumé

   Résumé : Cette thèse porte sur le développement d’estimateurs d'erreur a posteriori pour la résolution numérique par éléments finis de problèmes en électromagnétisme basse fréquence. On s’intéresse aux formulations en potentiels (A-φ et T-Ω) des équations de Maxwell en régime quasi-stationnaire, pour le cas harmonique ou temporel. L'enjeu consiste à développer des outils numériques mathématiquement robustes, exploitables dans un code de calcul industriel, notamment le Code_Carmel3D (EDF R&D), permettant d'estimer l'erreur de discrétisation spatio-temporelle et de pouvoir ainsi améliorer la précision des calculs. On prouve la fiabilité, assurant le contrôle de l’erreur. On prouve également dans certains cas l’efficacité locale, permettant de repérer les zones du maillage dans lesquelles l’erreur est la plus importante, et de mettre ainsi en œuvre des stratégies de raffinement adaptatif. L'équivalence globale entre l'erreur en norme énergétique et l'estimateur est en général assurée. Les estimateurs obtenus sont finalement utilisés pour des simulations physiques/industrielles par le Code_Carmel3D.
   
   Estimateurs a posteriori, Formulation en potentiels, Estimateurs d’erreur équilibrés, Estimateurs d’erreur résiduels
   Éléments finis, Méthode des, Maxwell, Équation de -- Solutions numériques, Électromagnétisme, Calcul d'erreur
   
   Résumé (anglais) : This thesis focus on the developement of a posteriori error estimators for the finite element numerical resolution of low frequency electromagnetic problems. We are interested in two potential formulations of the Maxwell's equations in the quasi-static approximation, known as A-φ et T-Ω formulations, for both harmonic and temporal regimes. The challenge consists in developing numerical tools mathematically robust, usable in an industrial code allowing the estimation of the spatio-temporal error discretisation and the improvement of the quality and the cost of the computation. We prove the reliability of the proposed error estimators, which ensures an upper bound for the error in the energy norm. In some cases we also prove the local efficicency of the estimators, which allows to detect the zones where the error is the highest, so that an adaptive remeshing process can be set up. Anyway, the global equivalence between the energy error norm and the estimator is derived. The developed error estimators are finally used for physical and industrial numerical simulations in Code_Carmel3D (EDF R&D).

4. "Caractérisation des propriétés électromagnétiques des matériaux magnétiquement doux – Application aux roues polaires de machine à griffes"
   Laure ARBENZ, Arts et Métiers, Mars 2016, url, résumé

   La construction électrique reposant en grande partie sur l’utilisation des propriétés électromagnétiques du fer et de ses alliages, les concepteurs ont besoin d’une connaissance précise de ces propriétés. Les caractéristiques des matériaux magnétiques doux, typiquement celles de l’acier des roues polaires d'une machine à griffes, peuvent être notablement impactées par les procédés de fabrication. Celles-ci doivent alors être caractérisées directement sur la pièce finale. Dans ce travail, on propose une méthode de mesure non destructive combinant une démarche opératoire et la simulation par éléments finis afin de caractériser la conductivité électrique locale des roues polaires. Afin d’adapter les paramètres expérimentaux à la géométrie de la pièce considérée, et à l’aide d’un diagramme 5M (ou diagramme d'Ishikawa), une démarche d’optimisation de la méthode est entreprise. Puis l’incertitude de mesure est déterminée à l’aide de deux démarches différentes. Cette méthode est ensuite exploitée pour mener une étude sur une population de roues polaires extraites de la chaîne de production. Dans un second temps, la méthode est étendue pour la mesure de perméabilité incrémentale. Des essais sur tôles épaisses ont permis de valider l’approche proposée à l'aide du même type de capteur. Par ailleurs, une étude complémentaire par éléments finis 3D a permis de mettre en évidence les limites de l'approche analytique, notamment lorsque la perméabilité de la plaque et son épaisseur deviennent trop importantes. Finalement, cette méthode est appliquée au cas des roues polaire, dans le cadre d’une approche qualitative, en vue d’une application de type contrôle qualité.
   
   Matériau magnétique doux, Caractérisation, Éléments finis, Incertitude de mesure, Machine électriques, Matériaux magnétiques, Machines électriques , Méthode des Éléments finis
   
   Characterization of the electromagnetic properties of soft magnetic materials : application to a claw pole rotor
   
   Electrical energy conversion devices are based on the use of electromagnetic properties of iron and its alloys. Therefore, an accurate knowledge of these properties is required for the designers. The characteristics of the soft magnetic materials, typically those of a claw pole rotor, can be significantly impacted by the manufacturing processes. Consequently, these properties must be characterized directly on the manufactured magnetic piece. In this work, a non-destructive measurement method combining an operative approach and the finite element simulation is proposed to characterize the local electrical conductivity of the claw pole rotor. The choice of the experimental parameters associated to the claw pole rotor geometry is optimized using the Ishikawa diagram. Then, the measurement uncertainty is determined using two different approaches. This method is applied to perform a study on a population of claw pole rotors issued from the manufacturing chain. Secondly, the method is extended to incremental permeability measurement. Tests on thick sheets were realized to validate the proposed approach with the same type of sensor. Moreover, a complementary study in 3D finite element has emphasized the limitations of the analytical approach, especially when the permeability of the plate and its thickness become significant. Finally, this method is applied to the case of claw pole rotors through a qualitative approach for a quality control application.
   
   Soft magnetic material, Characterization, Finite element, Measurement uncertainty, Electrical machines

5. "Représentativité de la modélisation aux éléments finis pour le diagnostic de machines synchrones de grande puissance"
   Alexandre BACCHUS, Université Lille 1, Février 2016, url, résumé

   Nous avons développé une méthode d'identification de courts-circuits et d'excentricités statiques d'un turboalternateur en fonctionnement. Cette méthode doit être non seulement capable d'identifier le type de défaut, mais également sa gravité et sa localisation. Pour cela, la force électromotrice issue d'une sonde de flux radiale est considérée pour identifier les défauts de la machine. Les méthodes d'apprentissage ayant fait leur preuve sur ce type de problématique, un ensemble d'échantillons des défauts, i.e. matrice des prototypes, est construit grâce à des simulations par la méthode des éléments finis de la machine dans un grand nombre d'états de fonctionnement. Le but est alors d'identifier la classe (le défaut) de mesures expérimentales en considérant les sorties de simulations. Pour faire cela, une maquette de turboalternateur est modélisée et les sorties de simulation sont comparées aux mesures expérimentales. L'application de méthodes de classification supervisée choisies selon la forme des données montre qu'on peut atteindre des taux de bonne classification de 79 % pour les courts-circuits et 93 % pour les excentricités après un traitement spécifique des attributs et un recalage des sorties de simulation. Une règle d'identification du type de défaut est également mise en place au travers d'une classification hiérarchique. Celle-ci donne d'excellents résultats pour lesquels toutes les mesures expérimentales sont assignées au bon type de défaut. Enfin, un automate à états finis permet d'améliorer les résultats précédents en tenant compte de l'évolution temporelle de l'état de fonctionnement de la machine. Ainsi, un taux de bonne classification de 91.5 % pour l'identification de courts-circuits est obtenu.
   
   mots clefs : Turboalternateur Turbogénérateurs -- Défauts -- Simulation par ordinateur Détection de défaut (ingénierie)
   Courts-circuits -- Localisation Éléments finis, Méthode des Flux magnétique -- Mesure Reconnaissance des formes (informatique) Classification automatique Exploration de données Machines séquentielles, Théorie des
   
   Representativeness of finite element modelling for the diagnosis of great power synchronous machines
   
   
   Résumé
   An identification method of rotor inter-turn short-circuits and static eccentricities of an operating turboalternator is developed. This approach provides the type of the machine functional state such as its seriousness and location. The electromotive force obtained from a radial flux sensor is considered in order to identify the machine faults. Some previous works have shown that learning methods are efficient to characterize precisely the fault of a machine. Thus, a fault signatures data set, i.e. prototypes matrix, is built thanks to simulations using finite element method applied to the machine considering a great number of functional states. Therefore, the goal of this work is to identify the class (fault) of experimental measurements using the simulated output. To do that, a small scale alternator is modelled and simulation outputs are compared to the experimental measurements. The application of supervised classification method chosen beyond the shape of data shows that a good classification rate of 79 % for short-circuits and 93 % for eccentricities can be achieved thanks to specific features and simulation output treatments. An identification rule of the fault type is designed by considering a hierarchical classification approach. It achieves excellent results since all experimental measurements are assigned to the right type of fault. Finally, the use of a finite state automaton achieves better results for short-circuits identification by taking into account the temporal evolution of the machine functional state.

6. "Calcul par éléments finis des pertes supplémentaires dans les motorisations performantes"
   Jalal CHEAYTANI, Université Lille 1, Février 2016, url, résumé

   Les pertes supplémentaires en charge dans les machines électriques représentent une contribution non-négligeable aux pertes totales. Elles constituent un point clé pour une évaluation exacte de l’efficacité énergétique des moteurs. L’objectif de ce travail a donc été d’investiguer les pertes supplémentaires, de déterminer et de quantifier leurs origines tout en effectuant une modélisation précise des machines électriques étudiées. Le modèle de calcul des pertes supplémentaires, développé dans la thèse, est basé sur l’essai normalisé de bilan de puissances. L’utilisation de ce dernier nécessite des modèles de calcul des pertes fer et des pertes par courants induits harmoniques. Le choix s’est porté sur des modèles de calcul des pertes en post-traitement d’un code par éléments finis. Ces modèles ont été testés dans un premier temps sur une machine synchrone à aimants permanents (MSAP) où l’influence des harmoniques de découpage a été étudiée. Ensuite, les pertes supplémentaires ont été calculées pour un moteur de 500 kW et deux moteurs de 6 kW à barres droites et inclinées. Plusieurs études ont été effectuées sur les origines des pertes supplémentaires, comme les flux de fuite d’extrémités, les flux de fuite zig-zag ainsi que les flux de fuite d’inclinaison, et leurs contributions ont été quantifiées. La comparaison des résultats simulés avec les mesures issues des essais effectués sur la MSAP et sur les deux maquettes montre une bonne concordance. Ces résultats démontrent la capacité des modèles proposés à estimer les pertes fer, les pertes par courants induits et les pertes supplémentaires avec une bonne précision pour différents types de machines électriques et différents points de fonctionnements.
   
   Pertes supplémentaires en charge , Pertes fer, Courants induits, Dissipation d'énergie -- Modèles mathématiques -- Mesure
   Moteurs asynchrones -- Modèles mathématiques, Éléments finis, Méthode des ,Analyse harmonique (mathématiques)
   
   Stray load losses calculation in high performance motors using finite element method
   
   The stray load losses (SLL) in electrical machines represent a non-negligible contribution to the total losses and are a key point for an accurate evaluation of the energy efficiency of the considered device. The aim of this work is to investigate the SLL, to determine and quantify their origins using precise models of the studied motors. The SLL model calculation, developed in this thesis, is based on the normalized Input-Output test. This later requires models for the core and harmonic eddy current losses. The choice has been made for calculating the losses in the post- processing step of a finite element code. These models were tested, first, on a permanent magnet synchronous machine (PMSM), where the influence of the carrier harmonics is studied. Then, the SLL were calculated for a 500 kW induction motor and for two 6 kW motors with skewed and non-skewed rotor bars. Several studies have been performed to study the origins of the SLL such as the end-region leakage fluxes, the zig-zag leakage fluxes and the skew leakage fluxes, and quantify their contributions. The comparison, between the simulation results and those measured on the PMSM and both 6 kW motors, shows a good agreement. This demonstrates the ability of an accurate estimation of the core, eddy currents and SLL losses using the proposed post-processing calculation method, for different types of electrical machines under different operating conditions.

1. "Contribution à la conception optimale d'une chaîne de traction électrique et de sa commande par modélisation multi-physique"
   Pierre CAILLARD, Ecole Centrale de Lille, Novembre 2015, url, résumé

   Conception par optimisation d'une chaine de traction électrique et de son contrôle par
   modélisation multi-physique
   Résumé
   Les travaux de cette thèse portent sur la méthodologie de conception par optimisation d’une
   chaine de traction de véhicule électrique en phase amont du développement. Dans une première
   partie, nous avons abordé le contexte environnemental du transport afin de poser la problématique
   de la conception systémique d’une chaine de traction électrique composée d’une transmission, une
   machine électrique asynchrone, un onduleur et une batterie. Le cas test est celui du Renault Twizy.
   La seconde partie explore les possibilités de modélisation puis détaille les modèles analytiques qui
   ont été choisis pour chaque composant. L’assemblage de ces modèles permet une estimation de
   l’autonomie du véhicule, au travers du calcul des pertes des composants, et du cout de la chaine de
   traction. La troisième partie est consacrée aux méthodes et stratégies d’optimisation afin de pouvoir
   exploiter le modèle système en incluant le cycle de roulage, le contrôle de la machine électrique et les
   différentes physiques des composants, tout en conservant des temps de calcul raisonnable. Enfin, la
   dernière partie présente des résultats d’optimisation, en comparant différents jeux de variables et
   objectifs, soulignant l’importance d’une conception systémique. Des essais sur banc permettent de
   valider les hypothèses qui ont été posées.
   Mots clefs: chaine de traction électrique, véhicule électrique, optimisation, système, modélisation,
   multi-physique, méthodologie, machine asynchrone, contrôle
   Optimal design of an electric powertrain with its control through multi-physics modeling
   Abstract
   The works of this thesis concern the optimal design methodology of an electric vehicle
   powertrain, in early development phase. The first part of this report introduces the environmental
   context of transportation in order to assess the problem of system design of an electric powertrain
   which includes a transmission, an induction machine, an inverter and a battery. The selected study
   case is a Renault Twizy. The second part deals with modeling choices and details the analytic models
   of the components. Then these models are put together to get an estimate of the vehicle range, by
   calculating the components’ losses and the powertrain cost. The third part is devoted to methods and
   optimization strategies with the objective to use the systemic model with driving cycles, electric
   machine control and the physics of each component, without increasing too much computing times.
   The final part presents results from optimal designs, by comparing several variables or objectives
   sets. Results show how significant the systemic design is. Experiments on a test bench allow
   validating the hypothesis that have been made.
   Keywords: electric powertrain, electric vehicle, optimization, system, modeling, multi-physics,
   methodology, induction machine, control

2. "Conception et optimisation d'une gamme de moteurs hybrides à haute performance énergétique"
   Vera ELISTRATOVA, Ecole Centrale de Lille, Novembre 2015, url, résumé

   Titre en français: Conception optimale d’une gamme de moteurs synchrones à
   démarrage direct à haute performance énergétique
   Résumé en français:
   Ce travail a pour objectif de développer un outil analytique multi-physiques de
   dimensionnement d’une gamme de moteurs « hybrides » à démarrage direct, intégrant
   les avantages des deux technologies : l’auto-démarrage de la technologie asynchrone
   et les bonnes performances énergétique en régime permanent de la technologie
   synchrone à aimants permanents en répondant aux nouveaux enjeux d’efficacité
   énergétique et en ajoutant à cela les aspects économiques.
   La validation de cet outil est effectuée par des modèles éléments finis créés avec un
   logiciel commercial ANSYS/Maxwell et par des essais expérimentaux réalisés à
   l’aide de deux prototypes LSPMSM 7.5kW.
   Mots-clefs: moteur LSPM, modèle de dimensionnement, modélisation éléments finis,
   énumération exhaustive, modèle analytique, validation expérimentale.
   
   Titre en anglais: Optimal design of line-start permanent magnet synchronous motors
   of high efficiency
   Résumé en anglais:
   This work aims to develop a multi-physical generic model (and a pre-design
   software) for a range of LSPMSMs which would integrate the advantages of both
   technologies: self-start asynchronous technology and good energy performance of
   synchronous permanent magnet technology.
   The validation of this model is carried out by finite element commercial software
   ANSYS / Maxwell and by experimental tests using two 7.5kW.LSPMSM prototypes.
   Keywords: LSPM motor, analytical model, pre-design software, finite element
   modelling, exhaustive enumeration, experimental tests

3. "Prise en compte des incertitudes dimensionnelles introduites par les procédés de fabrication dans les modèles numériques de machines électriques"
   Sijun LIU, ENSAM, Novembre 2015, url, résumé

   Prise en compte des incertitudes dimensionnelles introduites par les procedes de fabrication
   dans les modeles numeriques de machines electriques
   Résumé : Les procédés de fabrication, du fait de leurs imperfections, conduisent à des
   dispersions des dimensions par rapport au nominal ainsi qu’à une variabilité de celles-ci d’un
   produit à un autre. Pour les machines électriques, ces imperfections peuvent conduire à des
   excentricités entre le rotor et le stator ou à des déformations de la surface intérieure du stator
   (défaut de forme). Dans la littérature, les travaux se focalisent surtout sur l’étude des effets
   néfastes dus à l’excentricité et pas sur les défauts de forme. De plus, ces travaux sont souvent
   basés sur une approche déterministe négligeant la variabilité qui peut apparaitre dans le cas
   de la production de masse. L’objectif de la thèse est donc de mettre en place une
   méthodologie basée sur une approche probabiliste permettant de quantifier l’effet des
   imperfections des procédés de fabrication sur la géométrie d’une machine électrique et d’en
   évaluer l’impact sur les performances. Pour cela, une campagne de mesures dimensionnelles a
   été effectuée sur 50 machines électriques permettant de caractériser les principaux défauts
   comme l’excentricité et la déformation de la surface intérieure du stator. Des modèles
   probabilistes de ces défauts ont été proposés permettant de prendre en compte leur
   variabilité. L’utilisation d’un modèle numérique de la machine électrique combiné avec des
   techniques d’approximation creuse ont permis d’évaluer l’influence de ces défauts sur les
   grandeurs d’intérêt comme la FEM ou le couple.
   : alternateur à griffes, métrologie, procédés de fabrication, déformation du stator,
   excentricité, quantification d’incertitudes, analyse de sensibilité
   Consideration of dimensional uncertainties introduced by the manufacturing processes in
   the numerical models of electrical machines
   Abstract : Due to their imperfections, manufacturing processes lead to deviations on the
   dimensions which are not equal to their nominal value and as well as a variability on the
   dimensions from one product to another in the case of mass production. For electrical
   machines, these imperfections can cause an eccentricity between the rotor and the stator or
   shape default like the deformation of the inner surface of the stator. In the literature, research
   focuses mainly on the study of detrimental effects due to the eccentricity but not on shape
   default. In addition, this research is often based on a deterministic approach neglecting the
   variability that can arise especially in mass production. The aim of the thesis is to develop a
   methodology based on a probabilistic approach to quantify on the performances of an
   electrical machine the effect of imperfections of manufacturing processes on the geometry.
   First, a campaign of measurements was performed on 50 electrical machines for characterizing
   the main defaults such as the eccentricity and the deformation of the inner surface of the
   stator. Probabilistic models of these defaults have been proposed for taking into account their
   variability. A numerical model of the electrical machine combined with sparse approximation
   techniques were used to quantify the influence of these defaults on quantities of interest such
   as EMF or torque.
   Keywords : claw-pole alternator, metrology, manufacturing processes, stator deformation,
   eccentricity, uncertainties quantification, sensitivity analysis

4. "Gestion énergétique optimale des installations fixes de traction électrique ferroviaire hybrides"
   Petronela BUZILA-PANKOVITS, Université Lille 1, Septembre 2015, url, résumé

   Résumé
   La croissance du trafic ferroviaire prévue dans les années à venir pousse les acteurs du système
   d'électrification ferroviaire à chercher des solutions innovantes leur permettant d'assurer la
   consommation d’énergie qui y est liée. Une des solutions concerne l'intégration de moyens de
   production décentralisés et des systèmes de stockage d'énergie dans les installations fixes de
   traction électrique (IFTE). Dans cette évolution, l a thèse vise à contribuer à la conception d'un
   outil de dimensionnement et de gestion énergétique intelligente des IFTE hybrides (IFTEH). La
   première partie décrit une méthodologie de conception technico-économique d’IFTEH. A partir
   d'une architecture générique d'IFTEH, une démarche d'optimisation sur cycle des variables
   dimensionnelles, mais également des variables de commandes du système de pilotage est
   proposée. La modélisation en flux d'énergie de l'IFTEH permet ensuite d’appliquer la
   méthodologie d’optimisation sur un cas d’étude et de comparer plusieurs scénarios
   d’optimisation. Après le dimensionnement de l'IFTEH, une méthodologie de gestion énergétique
   est développée afin de répondre aux objectifs énergétiques, économiques et environnementales, à
   différents horizons temporels de supervision d'IFTEH. Plusieurs scénarios de gestion sont évalués
   en simulation à travers des indicateurs de performance représentatifs des gains du système. Une
   étude d’optimisation des paramètres de supervision apporte des réponses concernant l’influence
   du dimensionnement du système sur la gestion énergétique. Enfin, la robustesse de la supervision
   énergétique d’IFTEH est analysée lors de la validation expérimentale à l’échelle de puissance du
   laboratoire.
   
   Mots-clés : sous-station ferroviaire hybride, production renouvelable, stockage d’énergie,
   modélisation, dimensionnement, optimisation, gestion énergétique, efficacité énergétique, marché
   de l'électricité.
   
   Abstract
   In railway traffic increasing and electricity market liberalization context, railway actors are
   determined to consider innovative solutions to handle the increasing energy demand for electrical
   traction. One of the solution concerns the integration of decentralized production and energy
   storage systems in the railway power substations (RPS). The present research work aims to
   contribute to the design of a sizing and intelligent energy management tool for the hybrid RPS
   (HRPS). In the first part of the dissertation, a methodology for the techno-economical design of
   the HRPS is described. From a HRPS generic architecture, an optimization approach is proposed
   by considering cycles of dimensional and system control variables. Furthermore, an energy flow
   model permits to apply the optimization methodology on a study case and to compare different
   optimization scenarios in order to analyze the sizing and optimal planning of electrical sources
   and loads for a typical day. After sizing the HRPS, an energy management methodology is
   developed in order to achieve energy, economic and environmental objectives at different time
   levels of HRPS supervision. Several energy management scenarios are evaluated in simulation
   through adapted system gain indicators. An optimization study of the supervision parameters
   provides additional answers concerning the influence of the system design on its management
   strategy. Eventually, the HRPS energy management robustness is analyzed during an
   experimental setup phase at laboratory power scale.
   
   Keywords : hybrid railway power substation, renewable energy, energy storage, system
   modeling, optimal design, energy management, energy efficiency, electricity market.

5. "Méthodologie de simulation et de pré-dimensionnement vibro-acoustique des groupes motopropulseurs électriques en rupture"
   Haifa MECHMECHE, Ecole Centrale de Lille, Juillet 2015, résumé

   confidentielle
   
   Cette thèse de doctorat s'inscrit dans un projet pour le développement du véhicule électrique piloté par la société Renault. Il répond aux prévisions d’exploitation de véhicules électriques pour des déplacements interurbains et urbains afin d’améliorer les aspects environnementaux. L'objectif de nos travaux a été de développer un outil capable de prédire le bruit d'origine électromagnétique produit par des machines à rotor passifs : machine à réluctance variable, sur une large plage de vitesse. Pour cela, le développement d’un modèle vibro-acoustique reposant sur les équations aux dérivées partielles permet d’obtenir une bonne estimation des vibrations et du bruit de la machine pour une force donnée. Cette modélisation analytique couplée à un outil éléments finis, permettant ainsi d’estimer précisément les pressions radiales d’origine magnétique, fournit sous forme de sonagramme le bruit de la machine sur une large plage de vitesse. Cette approche dite hybride « numérique et analytique » offre l’avantage d’un très bon compromis temps de calcul – précision afin de concevoir des machines peu bruyantes. Enfin une analyse des effets de la saturation de ces machines ainsi qu’une analyse harmonique par produit de convolution sont fournis.

1. "Conception de systèmes électriques multidynamiques par optimisation multigranularité"
   Antoine PIERQUIN, Ecole Centrale de Lille, Novembre 2014, url, résumé

   Conception de systèmes électriques multidynamiques par optimisation
   multigranularit´e
   Résumé: Les travaux de thèse visent à utiliser les modèles éléments finis pour l’optimisation
   de systemes multidynamiques. Les modèles éléments finis sont en effet rarement
   utilises en optimisation car ils générent des temps de calcul trop importants. Pour réduire
   le temps global d’optimisation, le temps de simulation du modèle lui-même peut être di-
   minué, mais le nombre d’évaluations du modèle peut aussi être limité. Dans cette optique,
   les stratégies d’optimisation multigranularités sont appliquées, permettant de corriger ou
   de créer des modèles rapides pour l’optimisation à partir de quelques évaluations d’un
   modèle initial. Ce modèle est un système multidynamique intégrant un modèle éléments
   finis. La modélisation d’un tel système est effectuée via la méthode de relaxation des
   formes d’onde qui permet un couplage efficace en un temps raisonnable. Le temps de calcul
   est encore réduit par l’application aux modèles éléments finis électromagnétiques de
   méthodes de réduction de modèle.
   La méthode de relaxation des formes d’onde est appliquée à la modélisation d’un trans-
   formateur. Le transformateur est ensuite optimise par des méthodes de space mapping et
   de krigeage. La méthode de relaxation des formes d’onde permet également le couplage
   d’un modèle électromagnétique non linéaire de type éléments finis avec un redresseur
   commande et un modèle thermique éléments finis.
   Mots-clefs: methode éléements finis, réduction de modèle, couplage multidynamique,
   optimisation multigranularité, couplage magnéto-thermique.
   
   Conception of multirate electrical systems by multi-level optimisation
   Abstract: These works aim at using finite element models in optimisation of multirate
   systems. Indeed, the finite element models are rarely used in optimisation because their
   computation time is too high. To reduce the duration of the optimisation process, simulation
   time of the model can be reduced, but the number of evaluations of the model can
   also be limited. In this perspective, multi-level optimisations are applied. They allow to
   correct or create fast models for the optimisation from a few number of evaluations of
   an initial model. The model is a multirate system including a finite element model. The
   modeling of such a system is done by waveform relaxation method which allows an efficient
   coupling in an acceptable computation time. Computation time is further reduced
   by applying model order reduction to the finite element models.
   The waveform relaxation method is applied to the modeling of a transformer. Then
   the transformer is optimised by space mapping and kriging techniques. The waveform
   relaxation method also allows the coupling of a finite element type electromagnetic non
   linear model with a rectifier and a finite element thermal model.
   Keywords: finite element method, model order reduction, multirate coupling, multilevel
   optimisation, magneto-thermal coupling.

2. "Modélisation numérique de la perte d'aimantation d'aimants permanents sous les contraintes magnétique et thermique rencontrées dans les dispositifs électriques"
   Radu FRATILA, Université Lille 1, Mars 2014, url, résumé

   Ce travail a pour objectif de développer un outil numérique de modélisation du comportement des aimants permanents tout en tenant compte de la démagnétisation induite par divers facteurs comme la géométrie, le champ induit et la température. Le modèle de démagnétisation est basé sur une expression analytique (l’équation de Marrocco). Il nécessite l’identification de quatre paramètres et l’implémentation des lois polynomiales de variation pour certains d’entre eux afin de prendre en compte la démagnétisation. Ce modèle a été implémenté dans le code de calcul par éléments finis code_Carmel. Pour prendre en compte l’influence de la température, un chaînage a été effectué avec un code thermique, SYRTHES. Afin de valider cet outil numérique, une maquette expérimentale a été développée. Dans un premier temps, le modèle de calcul des pertes par courants induits dans les aimants permanents a été validé en utilisant une approche basée sur une procédure de séparation des pertes qui combine les résultats expérimentaux à ceux calculés. Ensuite, différentes grandeurs globales et locales issues du modèle de démagnétisation des aimants permanents ont été comparées aux mesures expérimentales avec une bonne concordance montrant ainsi l’aptitude du modèle proposé à représenter le comportement d’un aimant permanent soumis à une élévation de la température et à un champ démagnétisant.
   
   Numerical modeling of permanent magnet loss under magnetical and thermal constraints encoutered in electrical devices
   
   This work aims at developing a numerical tool able to simulate the behavior of permanent magnets while taking into account the demagnetization induced by various factors such as geometry, induced field and temperature. The demagnetization model is based on an analytical expression (the Marrocco equation). It requires the identification of four parameters and the implementation of polynomial variation laws for some of them in order to be able to take into account the demagnetization. This model has been implemented in the finite element calculation code code_Carmel. In order to also take into account the influence of temperature the model was coupled to a thermal calculation code, SYRTHES. To validate this tool, an experimental device has been developed. Initially the permanent magnet eddy current losses model has been validated using a loss balance procedure that combines both experimental and numerical approaches. This validation allows then to provide a good estimation of the temperature rise that appears inside the magnets. Finally the permanent magnet demagnetization model has been validated by comparing different global and local calculated values with measured ones. These results showed a good agreement and demonstrated a good ability of the proposed method to take into account the behavior of demagnetization of permanent magnets under the influence of induced magnetic field and temperature.

3. "Dimensionnement vibro-acoustique des machines synchrones à aimants permanents pour la traction ferroviaire : Règles de conception silencieuse"
   Mathias FAKAM, Ecole Centrale de Lille, Mars 2014, résumé

   confidentielle

1. "Contribution to finite element analysis of magneto-mechanical and magneto-thermal phenomena"
   Zifu WANG, Université Lille 1, Décembre 2013, url, résumé

   The work presented in this thesis aims to contribute to finite element analysis of weak-
   coupling magneto-mechanical and magneto-thermal phenomena.
   In general, magneto-mechanical and magneto-thermal problems are made up of subprob-
   lems of which the physical nature differs. Using weak-coupling strategies, these subproblems
   can be calculated separately using finite element methods, and thus on their own meshes, in
   order to ensure precision. To obtain a precise solution for the entire problem, it is crucial
   to ensure the transmission of information between the subproblems. In this work, we study
   field projection methods on overlapping domains.
   Field projection formulations are given for classical L 2 or L 2 spaces, as well as for H(grad),
   H(curl) and H(div) in order to obtain increased projection accuracy for the distributional
   derivatives. A Petrov-Galerkin method is presented to fill the test space using a bi-orthogonal
   basis, in order to reduce the computation cost of L 2 or L 2 Ritz-Galerkin projections. Practical
   implementation techniques are also discussed in detail with respect to their accuracy, speed
   and simplicity of their implementation. Subsequently, with energy-conserving formulations
   for electromagnetic fields, applications of mesh-to-mesh projections are demonstrated. The
   accuracy and efficiency of the presented projection methods are given through multi-physics
   problems. The thesis closes with some conclusions and possibilities for future work.
   
   Keywords: finite element methods, multi-physics, weak-coupling, magneto-mechanical,
   magneto-thermal, Galerkin method, field projection.

2. "Modélisation et Optimisation d'un Générateur Synchrone à Double Excitation de Forte Puissance"
   Aymen AMMAR, Ecole Centrale de Lille, Novembre 2013, url, résumé

   Résumé : Alliant flexibilité de contrôle et bon rendement, les Machines Synchrone à Double Excitation (MSDE) sont de plus en plus investiguées pour diverses applications de petites et moyennes puissances mais rarement pour des applications de fortes puissances. Cette thèse a pour objectif l’étude d’un Générateur Synchrone à Double Excitation (GSDE) de forte puissance. Un modèle de comportement a été établi. Des méthodes analytiques et semi-analytiques ont été utilisées pour la modélisation multi-physique de la machine. Ce modèle a été validé, dans un premier temps, par comparaison aux résultats d’un modèle éléments finis.
   Comparé à un Générateur Synchrone à Pôles Saillants (GSPS), le GSDE offre des solutions plus intéressantes énergétiquement et économiquement que ce soit en fonctionnement à vitesse constante ou à vitesse variable. Dans le cadre d’un fonctionnement en générateur éolien, l’augmentation du nombre d’encoches par pôle et par phase et l’augmentation de la fréquence d’alimentation contribuent à l’amélioration des performances du GSDE. Cependant il faudrait tenir compte des impacts sur l’électronique de puissance et le multiplicateur mécanique. De plus, la distribution de Weibull et le bon choix de la plage utile de variation de la vitesse du vent, jouent un rôle important sur le dimensionnement optimal du générateur éolien.
   Un prototype de GSDE d’une puissance d’1MVA a été dimensionné, optimisé et fabriqué. Tout d’abord, le prototype a servi à la validation du modèle multi-physique. Enfin, la réalisation des essais sur deux étapes (avant et après le collage des aimants permanents) a montré l’apport énergétique du GSDE par rapport au GSPS.
   Mots clés : Générateur Synchrone, Double Excitation, Modélisation, Optimisation, Dimensionnement, Prototype, Générateur Eolien.
   
   Abstract: The use of Hybrid Excitation Synchronous Machine (HESM) can widely be extended to any size of power applications in regards to its high efficiency and simplicity of flux control. The aim of this thesis consists to analyze different design constraints and develop optimization processes of a Hybrid Excitation Synchronous Generator (HESG).
   Analytical and lumped models were used with reasonable level of accuracy and minimum computation time. The model has been validated by comparing the result to those achieved by FEM. The study shows the technical and economical advantages of the use of HESG compare to the conventional Salient Pole Synchronous Generator (SPSG). The comparison between the two generator topologies was considered for constant and variable speed applications such as wind energy. The influence of several parameters such as frequency and the number of slot per pole and per phase was investigated. For the case of wind energy application the study shows the importance of Weibull distribution and the speed range when
   looking for the optimized generator. In order to validate the multi-physics model, a 1MVA HESG was considered and a prototype produced. To highlight the advantages and performances of HESG generator a test program was carried out into steps. A first set of tests have been made before bounding the permanent magnets and the second set of tests have been made after bounding the permanent magnets.
   Key words: Hybrid Excitation, Generator, Modeling, Optimization, Design, Prototype, Wind Turbine.

3. "Développement d'un outil d'investigation pour le diagnostic des phénomènes hautes fréquences dans des câbles électriques"
   Duc Quang NGUYEN, ENSAM, Novembre 2013, url, résumé

   Développement d’un outil d’investigation pour le diagnostic des
   phénomènes hautes fréquences dans des câbles électriques
   
   RESUME : Les travaux effectués pendant la thèse ont principalement porté sur la modélisation
   et le calcul du comportement haute-fréquence (HF) des câbles électriques. Ces phénomènes
   physiques mis en jeu combinent les effets capacitifs et inductifs ainsi que les effets de peau et
   de proximité. Pour prendre en compte ces effets, nous utilisons une approche basée sur des
   circuits équivalents à base aux paramètres linéiques qui varient en fonction de la fréquence. La
   détermination des éléments du schéma équivalent a été effectuée en résolvant des problèmes
   d’électrostatique et de magnétoharmonique en utilisant la méthode des éléments finis. Ensuite,
   nous avons travaillé sur la méthode des lignes de transport (TLM) associée à une approche
   modale pour déterminer les fréquences de résonance du système en tenant compte des
   interconnexions aux extrémités du câble. Nous avons mis en œuvre cette méthode pour
   plusieurs types de câble électrique : bifilaire blindé, blindé de 4 conducteurs, AC triphasée et
   enfin HVDC. Le comportement HF de ces câbles a été étudié en utilisant l’approche
   développée.
   
   Mots clés : câble, haute fréquence, méthode des éléments finis, méthode des lignes de
   transport, modale, effet de peau, effet de proximité, magnétoharmonique, électrostatique, câble
   HVDC.
   
   Development of an investigative tool for the diagnosis of high frequency
   phenomena in power cables.
   
   ABSTRACT : The thesis focuses on the modeling of the behavior of power cables in high
   frequency (HF). Different physical phenomena like inductive and capacitive effects as well as
   skin and proximity effects are combined. To account for these phenomena, we use an approach
   based on equivalent circuits with distributed parameters (linear resistances, capacitances and
   inductances) which are frequency dependant. The determination of the equivalent circuit
   parameters was performed by solving electrostatic and magnetoharmonic problems using the
   finite element method. Then, we apply the Transmission Lines Method (TLM) associated with a
   modal approach to determine the impedance of the cable in function of the frequency taking into
   account the interconnections to the ends of cable. We have implemented the proposed method
   and apply it for several types of electric cable: shielded 2 wires, shielded 4 wires, three phases
   AC and finally the HVDC cable. The HF behavior of these cables has been studied using the
   developed approach.
   
   Keywords : power cable, high frequency, finite element method, transmission lines method,
   modal, skin effect, proximity effect, magnetoharmonic, electrostatic, HVDC cable.

4. "(Français) Caractérisation et modélisation HF des matériaux magnétiques pour la conception des composants passifs des filtres CEM. (Anglais) HF characterization and modeling of magnetic materials for the passive components used in EMI filters."
   Carlos CUELLAR, Université de Lille, Octobre 2013, url, résumé

   (Français) Les commutations des interrupteurs dans les convertisseurs statiques sont à l’origine des principales perturbations faisant l’objet de la compatibilité électromagnétique (CEM). La réduction de ces perturbations se fait, entre autre, à l’aide de filtres CEM qui nécessitent l’utilisation de noyaux magnétiques. Ces noyaux doivent posséder des propriétés physiques adaptées pour assurer le bon fonctionnement du filtre CEM dans la gamme des hautes fréquences (HF), et ce, quel que soit les contraintes d’utilisation. Ainsi, dans ce travail, des méthodologies et des modèles sont développés afin de dimensionner le filtre CEM dans les conditions réelles de fonctionnement.
   Tout d’abord, le noyau magnétique est étudié pour de faibles signaux d’excitation en proposant une méthode de caractérisation de la perméabilité magnétique complexe en HF. Deux modèles, l’un analytique et l’autre en circuit équivalent, sont développés. Dans un second temps, le matériau est considéré saturable. C’est pourquoi, une approche non-linéaire est développée pour représenter le matériau, avec et sans hystérésis, tout en y incluant le comportement capacitif du matériau en HF. De plus, une méthode expérimentale, basée sur l’utilisation d’une spire plate, est proposée pour caractériser l’hystérésis magnétique.
   Enfin, une amélioration de la méthode d’injection de courant est proposée, notamment par l’utilisation de nouvelles sondes, pour caractériser l’impédance d’entrée d’un convertisseur. Cette impédance, combinée avec les modèles précédents de matériaux, sont utilisée pour déterminer la perte d’insertion d’un filtre CEM. Les résultats de simulations sont validés par la mesure expérimentale.
   
   (Anglais) The switching semiconductor devices in static-converters are the main source of electromagnetic interference (EMI). Reduction of these emissions can be achieved by different techniques including the use of EMI filters which design requires the use of magnetic cores. These must have adequate physical properties allowing the EMI filter to fulfill its task within a specified frequency range whatever the operating conditions (saturation, temperature…). Therefore, in the present work, some methodologies and models are developed in order to be able to design the EMI filter within its real conditions of operation.
   First, the magnetic core is considered in small-signal conditions and a method is proposed to measure the complex magnetic permeability in high frequency (HF). Two models, analytical and lumped-circuit network, are developed to account for the HF characteristics. In a second step, the material is considered saturable as the EMI filter can be subjected to more important currents, leading to the modification of its main characteristics. Then, a non-linear modeling approach, with and without hysteresis effect, including a material capacitance is considered for modeling the magnetic core. Additionally, a technique is proposed to characterize in HF the magnetic hysteresis loop from a single turn flat coil configuration.
   Finally, an improved current injection method, with new designed current probes, is used to characterize the input impedance of a converter. The impedance, combined with the developed small-signal and high-signal material models, is used to predict the insertion loss of an EMI filter. Simulation results are validated by the experiment.

1. "Approches multi‐niveaux pour la conception systémique optimale des chaînes de traction ferroviaire"
   Adrian Augustin POP, CLUJ-NAPOCA (EC LILLE), Décembre 2012, url, résumé

   Approches multi‐niveaux pour la conception systémique optimale des chaînes de traction
   ferroviaire
   
   Dans le contexte actuel de mondialisation des marchés, le processus classique de conception par essais et erreurs,
   traditionnellement employé par les ingénieurs, nʹest plus capable de répondre aux exigences de plus en plus accrues en
   termes de délais très courts, réduction des coûts de production, etc. Lʹoutil dʹoptimisation propose une réponse à ces
   questions, en accompagnant les ingénieurs dans la tâche de conception optimale.
   Lʹobjectif de cette thèse est centré sur la conception optimale des systèmes complexes. Deux approches dʹoptimisation
   sont abordées dans ce travail: lʹoptimisation par modèles de substitution et la conception optimale basée sur la
   décomposition des systèmes complexes.
   Lʹutilisation de la conception assistée par ordinateur (CAO) est devenue une pratique régulière dans l’industrie. La
   démarche dʹoptimisation basée sur modèles de substitution est destinée à répondre à lʹoptimisation des dispositifs avec ce
   genre de modèles coûteux de simulation, tels que les éléments finis (EF) en électromagnétisme. Lʹoptimisation multi‐objectif
   se présente comme un outil dʹaide à la décision, en aidant le concepteur à prendre une décision éclairée. Le calcul distribué
   est utilisé pour réduire le temps global du processus dʹoptimisation.
   Les systèmes dʹingénierie tels que les chaînes de traction ferroviaires sont trop complexes pour être traités comme un
   tout. Les stratégies dʹoptimisation basées sur la décomposition cherchent à répondre à la conception optimale de ces
   systèmes. Les approches de décomposition par modèle, discipline ou objet visent à distribuer la charge de calcul. Des
   stratégies de coordination multi‐niveaux sont utilisées pour gérer le processus dʹoptimisation. Ces approches permettent à
   chaque équipe de spécialistes de travailler sur leur expertise de façon autonome. Les techniques dʹoptimisation à base de
   modèles de substitution peuvent être intégrées dans les stratégies d’optimisation  multi‐niveaux, allégeant ainsi la charge de
   calcul.
   Les approches dʹoptimisation développées au sein de ce travail sont appliquées pour résoudre plusieurs problèmes
   dʹoptimisation électromagnétiques, ainsi que la conception optimale d’un système de traction ferroviaire de la Société
   Alstom.
   
   Mots‐clés : ‐ Conception optimale des systèmes électromagnétiques
   ‐ Optimisation par modèles de substitution
   ‐ Conception optimale de systèmes basée sur décomposition
   ‐ Optimisation multi‐niveaux
   ‐ Chaîne de traction ferroviaire
   
   Multi‐level approaches for optimal system design in railway applications
   
   Within a globalized market context, the classical trial‐and‐error design process traditionally employed by engineers is no
   longer capable of answering to the ever‐growing demands in terms of short deadlines, reduced production costs, etc. The
   optimization tool presents itself as an answer to these issues, accompanying the engineers in the optimal design task.
   The focus of this thesis is centered on the optimal design of complex systems. Two main optimization approaches are
   addressed in this work: the metamodel‐based design optimization approach and the decomposition‐based complex systems
   optimal design.
   The use of computer‐aided design/engineering (CAD/CAE) software has become a regular practice in the engineering
   design process. The metamodel‐based optimization approach is intended to address the optimization of devices represented
   by such computational expensive simulation models, as the finite element analysis (FEA) in electromagnetics. The multi‐
   objective optimization stands as a decision‐making support tool, helping the design engineer make an informed decision.
   The distributed computation is employed to reduce the overall time of the optimization process.
   Engineering systems such as railway traction systems are too complex to be addressed as a whole. The decomposition‐
   based optimization strategies are intended to address the optimal design of such systems. Model, discipline or object‐based
   decomposition approaches intend to distribute the computational burden across the system. Multi‐level coordination
   strategies are used to manage the optimization process. Each team of specialists can work independently at the object of their
   expertise. The metamodel‐based optimization techniques can be integrated within the multi‐level decomposition‐based
   strategies, reducing the computational burden.
   The optimization approaches developed in this work are applied for solving several electromagnetic optimization
   problems and a railway traction system optimal design problem of the Alstom Company.
   
   Keywords:
   ‐ Optimal design of electromagnetic devices
   ‐ Metamodel‐based optimization
   ‐ Decomposition‐based complex systems optimal design
   ‐ Multi‐level optimization
   ‐ Railway traction system

2. "Conception optimale et multi-physique de composants passifs pour le sous-système auxiliaire ferroviaire"
   Mathieu ROSSI, EC LILLE, Décembre 2012, url, résumé

   CONCEPTION OPTIMALE ET MULTI-PHYSIQUE DE COMPOSANTS
   PASSIFS DE PUISSANCE EXPLOITES DANS LE DOMAINE
   FERROVIAIRE
   
   La tendance actuelle des équipements électriques ferroviaires est une concentration de matériels
   dans des volumes de plus en plus faibles et pour des puissances de plus en plus élevées. Ce progrès
   est permis par des composants à fort rendement (IGBT) qui ont la caractéristique de générer des
   pertes harmoniques importantes dans les composants magnétiques, provoquant du bruit à forte
   composante tonale. En conséquence, les cahiers des charges deviennent de plus en plus drastiques et
   augmente la difficulté de conception optimale des transformateurs et inductances. C’est pourquoi il
   est nécessaire de développer des modèles multi-physiques afin d’intégrer les différents phénomènes
   tels que la thermique, le bruit ou les effets de la PWM. Cette thèse porte plus précisément sur le
   dimensionnement optimal des transformateurs et inductances présent dans les convertisseurs
   auxiliaires ferroviaires. L’intérêt de la mise en place d’une boucle d’optimisation sur un modèle multiphysique
   est montré.
   Pour cela il est important de développer des modèles possédant un bon compromis entre le temps de
   calcul et la précision. Dans cette thèse, seule les composants magnétiques refroidis par une ventilation
   forcée sont étudiés. Un modèle thermique 3D semi-analytique couplé avec un modèle
   électromagnétique est utilisé. Le choix de l’optimiseur s’est porté sur l’algorithme NSGA-II
   permettant d’effectuer des optimisations multi-objectifs (poids et pertes) en incluant des contraintes
   thermiques. Pour finir une étude de sensibilité est effectuée grâce à une méthode de plan d’expérience
   afin de juger de la robustesse des solutions optimales.
   
   Mots clés : Conception optimale, Optimisation, Thermique, Multi-physique, Transformateur, Inductance,
   Ferroviaire.
   
   OPTIMAL AND MULTI-PHYSIC DESIGN OF INDUCTORS –
   TRANSFORMER ASSOCIATED TO RAILWAY APPLICATION.
   
   Nowadays, power converters in railway domain are more and more compact and powerful. This
   progress is due to the use of fast efficient components, working at high frequency like IGBT. But this
   evolution generates many harmonic losses in different components as inductors or transformers, and
   complicates their design. In addition, for the design stage, acoustics comfort is an increasingly
   important factor. Hence, it is necessary to develop multi-physic models in order to integrate different
   phenomena as the PWM effects, the temperature, and the noise. These models are coupled to an
   optimization tool in order to define the design rules of passive components: inductors or transformers
   coupled with inductor for the railway application
   It’s necessary to develop fast models with a good compromise between the accuracy and field
   calculations. In this thesis, only transformers and inductors with an air forced cooling are studied. A
   3D thermal model based on a nodal network linked to electromagnetic model is used. In order to
   optimize this structure, NSGA-II algorithm is chosen. Some global optimizations, with respect to
   several objectives (weight and losses), including thermal constraint are finally presented.
   Experimental design method is applied to know how these response functions behave in the
   neighborhood of the optimal point.
   
   Keywords: Optimal design, Optimization, Thermal phenomena, multi-physic models, transformer,
   inductor, railway domain.

3. "CONTRIBUTION A LA PRISE EN COMPTE DES PERTES FER DANS LA MODELISATION DES MACHINES ELECTRIQUES PAR ELEMENTS FINIS"
   Mircea FRATILA, Lille, Décembre 2012, url, résumé

   Résumé
   La prise en compte des pertes fer dans les machines électriques est une étape cruciale lors du processus de conception. L’objectif de ce travail a donc été de valider l’implémentation d’un modèle de pertes fer tout en effectuant une modélisation précise des machines électriques étudiées. Le choix s’est porté sur l’utilisation de modèles de calcul des pertes en post-traitement d’un code par éléments finis. Ainsi, différents modèles analytiques ont été comparés en régime sinusoïdal et non sinusoïdal (sans cycles mineurs) en termes de précision, afin de choisir le plus adapté pour une implantation dans code_Carmel. Par ailleurs, nous avons montré que la prise en compte des cycles mineurs peut être améliorée en remplaçant le terme classique de Steinmetz par un modèle d’hystérésis ou par un modèle analytique adapté. L’implémentation et la précision du modèle analytique ont été évaluées d’abord sur des systèmes simples puis sur plusieurs machines tournantes. La comparaison des résultats simulés avec les mesures issues des essais à vide montre une bonne concordance et démontre la capacité du modèle à estimer les pertes fer avec une bonne précision pour une large gamme de machines électriques et pour les deux types d’alimentations utilisés (sinusoïdale et MLI).
   
   Mots-cles : pertes fer, hystérésis, modèle analytique, machines électriques, méthode des éléments finis, validation expérimentale.

4. "Machines électriques intégrées à des hélices marines : contribution à une modélisation et conception multi-physique"
   Laurent DROUEN, A&MParisTech, IRENav/ L2EP, Décembre 2012, url, résumé

   MACHINES ELECTRIQUES INTEGREES A DES HELICES MARINES
   CONTRIBUTION A UNE MODELISATION ET CONCEPTION MULTI-PHYSIQUE
   RESUME : L’objet des présents travaux est d’étudier, à la lumière d’une modélisation multiphysique,
   une association hélice / machine électrique innovante où la machine synchrone à
   aimants permanents et à flux radial est déportée en périphérie d’hélice. Cette technologie dite
   « Rim Driven » est envisagée pour la propulsion comme pour la récupération de l’énergie
   cinétique des courants. Dans la continuité d’une étude bibliographique exhaustive, il nous
   apparait essentiel de chercher à cerner plus finement les spécificités et les domaines
   d’application potentiels de telles structures. Un outil analytique de pré dimensionnement
   systématique robuste, rapide et de bonne précision est ainsi développé. Une approche multiphysique
   est privilégiée afin d’englober l’ensemble des phénomènes susceptibles d’influencer
   les performances globales du système. Elle fait intervenir des modèles d’ordre
   électromagnétique, thermique et hydrodynamique. Certains sont spécifiquement
   développés pour la structure Rim Driven qui présente quelques particularités intéressantes telles
   qu’une longueur axiale courte ou un entrefer épais et immergé. Les hypothèses conditionnant
   leur validité sont par ailleurs discutées. Plusieurs cahiers des charges sont ensuite étudiés : les
   performances et conditions de fonctionnement pour ces différentes applications sont mises en
   évidence et analysées. La structure Rim Driven est par ailleurs comparée à une structure de
   référence en nacelle de type POD. Finalement, c’est l’idée même d’un modèle multi-physique
   couplé qui est analysée et pour laquelle nous cherchons à appréhender la pertinence par
   rapport à une approche séquentielle plus classique. Les résultats obtenus révèlent que, dans un
   certain nombre de cas, une telle approche peut être pertinente. En dernier lieu, la conception et
   la fabrication d’une petite maquette développée en parallèle de la présente étude est décrite
   dans la perspective d’essais en bassin au cours de l’année 2011.
   Mots clés : hélice, propulsion, hydroliennes, machine à aimants permanents, entraînement
   périphérique, modèle analytique, approche multi-physique.
   ELECTRICAL MACHINES FITTED TO A MARINE PROPELLER OR TURBINE
   CONTRIBUTION TO A MODELING AND MULTIPHYSIC DESIGN
   ABSTRACT : The present works aim at studying, within the frame of a multi-physical modeling,
   an innovative system where the blades of a propeller or a marine turbine are rim driven by a
   synchronous permanent magnet and radial flux electrical machine. Both applications are
   considered : a propeller for naval propulsion and a turbine for the extraction of currents kinetic
   energy. After an extensive bibliographic analysis, it is considered necessary to investigate more
   in details the specificities and potential application areas of theses structures. A robust, fast and
   fairly precise analytical tool for the systematic pre dimensioning of these systems is thus put in
   place. The model is of mutiphysic order such that most of the phenomenons that potentially have
   an impact on the performances of the system are considered. The models are of different
   natures : electromagnetic, thermal and hydrodynamical. Some of them are specifically built in
   order to take into account some of the studied structure specificities : a short axial length or a
   large immersed gap. The conditions of validity of these models are discussed. Several sets of
   specification are then considererd : the performances and working conditions are calculated and
   analysed. In parallel, the rim driven system is compared to a more traditionnal POD structure.
   The principle of a multiphysic approach is also analysed in order to understand the real interest
   of such an approach compared to a more traditional sequential one. Some of the results show
   that this tool may be of real relevance. Finally, the design and manufacture of a small prototype
   are described. They will be followed by a program of tests that is scheduled for 2011.
   Keywords : propeller, marine turbine, permanent magnet machines, rim driven, analytical
   model, multiphysic approach.

5. "Modélisation multi-physique par modèles à constantes localisées. Application à une machine synchrone à aimants permanents en vue de son dimensionnement"
   Nicolas BRACIKOWSKI, EC LILLE, Novembre 2012, url, résumé

   Résumé : Afin de définir une conception optimale d’un système électromécanique, celui-ci doit intégrer des contraintes toujours plus drastiques et de nombreux phénomènes physiques issus de : l’électromagnétique, l’aérothermique, l’électronique, la mécanique et l’acoustique. L’originalité de cette thèse est de proposer une modélisation multi-physique pour la conception reposant sur des modèles à constantes localisées : solution intermédiaire entre la modélisation analytique et numérique. Ces différents modèles permettront l’étude et la conception sous contraintes d’une machine synchrone à aimants permanents dédiée pour la traction ferroviaire. Les résultats de simulations seront comparés à des résultats éléments finis mais aussi à des essais expérimentaux. Ce modèle multi-physique est entièrement paramétré afin d’être associé à des outils d’optimisation. On utilisera ici une optimisation par essaim de particules pour chercher des compromis entre différents objectifs sous forme de Front de Pareto. Dans ce papier, nous ciblerons les objectifs suivants : le couple d’origine électromagnétique et le bruit d’origine électromagnétique. Finalement une étude de sensibilité valide la robustesse de la conception retenue quand celle-ci est soumise aux contraintes de fabrication. L’objectif étant de poser les bases d’un outil d’aide à la décision pour le choix d’une machine électrique:
   
   Mots-clefs : Machine synchrone à aimants en surface, modèle à constantes localisées, modèle multi-physique, bruit d’origine électromagnétique, couple d’origine électromagnétique, optimisation multi-objectif, algorithme par essaim de particules, études de sensibilité.
   
   Abstract : In order to perform an optimal design of electromechanical system, the designer must take into account ever more stringent constraints and many physical phenomena from electric, magnetic, aeraulic, thermic, electronic, mechanic and acoustic. The originality of this thesis is to put forward a multi-physic design based on lumped models: halfway between analytical and numerical modeling. These models allow sizing a permanent magnet synchronous machine under constraints for rail traction. The results are validated with finite element simulations and experimental analysis. The multi-physic modeling is fully automated, parameterized, in order to combine the model with the optimization tool. We used here particle swarm optimization to search compromises between several objectives (Pareto Front). In this paper, we focus on electromagnetic torque and electromagnetic noise. Finally a sensitive study validates the robustness of selected design when it is subjected to manufacturing constraints. The aim of this work is to propose a decision tool to size electrical machines
   
   Key words: Magnet synchronous machine surface model, lumped model, multi-physical model, electromagnetic noise, electromagnetic torque, multi-objective optimization, particle swarm algorithm, sensitive studies.

6. "Estimateurs d’erreur a posteriori résiduels en éléments finis pour la résolution de problèmes d'électromagnétisme en formulations potentielles"
   Zuqi TANG, Université Lille 1, Novembre 2012, url, résumé

   Résumé
   Ce travail s’intéresse à la résolution numérique par éléments finis des équations de Maxwell en régime quasi-stationnaire et en formulations potentielles. L’objectif poursuivi consiste à développer des estimateurs d’erreur a posteriori résiduels, afin de contrôler l’erreur de discrétisation spatiale, dans le cadre d’applications en régime statique ou en régime dynamique harmonique.La première partie de cette thèse est composée de deux chapitres. Le premier est consacré à la modélisation des phénomènes physiques étudiés et à l’obtention des équations mathématiques en résultant. Dans le second, on présente les estimateurs a posteriori et leur intérêt dans le cadre de la mise en oeuvre de la méthode des éléments finis. On détaille notamment les notions de fiablité et d’efficacité d’un estimateur. La deuxième partie se décompose en trois chapitres. Le premier développe l’estimateur a posteriori dans le cas de la magnétostatique en formulation potentielle vecteur A. Les outils mathématiques nécessaires à l’étude sont en particulier détaillés. L’estimateur obtenu est alors validé sur quelques cas tests académiques. Le deuxième traite de l’estimateur a posteriori pour la formulation magnétodynamique en potentiel A/φ en régime harmonique. Un soin particulier est apporté pour générer une décomposition de Helmholtz ad hoc permettant d’obtenir la fiabilité de l’estimateur. Plusieurs configurations sont traitées en fonction de la position du domaine conducteur dans le domaine de calcul et des conditions aux limites associées. Un test numérique est ensuite effectué. Le troisième chapitre est consacré à l’estimateur d’erreur a posteriori pour la formulation T/Ω en régime harmonique pour le problème de la magnétodynamique, en supposant le domaine conducteur simplement connexe. Similairement à la formulation A/φ, une décomposition de Helmholtz est développée pour établir la fiabilité. Une validation numérique est proposée. Enfin, la troisième partie présente une batterie de tests numériques applicatifs et industriels permettant de tester les estimateurs développés dans des conditions réelles. Celle-ci se termine notamment par une application de EDF R&D ayant pour objet le contrôle non destructif par courant de Foucault de tubes générateurs de vapeur.
   
   abstract
   We are interested in resolving the Maxwell equations in the case of quasi-stationary and potential formulations when the finite element method is used. The aim of this work is to develop residual-based a posteriori estimators to control the spatial discretization error in magnetostatic and magnetodynamic problems. The first part is decomposed in two chapters. In the first one, the modeling of the physical phenomena involved are proposed and the mathematical equations are derived. Then, in the second one, the definition of the a posteriori estimators and their interest are presented in the context of the finite element method. The particular notions of reliability and efficiency of an estimator are presented. The second part can be decomposed into three chapters. In the first one, a residualbased a posteriori estimator for the vector potential formulation A in the case of magnetostatic problems is developed. Some necessary mathematical tools for the study are particularly detailed. The estimator is then validated by some academic tests. In the second chapter, a residual-based a posteriori estimator for the A/φ magnetodynamic harmonic formulation is developed. An ad-hoc Helmholtz decomposition is derived to obtain the reliability of the estimator. Several configurations are considered according to the position of the conductor domain in the computational domain as well as boundary conditions used. A numerical test is then performed. In the third chapter, a residual-based a posteriori estimator is derived for the T/Ω magnetodynamic harmonic formulation, when the conductor domain is simply connected. Similarly to the A/φ formulation, an ad-hoc Helmholtz decomposition is developed to establish the reliability. A numerical validation is proposed.Finally, in the third part, a set of numerical experiments and industrial applications are presented to evaluate our estimators. It ends with a particular application of EDF R&D focusing on the eddy current non-destructive evaluation of steam generator tubes.

7. "Vers une conception optimale des chaînes de traction ferroviaire"
   Martin CANTEGREL, EC LILLE, Octobre 2012, url, résumé

   Résumé
   Cette thèse aborde la conception optimale des chaînes de traction par l'exemple d'une chaîne de traction pour métro. Les données d'entrée de la conception d'une chaîne de traction sont la performance attendue et l'encombrement des équipements nécessaires. Pour aider le concepteur, l'outil informatique donne aujourd'hui la possibilité de construire une grande variété de modèles. D'autre part, les algorithmes d'optimisation permettent de trouver les configurations optimales. Ces possibilités ont été exploitées au cours de ce travail. Les modèles développés permettent d'estimer un large nombre de critères. A travers l'exemple de ces modèles, la méthode de conception suivie est détaillée dans le rapport. D'un point de vue technique, la chaîne de traction proposée est détaillée dans le dernier chapitre
   
   abstract
   This thesis deals with the optimal design of electric drivetrains. A drivetrain for metro is taken as an example. The input data for the design are the expected performance and the size of the required equipments.To assist the designer, the computing tool now gives the opportunity to build different sort of models. In addition, optimization algorithms allow finding optimal configurations. This work is an attempt to exploit these possibilities. The design models are used to value a large number of criteria. Through the example of these models, the design method followed is detailed in the document. From a technical point of view, the proposed drivetrain is detailed in the last chapter

8. "Approches multi‐niveaux pour la conception systémique optimale des chaînes de traction ferroviaire"
   Alexandru Claudiu BERBECEA, EC LILLE, Octobre 2012
9. "Modélisation stochastique de la variabilité des propriétés magnétiques des matériaux ferromagnétiques:application sur des stators de machines électriques"
   Rindra RAMAROTAFIKA, A&M ParisTech, Septembre 2012
10. "Eco-conception d’une chaine de traction ferroviaire"
    Ramzi BEN AYED, EC LILLE, Juin 2012
11. "Propagation d’incertitudes dans les modèles éléments finis en électromagnétisme- Application au contrôle non destructif par courants de Foucault "
    Karim BEDDEK, A&MParisTech, Juin 2012
12. "Contribution à la modélisation de tests de diagnostic de courts-circuits entre tôles dans les stators de turboalternateurs"
    Juliana-Luisa MÜLLER, Co-tutelle Université des Sciences et Technologies de Lille, Université Fédérale de Santa Catarina, Brésil, Mai 2012
13. "Résolution numérique en électromagnétisme statique de problèmes aux incertitudes géométriques par la méthode de transformation : Application aux machines électriques"
    D MAC, A&M ParisTech, Mars 2012

1. "Contribution à la détection de défauts dans les rotors des turboalternateurs"
   Bruno TANNO-IAMAMURA, Co tutelle Université des Sciences et Technologies de Lille, Université Fédérale de Santa Catarina, Brésil, Décembre 2011
2. "Conception Optimale d’un Moteur Linéaire à Induction pour le Système de Traction Ferroviaire"
   Jinlin GONG, EC LILLE, Octobre 2011
3. "Conception optimale des moteurs à réluctance variable à commutation électronique pour la traction des véhicules électriques légers "
   Dan ILEA, CLUJ-NAPOCA (EC LILLE), Mars 2011
4. "Contribution à la modélisation des systèmes électromagnétiques: étude de méthodes de recollement de maillages"
   Mathieu AUBERTIN, Université Lille1, Janvier 2011

1. "Contribution à la modélisation déterministe et stochastique du phénomène de pull-in dans les MEMS à actionnement électrostatique"
   Francisc BOLONI, Université Lille 1, Novembre 2010
2. "Systèmes de suspension semi-active à base de fluide magnétorhéologique pour l’automobile"
   Hussein SLEIMAN, A&M ParisTech, Juin 2010
3. "Contribution à l’Etude et la Commande de Génératrices Asynchrones à Cage Dédiées à des Centrales Electriques Eoliennes Autonomes"
   Kassa IDJDARENE, Université Lille 1, 11-2010, Mai 2010

1. "Caractérisation et modélisation causale d’un frein à liquide magnétorhéologique en vue de sa commande "
   Richard DEMERSSEMAN, A&M ParisTech, Septembre 2009
2. "Multi-level and multi-objective design optimization tools for handling complex systems"
   Fouzia MOUSSOUNI, EC LILLE, Juillet 2009
3. "Problèmes Combinatoires et Modèles Multi-Niveaux pour la Conception Optimale des Machines Electriques"
   Tuan-Vu TRAN, EC LILLE, Juin 2009
4. "Contribution à la modélisation 3D des systèmes électromagnétiques basse fréquence à l’aide de la méthode d’intégration finie (FIT)"
   Julien KORECKI, Université de Lille, Mai 2009, url, résumé

   C ONTRIBUTION A LA MODELISATION 3D DES SYSTEMES ELECTROMAGNETIQUES BASSE
   FREQUENCE A L ’ AIDE DE LA METHODE D ’ INTEGRATION FINIE (FIT)
   
   Résumé : La méthode des éléments finis (MEF) est la méthode la plus utilisée pour
   résoudre numériquement des problèmes rencontrés en mécanique, en thermique, en
   électromagnétisme, etc. Dans le domaine du génie électrique elle permet de réaliser la
   simulation de dispositifs électromagnétiques avec une grande précision. Cependant,
   devant les capacités grandissantes des outils de calcul, on est amené à modéliser des
   systèmes de plus en plus complexes. Paradoxalement, devant les temps de calcul impor-
   tants que cela engendre, l’intérêt des industriels se porte sur des méthodes alternatives
   permettant d’obtenir des résultats plus rapidement.
   Les travaux menés durant cette thèse se sont portés sur l’étude d’une méthode alter-
   native, la technique d’intégration finie (FIT). Cette méthode permet d’obtenir un bon
   compromis entre rapidité des temps de calcul et qualité de la solution. À travers des
   problèmes d’électrocinétique, de magnétostatique et de magnétodynamique, il est mon-
   tré, avec ces travaux, que les résultats obtenus à l’aide de la FIT sont de bonnes qualités
   comparés à la méthode des éléments finis. Des outils appliqués à l’imposition des gran-
   deurs globales électriques et magnétiques sont aussi présentés dans ce travail.
   
   Mots clefs : Technique d’intégration finie, modélisation électromagnétique, électrociné-
   tique, magnétostatique, magnétodynamique, grandeurs globales.
   
   CONTRIBUTION TO THE 3D MODELLING OF LOW FREQUENCY ELECTROMAGNETIC
   SYSTEMS USING FINITE INTEGRATION TECHNIQUE (FIT)
   
   Abstract : To solve numerically the mechanics, thermals and magnetodynamics prob-
   lems, the finite element method is the most used. In electrical engineering, this method
   allows the simulation of electromagnetic devices with a great accuracy. However, in
   spite of growing capacity of the computers, the studied models become more and more
   complicated. From an industrial point of view, these computation times are not accept-
   able. Therefore, a fast and reliable numerical tool is necessary.
   The developments realized during this thesis concern an alternative method, the fi-
   nite integration technique. This method allows finding a compromise between computa-
   tion times and accuracy. For the cases of electrokinetics, magnetostatics and magneto-
   dynamics, simulations using FIT proved that results are accurate. Mathematical tools
   used to impose the electric and magnetic quantities.
   
   Keywords : Finite integration technique, electromagnetic modeling, electrokinetic,
   magnetostatic, magnetodyynamique, global quantities.

5. "Une approche orientée modèle pour la parallélisation d’un code de calcul éléments finis"
   Julien TAILLARD, Université des Sciences et Technologies de Lille, Février 2009

1. "Regles de conception silencieuse d’une machine asynchrone dédiée pour la traction ferroviaire"
   Jean LE BESNERAIS, EC LILLE, Décembre 2008
2. "Modélisation et conception optimale pour les applications ferroviaires"
   Sangkla KREUAWAN, EC LILLE, Novembre 2008
3. "Mise en œuvre d’une technique de projection de grandeurs discrètes: application aux couplages magnétothermique et magnétomécanique"
   Guillaume PARENT, Co-tutelle Université des Sciences et Technologies de Lille, Université de Liège, Octobre 2008
4. "Contribution à la modélisation numérique en électromagnétisme statique stocahstique"
   Roman GAIGNAIRE, A&M, Mars 2008

1. "Contribution à la modélisation multi-physique: électro-vibro-acoustique et aérothermique de machines de traction"
   Aurélie FASQUELLE, , Novembre 2007, résumé

   Le développement important ces dernières années du secteur du transport s’est accompagné d’une inquiétude accrue pour le respect de l’environnement. Bien que le transport ferroviaire présente une efficacité énergétique élevée, il n’en est pas pour autant dénué de nuisances environnementales. L’intégration du développement durable lors de la conception optimale de machines électriques devient alors indéniable. Cela impose de tenir compte simultanément d’un grand nombre de phénomènes physiques. Cette thèse a alors pour objectif de mettre en avant une méthodologie de conception en accord avec la volonté actuelle d’optimisation économique et écologique. Un modèle multi-physique a alors été développé dans le but de représenter les phénomènes électromagnétiques, vibro-acoustiques et aérothermiques dans un moteur asynchrone fermé auto-ventilé dédié à la traction ferroviaire. Ce modèle est en fait composé de plusieurs modèles, analytiques ou semi-analytiques, interagissant entre eux. Chaque modèle représente des phénomènes physiques spécifiques. Un intérêt particulier a été porté au modèle aérothermique et au modèle de pertes, notamment pour la modélisation des pertes au sein du circuit magnétique. Bien qu’ils soient tous deux analytiques, le développement de ces deux modèles a fait appel à des études numériques préalables. L’efficacité du modèle multi-physique et son respect des tendances d’évolution ont pu être mis en évidence par une comparaison avec des résultats d’essais expérimentaux sur moteur réel et par une analyse de l’influence des incertitudes.

2. "Etude, conception et réalisation d’un actionneur électromagnétique à mouvements linéaire et rotatif"
   Guillaume KREBS, Université des Sciences et Technologies de Lille, USTL, Juin 2007, résumé

   L’environnement industriel très compétitif nécessite de plus en plus de convertisseurs électromécaniques pour des applications spécifiques, souvent à entraînement direct. Les travaux menés s’inscrivent dans ce contexte et ont eu pour objectif l’étude, la conception et la réalisation d’un actionneur électromagnétique à mouvements linéaire et rotatif ( l&r) à partir d’un cahier des charges industriel.
   Le premier chapitre est dédié à un état de l’art des diverses structures pouvant répondre au cahier des charges. Une structure synchrone à aimants permanents et stator denté est retenue. Les champs d’induit linéaire et rotatif étant générés au travers de bobinages spécifiques, la suite du chapitre traite de l’alimentation de ces bobinages et de la validation théorique de la conversion électromécanique choisie.
   Dans le second chapitre, un actionneur plan x-y est dimensionné à l’aide d’un modèle à réseau de réluctances. Ce dispositif est ensuite étudié par un modèle numérique en 3D et un prototype construit. Les diverses comparaisons ont montré la validité du principe retenu pour créer les deux mouvements ainsi que celle des modèles de dimensionnement et d’étude.
   La troisième partie du mémoire est consacrée à la réduction des forces de détente inhérentes à ce genre de structure. En se basant sur un actionneur linéaire, une première approche, simple, utilisant un modèle analytique, est appliquée. Une seconde approche, basée sur un modèle éléments finis 2D, plus précise, est également utilisée. Les résultats qui en sont issus sont validés par un modèle éléments finis 3D et sur un prototype qui a été construit. Enfin, une stratégie d’autopilotage est proposée et simulée pour l’alimentation de l’actionneur linéaire.
   Le dernier chapitre est consacré à l’actionneur l&r. Utilisant les modèles et résultats précédents, un prototype est dimensionné et fabriqué. Ses performances sont quantifiées par des modèles EF 3D et comparées aux mesures. Le prototype testé permet de décrire les trajectoires demandées dans le cahier des charges. Enfin, une stratégie d’autopilotage, mettant en œuvre des capteurs à effet Hall, est proposée et simulée.

1. "Conception et modélisation d’une machine synchrone à 7 phases à aimants permanents et flux axial : commande vectorielle en modes normal et dégradé"
   Fabrice LOCMENT, Université des Sciences et Technologies de Lille, Décembre 2006, résumé

   Pour les entraînements à vitesse variable, la machine électrique n’étant plus directement couplée au réseau triphasé, le choix du nombre de phases peut être reconsidéré. On s’intéresse dans la thèse à la conception d’entraînements comportant des machines synchrones à aimants permanents à pôles lisses et non saturées mais à plus de trois phases. L’objectif est d’examiner simultanément les contraintes liées à la machine et à l’ensemble onduleur de tension/commande dans le but de réaliser un ensemble polyphasé performant. Les travaux développés dans cette étude explorent la possibilité spécifique des machines polyphasées de posséder des harmoniques spatiaux de force magnétomotrice et de force électromotrice tout en présentant des couples pulsatoires de très faible amplitude tant en mode normal que dégradé avec une ou deux phases non alimentées. Dans le chapitre II, pour une structure de bobinage imposée, nous examinons lors de la conception d’une machine à 7 phases à flux axial à double rotor l’effet d’une modulation des forces électromotrices en jouant sur la nature et la distribution des aimants permanents sur les rotors. Dans le chapitre III, une comparaison entre résultats expérimentaux et résultats obtenus par approches analytique et numérique (calcul 3D) est effectuée. Elle permet de valider l’approche analytique multi-harmoniques et met en exergue l’apport du calcul numérique. Dans le chapitre IV, une structure de commande est élaborée par inversion causale et une commande vectorielle est décrite et implantée expérimentalement pour un fonctionnement en mode normal ou dégradé.

1. "Contribution to the simulation of movement in 3D with the finite element method, application to model the electrical machines"
   Xiaodong SHI, Thèse de Doctorat, Décembre 2005, url, résumé

   The finite element method is usually used for modeling the electromagnetic devices. In 3D, the simulation movement hasn’t been completely solved.
   In our work, we have studied, developed and compared seven methods of simulation movement. We propose to classify these methods by two groups: those concerned a slipping surface and those concerned a sticking volume. In order to validate the techniques, we have verified continuities of local variables with an academic model, also qualified global variables by modeling a permanent magnet machine.
   Finally, a turbo-alternator of EDF has been modeled. With the help of a mesh 2D extruded, under the condition of no-load tests and then load tests, the results obtained with different movement methods have been compared. In 3D mesh, when taking into account of the winding heads, we have developed a hybrid movement method. The calculated results have been compared with the measures.

1. "Contribution à la prise en compte des grandeurs globales dans les problèmes d’électromagnétisme résolus avec la méthode des éléments finis "
   Thomas HENNERON, , Décembre 2004

1. "Contribution à la caractérisation et à la modélisation de matériaux magnétiques en vue d’une implantation dans un code de calcul de champ"
   Abdelkader BENABOU, Université des Sciences et Technologies de Lille, Décembre 2002

1. "Outil et Méthodologie pour la conception des Moteurs à Réluctance Variable à Double Saillance"
   Stéphane BRISSET, Université des Sciences et Technologies de Lille, Janvier 1995, résumé

   Nous étudions un moteur à réluctance variable à double saillance avec quatre dents statoriques et deux dents rotoriques dont les deux phases sont câblées en demi-pont asymétrique. Son nombre de phase étant faible, le démarrage pose problème et nécessite l’élaboration d’une loi de commande complexe pour compenser la simplicité du capteur de position constitué d’une roue dentée et d’une fourche optique.
   Un modèle éléments finis couplé électronique-magnétique-cinématique est alors construit, validé puis utilisé pour résoudre les problèmes liés au démarrage.
   De plus, les cotations de la géométrie du moteur et les instants de commutation des interrupteurs doivent être déterminés pour satisfaire au mieux le problème de conception formulé au moyen d’un cahier des charges.
   Une méthodologie est proposée pour résoudre les problèmes de conception des dispositifs électromagnétiques. Elle consiste, dans un premier temps, à exprimer le problème de conception dans un formalisme mathématique puis, dans un deuxième temps, à appliquer des méthodes d’optimisation pour le résoudre.
   L’outil qu’est le modèle éléments finis et la méthodologie de résolution du problème de conception sont ensuite utilisés conjointement pour l’optimisation d’un moteur à réluctance variable à double saillance.

2. "Contribution à la modélisation des systèmes électrotechniques par la méthode des schémas équivalents magnétiques. Application à l’alternateur automobile"
   Michel HECQUET, Université des Sciences et Techniques de Lille, Janvier 1995

1. "Contribution à la commande vectorielle de machines à réluctance variable. Prise en compte de l’amortissement et de la saturation"
   Abdelmounaïm TOUNZI, , Février 1993