Academic literature on the topic 'Bobinages des machines électriques'

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
Squirrel cage induction machines (IM) are reliable, robust and low cost manufacturing electrical machines. For historical and reliability reasons, they are mainly equipped with distributed stator windings. However, even if the latter ensure very satisfactory operation, they have significant end-coils lengths, which generate non-negligible Joule losses. Recently, different fractional slot concentrated windings (FSCW) with reduced end-coils have been used in synchronous machines with interesting performances. In addition to reducing stator Joule losses, these windings enable to design machines that are more compact and fault tolerant. Their use is less common in IM due to the problems induced by spatial harmonics in the magneto motive force when supplied. The aim of this work is to find the best way to use FSCW windings in IM while ensuring good performances. A detailed analysis is first carried out to precisely understand the physical phenomena associated with the use of FSCW in induction machines both in steady state and during start-up. A parametric analytical model of a squirrel cage induction machine was then developed. This model enables to design FSCW windings with a controlled spatial harmonic content but also rotors with different numbers of bars that are equidistant or not. On the basis of this tool, optimizations were carried out both on the stator and its winding and on the rotor structure, showing that it is possible to achieve "uncommon" structures with satisfactory performance. Finally, a fractional slot concentrated winding IM with an innovative rotor cage was developed. Its performance in terms of the developed torque was evaluated through numerical simulations and tests carried out on a prototype

Ce travail de thèse traite de la détection des défauts de bobinages au stator dans les machines électriques contenant une structure d'amortissement. Les courts-circuits entre spires d'un même enroulement sont souvent la prémisse de l'apparition d'autres défauts de bobinages dont les conséquences sont plus sévères. La précocité de détection est donc essentielle pour préserver les machines et leur environnement humain ou matériel. Dans cet ouvrage, nous proposons une solution innovante de discrimination des courts-circuits basée sur la redondance de signaux mesurés au rotor. Pour définir celle-ci, une modélisation d'ordre élevé combinant l'approche des éléments finis et celle des circuits couplés a été employée. La première est utilisée pour déterminer les paramètres (couplages magnétiques) exploités par la seconde qui n'est autre que le modèle comportemental. Comme l'inconvénient de cette combinaison d'approches est le temps utile à l'identification des couplages magnétiques et sachant que diverses configurations de bobinage doivent être modélisées, une nouvelle méthodologie d'identification a été développée. Après une première identification (éléments finis) à temps réduit, celle-ci offre la possibilité d'estimer les paramètres d'une configuration de bobinage souhaitée sans réutilisation de la résolution par éléments finis. En plus de son exploitation pour mettre en œuvre le procédé de détection présenté, cette méthodologie d'identification est un générateur de paramètres utiles pour des détections basées sur « l'estimation paramétrique ». La modélisation des circuits couplés présente un excellent rapport précision/temps de calcul et une bonne efficacité dans la représentation des phénomènes spatiotemporels. L'intégration d'un défaut de bobinage nécessite de faire évoluer les équations de circuits du modèle. À des fins d'atteindre l'objectif de cette thèse, la structure du modèle a été modifiée pour introduire les courts-circuits entre spires au stator. En dehors de l'application présentée, l'association de la méthode d'identification avec le modèle comportemental permet la reproduction rapide de forme d'onde multiple, notamment exploitable dans les approches de détection orientée « signal ». Enfin, à partir de l'outil résultant des travaux précédents, le procédé de diagnostic a pu être déterminé. La sensibilité de détection est le critère principal pour la définition de la technique instrumentale et des traitements de signaux du procédé. L'influence des conditions de fonctionnement sur la sensibilité de détection est évaluée et est considérée pour le choix des solutions retenues. Ce procédé a été validé expérimentalement sur un alternateur synchrone à rotor bobiné de 5.4KVA.
Ce travail de thèse traite de la détection des défauts de bobinages au stator dans les machines électriques contenant une structure d'amortissement. Les courts-circuits entre spires d'un même enroulement sont souvent la prémisse de l'apparition d'autres défauts de bobinages dont les conséquences sont plus sévères. La précocité de détection est donc essentielle pour préserver les machines et leur environnement humain ou matériel. Dans cet ouvrage, nous proposons une solution innovante de discrimination des courts-circuits basée sur la redondance de signaux mesurés au rotor. Pour définir celle-ci, une modélisation d'ordre élevé combinant l'approche des éléments finis et celle des circuits couplés a été employée. La première est utilisée pour déterminer les paramètres (couplages magnétiques) exploités par la seconde qui n'est autre que le modèle comportemental. Comme l'inconvénient de cette combinaison d'approches est le temps utile à l'identification des couplages magnétiques et sachant que diverses configurations de bobinage doivent être modélisées, une nouvelle méthodologie d'identification a été développée. Après une première identification (éléments finis) à temps réduit, celle-ci offre la possibilité d'estimer les paramètres d'une configuration de bobinage souhaitée sans réutilisation de la résolution par éléments finis. En plus de son exploitation pour mettre en œuvre le procédé de détection présenté, cette méthodologie d'identification est un générateur de paramètres utiles pour des détections basées sur « l'estimation paramétrique ». La modélisation des circuits couplés présente un excellent rapport précision/temps de calcul et une bonne efficacité dans la représentation des phénomènes spatiotemporels. L'intégration d'un défaut de bobinage nécessite de faire évoluer les équations de circuits du modèle. À des fins d'atteindre l'objectif de cette thèse, la structure du modèle a été modifiée pour introduire les courts-circuits entre spires au stator. En dehors de l'application présentée, l'association de la méthode d'identification avec le modèle comportemental permet la reproduction rapide de forme d'onde multiple, notamment exploitable dans les approches de détection orientée « signal ». Enfin, à partir de l'outil résultant des travaux précédents, le procédé de diagnostic a pu être déterminé. La sensibilité de détection est le critère principal pour la définition de la technique instrumentale et des traitements de signaux du procédé. L'influence des conditions de fonctionnement sur la sensibilité de détection est évaluée et est considérée pour le choix des solutions retenues. Ce procédé a été validé expérimentalement sur un alternateur synchrone à rotor bobiné de 5.4KVA.
This thesis deals with the detection of stator winding faults in electrical machines containing a damping structure. Short-circuits between turns of the same winding are often the premise for the appearance of other winding faults, the consequences of which are more severe. Early detection is therefore essential to preserve machines and their human or material environment. In this book, we propose an innovative solution to short-circuit discrimination based on the redundancy of signals measured at the rotor. To define this, high-order modelling combining the finite element approach and that of coupled circuits was used. The first is used to determine the parameters (magnetic couplings) exploited by the second which is none other than the behavioural model. As the downside of this combination of approach is the time taken to identify magnetic couplings and the knowledge that various coil configurations must be modelled, a new identification methodology was developed. After an initial identification (finite elements) at short notice, this offers the possibility of estimating the parameters of a desired winding configuration without reusing the finite element resolution. In addition to its use to implement the detection method presented, this identification methodology is a generator of useful parameters for detections based on "parametric estimation". The modelling of coupled circuits presents an excellent precision / calculation time ratio and a good efficiency in the representation of spatial-temporal phenomena. Integrating a winding fault requires changing the model's circuit equations. In order to achieve the objective of this thesis, the structure of the model has been modified to introduce the short circuits between turns at the stator. Apart from the application presented, the association of the identification method with the behavioural model allows the rapid production of multiple waveforms, particularly usable in "signal" oriented detection approaches. Finally, from the tool resulting from the previous work, the diagnostic process could be determined. The detection sensitivity is the main criterion for the definition of the instrumental technique and the signal processing of the process. The influence of the operating conditions on the detection sensitivity is evaluated and is considered for the choice of the solutions adopted. This process has been validated experimentally on a synchronous alternator with wound rotor of 5.4KVA.
This thesis deals with the detection of stator winding faults in electrical machines containing a damping structure. Short-circuits between turns of the same winding are often the premise for the appearance of other winding faults, the consequences of which are more severe. Early detection is therefore essential to preserve machines and their human or material environment. In this book, we propose an innovative solution to short-circuit discrimination based on the redundancy of signals measured at the rotor. To define this, high-order modelling combining the finite element approach and that of coupled circuits was used. The first is used to determine the parameters (magnetic couplings) exploited by the second which is none other than the behavioural model. As the downside of this combination of approach is the time taken to identify magnetic couplings and the knowledge that various coil configurations must be modelled, a new identification methodology was developed. After an initial identification (finite elements) at short notice, this offers the possibility of estimating the parameters of a desired winding configuration without reusing the finite element resolution. In addition to its use to implement the detection method presented, this identification methodology is a generator of useful parameters for detections based on "parametric estimation". The modelling of coupled circuits presents an excellent precision / calculation time ratio and a good efficiency in the representation of spatial-temporal phenomena. Integrating a winding fault requires changing the model's circuit equations. In order to achieve the objective of this thesis, the structure of the model has been modified to introduce the short circuits between turns at the stator. Apart from the application presented, the association of the identification method with the behavioural model allows the rapid production of multiple waveforms, particularly usable in "signal" oriented detection approaches. Finally, from the tool resulting from the previous work, the diagnostic process could be determined. The detection sensitivity is the main criterion for the definition of the instrumental technique and the signal processing of the process. The influence of the operating conditions on the detection sensitivity is evaluated and is considered for the choice of the solutions adopted. This process has been validated experimentally on a synchronous alternator with wound rotor of 5.4KVA.

Ce travail de thèse traite de la détection des défauts de bobinages au stator dans les machines électriques contenant une structure d’amortissement. Les courts-circuits entre spires d’un même enroulement sont souvent la prémisse de l’apparition d’autres défauts de bobinages dont les conséquences sont plus sévères. La précocité de détection est donc essentielle pour préserver les machines et leur environnement humain ou matériel. Dans cet ouvrage, nous proposons une solution innovante de discrimination des courts-circuits basée sur la redondance de signaux mesurés au rotor. Pour définir celle-ci, une modélisation d’ordre élevé combinant l’approche des éléments finis et celle des circuits couplés a été employée. La première est utilisée pour déterminer les paramètres (couplages magnétiques) exploités par la seconde qui n’est autre que le modèle comportemental. Comme l’inconvénient de cette combinaison d’approches est le temps utile à l’identification des couplages magnétiques et sachant que diverses configurations de bobinage doivent être modélisées, une nouvelle méthodologie d’identification a été développée. Après une première identification (éléments finis) à temps réduit, celle-ci offre la possibilité d’estimer les paramètres d’une configuration de bobinage souhaitée sans réutilisation de la résolution par éléments finis. En plus de son exploitation pour mettre en œuvre le procédé de détection présenté, cette méthodologie d’identification est un générateur de paramètres utiles pour des détections basées sur « l’estimation paramétrique ». La modélisation des circuits couplés présente un excellent rapport précision/temps de calcul et une bonne efficacité dans la représentation des phénomènes spatiotemporels. L’intégration d’un défaut de bobinage nécessite de faire évoluer les équations de circuits du modèle. À des fins d’atteindre l’objectif de cette thèse, la structure du modèle a été modifiée pour introduire les courts-circuits entre spires au stator. En dehors de l’application présentée, l’association de la méthode d’identification avec le modèle comportemental permet la reproduction rapide de forme d’onde multiple, notamment exploitable dans les approches de détection orientée « signal ». Enfin, à partir de l’outil résultant des travaux précédents, le procédé de diagnostic a pu être déterminé. La sensibilité de détection est le critère principal pour la définition de la technique instrumentale et des traitements de signaux du procédé. L’influence des conditions de fonctionnement sur la sensibilité de détection est évaluée et est considérée pour le choix des solutions retenues. Ce procédé a été validé expérimentalement sur un alternateur synchrone à rotor bobiné de 5.4KVA.
This thesis deals with the detection of stator winding faults in electrical machines containing a damping structure. Short-circuits between turns of the same winding are often the premise for the appearance of other winding faults, the consequences of which are more severe. Early detection is therefore essential to preserve machines and their human or material environment. In this book, we propose an innovative solution to short-circuit discrimination based on the redundancy of signals measured at the rotor. To define this, high-order modelling combining the finite element approach and that of coupled circuits was used. The first is used to determine the parameters (magnetic couplings) exploited by the second which is none other than the behavioural model. As the downside of this combination of approach is the time taken to identify magnetic couplings and the knowledge that various coil configurations must be modelled, a new identification methodology was developed. After an initial identification (finite elements) at short notice, this offers the possibility of estimating the parameters of adesired winding configuration without reusing the finite element resolution. In addition to its use to implement the detection method presented, this identification methodology is a generator of useful parameters for detections based on "parametric estimation". The modelling of coupled circuits presents an excellent precision/ calculation time ratio and a good efficiency in the representation of spatial-temporal phenomena. Integrating awinding fault requires changing the model's circuit equations. In order to achieve the objective of this thesis, the structure of the model has been modified to introduce the short circuits between turns at the stator. Apart from the application presented, the association of the identification method with the behavioural model allows therapid production of multiple waveforms, particularly usable in "signal" oriented detection approaches. Finally, from the tool resulting from the previous work, the diagnostic process could be determined. The detection sensitivity is the main criterion for the definition of the instrumental technique and the signal processing of the process. The influence of the operating conditions on the detection sensitivity is evaluated and is considered forthe choice of the solutions adopted. This process has been validated experimentally on a synchronous alternator with wound rotor of 5.4KVA.

Le passage à un réseau électrique de tension continue plus élevée est la solution la plus adaptée pour répondre à la demande en puissance, continuellement croissante, transitant dans les réseaux. Le contrôle des actionneurs électriques embarqués passe aujourd'hui par l’utilisation massive de convertisseurs électroniques qui imposent des fronts de tension très raides et donc des contraintes très sévères aux enroulements des machines. Les oscillations pseudopériodiques qui suivent ces fronts raides sont à l’origine de champs électriques intenses qui peuvent dépasser le Seuil d’Apparition des Décharges Partielles (SADP). Le dépassement de ce seuil conduit à l’apparition de Décharges Partielles (DP) qui sont particulièrement nocives et qui sont responsables d'une dégradation très rapide du système d’isolation électrique (SIE). Ce phénomène physique est l’élément principal de la problématique sur laquelle ces travaux de recherche sont basés. Dans ce mémoire, un outil numérique qui, avant conception de la machine électrique, permet de prédire les contraintes électriques s’appliquant sur le système d’isolation de la machine a été développé. Cet outil doit permettre le développement de solutions nouvelles dans les différents axes de recherche sur la problématique de vieillissement des actionneurs électriques. Il est basé sur le développement et la simulation d’un modèle RLC à constantes localisées dont les paramètres constitutifs ont été déterminés via la méthode des éléments finis. Cet outil est ensuite utilisé pour analyser les contraintes électriques subies par l’isolation inter-spires des bobinages afin de localiser les zones critiques dans les bobinages électriques dans un premier temps. Une méthode basée sur une simulation de la distribution du champ électrique dans les bobines en fonction du temps a été mise au point. La visualisation et l’analyse de cartes de champ électrique sur un intervalle de temps défini permettent de déterminer et de localiser les contraintes électriques maximales s'appliquant sur l’isolation inter-spires. Dans un second temps, pour étudier le vieillissement du SIE et améliorer les méthodes de détection, un outil d’aide au diagnostic est proposé. Cet outil est basé sur un calcul des variations des fréquences de résonances les plus sensibles à un indicateur ΔC éprouvé au sein du laboratoire. Afin d’affiner les possibilités de diagnostic, de nouvelles corrélations ont été recherchées, analysées et mise en évidence
The transition to a higher DC voltage network is the most suitable solution to meet with the steady increase in the need/requirement for power flowing in the networks. Today, the control of embedded electric actuators involves the massive use of electronic converters that impose sudden voltage variations. The latter, when applied to an electrical machine windings, generates high electric field levels between the insulators, exceeding sometimes the partial discharge inception voltage (PDIV). Exceeding this threshold leads to the appearance of partial discharges, which are particularly harmful to the turn-to-turn insulation and are responsible for a very rapid deterioration of the electrical insulation system.This physical phenomenon is the main element of the problem on which these research works are based. In this thesis, a numerical tool was developed, which allows prior to the electrical machine design, to predict the electrical stresses applied to the machine's insulation system. This tool should allow the development of new solutions in the various research axes on the aging problem of electric actuators. It involves the development of an RLC lumped element equivalent circuit whose parameters were computed by means of a finite elements analysis considering both the geometry of turns and its location in the coil. Firstly, this tool is used to analyse the electrical stresses applied to the inter-turns insulation of the windings in order to localize the critical zones in the electrical windings. A method based on a simulation of the distribution of the electric field in the windings as a function of time has been developed. The visualization and analysis of electric field maps over a defined time interval allow to determine and to localize the maximum electrical stresses applied to the turn-to-turn insulation. Secondly, to study the aging of the electrical insulation system and to improve the detection methods, a diagnosis assistance tool is proposed. This tool is based on a calculation of the the resonance frequencies’ variations which are most sensitive to the ΔC indicator tested in the laboratory. In order to refine the possibilities of diagnosis, new correlations have been sought, analysed and highlighted

Le développement d’avions plus électriques se traduit par une plus grande utilisation d'actionneurs électriques qui remplacent des systèmes hydrauliques et pneumatiques existants ou répondent à de nouveaux besoins. La distribution de l'énergie à bord est basée sur un réseau continu 540V connecté à des convertisseurs électroniques de puissance. Les composants électroniques de puissance à grands gaps (SiC, GaN) améliorent les performances des convertisseurs mais les fronts de tension très raides sont imposés aux bobinages des actionneurs électriques. Chaque front excite un régime transitoire comportant une surtension importante et donc des champs électriques intenses dans l’isolation inter-spires des bobines. Lorsque cette contrainte électrique répétitive dépasse le seuil d'apparition des décharges partielles (PDIV), la durée de vie des couches organiques qui isolent les spires est fortement réduite. L'étude détaillée des décharges partielles (DP) dans l'espace qui sépare les fils émaillés des bobinages permet de situer les zones dans lesquelles les DP se produisent. Elle montre que le thermocollage, avec des surépaisseurs adaptées de thermocolle, permet d'élever le PDIV au-delà des pointes répétitives de tension pour les actionneurs qui fonctionnent dans les parties pressurisées des avions. Des solutions ordonnées de bobinages ont été expérimentées sur des bobines cylindriques imprégnées. Cette analyse montre que l'imprégnation augmente légèrement le PDIV de l'isolation inter-spires dans des proportions qui ne correspondent pas totalement aux caractéristiques intrinsèques du vernis utilisé. Par conséquent, les bobines imprégnées doivent être conçues sur la base des performances de l'isolation primaire du fil émaillé. L’arrangement des spires dans une bobine ordonnée permet de répartir les contraintes et donc de concevoir des bobines qui résistent aux pointes de tension répétitives imposées par l'onduleur aux basses pressions correspondant aux zones non pressurisées d'un avion en vol. Un modèle, basé sur un schéma équivalent HF prenant en considération les deux premières résonances des bobines élémentaires, permet d'analyser la répartition des contraintes entre les bobines connectées en série d'une phase
The More Electric Aircraft development is reflected by a bigger use of the electrical actuators, which replace the hydraulic or pneumatic system existing or they can also answer to new needs. The energy distribution on board is based on a high voltage continuous bus of 540V connected to electrical power converter. The electric power wide band gap components (SiC, GaN) improve the converters performances but very steep of voltage edge is imposed on the windings of the electric actuators. Each edge excites a transitory regime including an important surge which corresponds to intense electric fields in the inter-turns insulation of coils. When this repetitive electrical constraint exceeds the partial discharges inception voltage (PDIV), the life time of the organic layer between the turns is strongly reduced. The detailed study of the partial discharges (PD) in the area which separate the enamel wire of the windings allows to locate the area where the PD appears. The use of thermo-bonding, with a bonding thickness adapted, allows to raise PDIV beyond the repetitive edge of voltage for the actuators which work in the pressurized parts of the planes. The orderly windings solutions were tested on impregnated cylindrical coils. This analysis shows that the impregnation increases slightly the PDIV from the inter-turns insulation in proportions that do not totally correspond to the intrinsic characteristics of the used varnish. Therefore, the impregnated coils must be conceived on the basis of the primary insulation performance of the enamelled wire. The turn’s arrangement in an orderly coil allows to distribute the constraints and so to conceive the windings which can resist the compulsory repetitive of voltage spikes by the inverter in low pressures corresponding to not pressurized zones in a plane during the flight. A model, based on HF equivalent schema taking in consideration the first two resonances of the elementary coils, allows to analyse the constraints distribution between the coils connected in series of a machine phase

L’émergence du concept d’un avion plus électrique implique une refonte en profondeur des réseaux embarqués. L’axe principalement développé repose sur une augmentation de la tension du réseau et un passage au bus continu. Le contrôle des actionneurs électriques embarqués passe alors par l’utilisation massive de convertisseurs électroniques qui vont imposer des fronts de tension très raides et des contraintes particulières aux enroulements des machines. Les oscillations pseudopériodiques qui suivent ces fronts raides sont à l’origine de champs électriques intenses qui peuvent dépasser le seuil d’apparition des décharges partielles (PDIV) et de ce fait provoquer une dégradation rapide des isolants classiques qui sont à base de polymères. Le travail effectué dans cette thèse est centré sur l’étude d’une nouvelle méthode de conception des bobinages permettant la réduction des problèmes de décharges partielles. Un dispositif expérimental mis au point dans ce cadre reproduit les contraintes imposées par des convertisseurs modernes et permet de mesurer les tensions inter-spires d’une bobine. L’étude expérimentale met en évidence les phénomènes àprendre en compte avec ce type d’alimentation et donne une première idée des axes d’optimisation envisageables. Un modèle prédictif capable de donner la distribution des tensions inter-spires, en réponse à un front raide de tension, aide à identifier les points critiques. Les paramètres constitutifs de ce modèle ont été déterminés en utilisant des méthodes analytiques, expérimentales et numériques. Compte tenu de la complexité du modèle, un outil numérique automatisé a été élaboré afin de simuler le modèle des bobines étudiées. Plusieurs types de bobinage ont été analysés et optimisés avec succès. Cette optimisation consiste à diminuer la tension inter-spires en agissant sur l’arrangement des fils dans les encoches. L’utilisation des bobines optimisées avec cette méthode permet d’envisager une nette amélioration de la fiabilité des machines électriques
The emergence of the concept of a more electric aircraft requires a major overhaul of onboard grid. The main developed axis is based on an increase in the grid voltage and a switch to DC bus. In this context, the onboard electric actuators are supplied through power electronic converters that will impose very fast voltage fronts and particular constraints in the windings of the machines. The transient over-voltages that follow the steep-fronted pulses are the source of intense electric fields which may exceed the partial discharge inception voltage (PDIV) and cause a rapid deterioration of polymer based insulators. This thesis focuses on the study of a new design method of the windings in order to reduce problems of partial discharges. An experimental device developed in this framework reproduces the constraints of modern converters and allows measuring the turn-to-turn voltages of a coil. The experimental study shows the phenomena to be considered with this type of power supply and gives an idea of possible areas for optimization. A predictive model able to give the distribution of turn-to-turn voltages, in response to a steep-fronted voltage, helps to identify critical points. The constitutive parameters of this model were determined using analytical, experimental and numerical methods. Given the complexity of the model, an automated numerical tool has been developed in order to simulate the model of studied coils. Several types of coil have been analyzed and optimized successfully. This optimization consists in reducing the turn-to-turn voltages by acting on the arrangement of the wires in the slots. The use of optimized coils with this method allows envisaging a significantimprovement in the reliability of electrical machines

Une machine électrique utilisée pour un entraînement à vitesse variable est généralement alimentée par un convertisseur statique dont les composants électroniques de puissance commutent extrêmement rapidement. De ce fait, chaque enroulement statorique de la machine est soumis à des fronts raides de tension dont la répartition sur les différentes spires qui le constituent dépend notamment des capacités parasites entre spires ou entre spires et carcasse. Des zones locales de fort champ électrique apparaissent dans le bobinage conduisant souvent la création d'une activité de décharges partielles. Ce travail de thèse a pour but de fournir des informations quantifiées et précises quant aux risques encourus lorsque divers paramètres liés à l'alimentation de la machine et la topologie du bobinage varient permettant de contribuer à acquérir une expertise vis à vis des problèmes liés à l’apparition de décharges partielles au sein des bobinages, et à en déduire des règles de conception
Electrical machine used in variable speed drives are usually fed by a converter using fast switching power electronics devices. Thus, each stator winding of the machine is subjected to steep-fronted voltage pulses whose distribution over its various turns depends on the parasitic capacitances between turns or between turns and slot walls. Therefore, local areas of high electric field appear within the coil, often resulting in partial discharges activity. This thesis aims to provide accurate and quantified information regarding partial discharge inception when various parameters related to the machine power supply and winding topology so as to help develop expertise with respect to problems related to partial discharges, as well as to deduce machine design rules in this regard

La machine à réluctance variable peut être utilisée dans les véhicules électriques où pour des considérations d’autonomie, le rendement est crucial. En raison du fort champ de fuite dans la région de l’entrefer de la machine à réluctance variable due à sa géométrie particulière à pôles saillants, les pertes « cuivre » peuvent devenir conséquentes. Il est alors recommandé de ne pas placer les conducteurs au voisinage de l’entrefer. Cependant, des instructions concrètes pour la conception d’un enroulement optimal sont manquantes. Généralement, les pertes « cuivre » dans les machines électriques sont la somme des pertes Ohm DC classiques et des pertes additionnelles dites par courants de Foucault. Les pertes DC étant constantes à un point de fonctionnement donné, l’optimisation est axée alors sur la réduction des pertes par courants de Foucault en jouant sur la configuration géométrique de l’enroulement. Dans le cas de calculs répétitifs fastidieux, rencontrés par exemple lors des processus de conception et d’optimisation du bobinage des machines électriques, il y a un intérêt significatif à réduire le temps de calcul. Dans ce travail, on présente trois techniques de réduction du modèle et leurs applications dans les analyses par la méthode des éléments finis. Outre l’influence de la fréquence d’alimentation et de la section du conducteur, plusieurs facteurs liés à la configuration de l’enroulement influent sur les pertes additionnelles par courants de Foucault :i) la position du conducteur dans l’encoche au voisinage de la dent du stator ou de la zone de l’entrefer .ii) la disposition des conducteurs envers les lignes du champ magnétique bidimensionnelles de l’encoche .iii) l’utilisation d’un conducteur massif ou multi filamentaire; les filaments sont connectés en parallèle et peuvent permuter leurs positions périodiquement au sein du conducteur tout au long du bobinage. Dans cette thèse, on étudie principalement l’influence de la disposition géométrique des spires dans l’encoche et du type du conducteur utilisé s’il s’agit d’un conducteur massif, en fils de Litz ou en fils torsadés. Les pertes par courants de Foucault sont la conséquence d’un couplage fort électrique-magnétique entre la densité du courant et la variation en fonction du temps du champ magnétique. En utilisant le modèle de Maxwell, ce couplage est décrit par une équation différentielle à dérivée partielle qui ne peut être résolue simplement. La résolution de cette équation utilisant l’approche analytique n’est possible que sous certaines hypothèses simplificatrices qui peuvent dégrader la fiabilité de la solution. La modélisation par la méthode des éléments finis permet quant à elle de prendre en compte le mouvement du rotor et la non-linéarité du circuit magnétique garantissant ainsi une meilleure précision. Néanmoins, cela conduit à une large capacité de stockage et à un temps de calcul substantiel qui peut entraver tout processus de conception ou d’optimisation. Pour surmonter ce problème, on propose dans ce manuscrit trois techniques de réduction du modèle. Ces techniques assurent une réduction efficace de la taille du système matriciel associé à la modélisation par la méthode des éléments finis et diminuent par conséquent le temps de calcul : i) une réduction spatiale qui évite une modélisation en 3D des conducteurs complexes en fils torsadés et en fils de Litz et propose une modélisation 2D satisfaisante .ii) la technique de la perturbation. iii) la réduction de l’ordre du modèle utilisant la méthode de la décomposition orthogonale aux valeurs propres combinée à la méthode d’interpolation empirique discrète. La comparaison du modèle réduit à un modèle complet de référence montre l’efficacité de la réduction du modèle à réduire le temps de calcul tout en restant en deçà d’une erreur de précision acceptable
The switched reluctance machine can be used in hybrid or electric vehicle where, for autonomy considerations, energy efficiency is crucial. Because of the strong stray field in the air-gap region of the switched reluctance machine due to its salient pole geometry, the copper losses can become substantial. It is firmly recommended therefore not to place the coil conductors near the air-gap region. Nevertheless, concrete instructions for optimal winding design are missing. The copper losses in electrical machines are subdivided into classical DC ohmic losses and additional eddy current losses occurring due to the time varying magnetic fields penetrating the copper conductors. Based on the fact that the DC losses are constant at a given operating point, the optimization is focused on reducing the eddy current losses by modifying the winding geometry configuration. In the case of tedious repetitive calculations, met for example during design and optimization processes of electrical machine windings, there is a significant interest in reducing the computation time. This work suggests three model reduction techniques and their applications in the finite element analyses.Besides the frequency of the excitation current and the cross section of the coil conductors, several factors related to the winding configuration can affect the addition al eddy current losses:i) the coil conductor position in the winding slot especially near the stator pole or close to the air gapii) the disposition of the coil conductor against the two-dimensional flux lines in the slot windingiii) the subdivision of the solid conductor into multiple parallel strands swapping their positions periodically in the conductor cross section throughout the length of the machine winding.This thesis mainly studies the influence of the geometric coils disposition in the slot windings and the type of the conductor used whether it is solid or stranded, with Litz or twisted wires.The eddy current losses exit through the strong electro-magnetic coupling between the electric current density and the time dependent magnetic flux lines penetrating the conductors; it is described mathematically by a partial differential equation that cannot be solved easily. The analytical approach, which is used practically for a quick resolution of the strong electro-magnetic coupling equation, is only possible under certain simplifying assumptions that deteriorate brutally the reliability of the copper losses calculation. The finite element modeling as for it, allows taking into account the rotor motion and the non-linear behavior of the magnetic circuit, thus ensuring a higher accuracy. However, it leads under these conditions to a substantial calculation time and requires large storage capacity. These constraints are critical and may hinder therefore any process of conception or optimization. In this thesis, we suggest three different model reduction techniques that can be effective in reducing the size of large scale complete finite element models and enable therefore to shorten the computational time:i) the spatial reduction avoiding the 3D modeling which seems required in the case of twisted and Litz wires and suggesting an alternative satisfactory 2D modeling.ii) the perturbation technique.iii) the model order reduction using the proper orthogonal decomposition combined with the discrete empirical interpolation method.The comparison between the reduced model solutions to that of the complete finite element model has proved the effectiveness of the proposed model reduction techniques; they allow shrinking the required computational time while staying below an acceptable error of accuracy

Le réseau électrique de bord des avions devient le principal vecteur de transmission de l'énergie utilisée en dehors de celle réservée à la propulsion. Le réseau électrique remplace progressivement les réseaux hydrauliques et aérauliques qui assurent respectivement les contrôles de vol et le confort dans la cabine des avions actuels. Pour transmettre une puissance électrique plus importante sans augmenter la masse des conducteurs, un nouveau standard a été défini, le réseau de bord des avions plus électriques sera continu et sa tension est fixée à 540V. En conséquence, les convertisseurs statiques seront systématiquement utilisés pour commander les actionneurs électriques. Des contraintes électriques nettement plus importantes seront appliquées aux bobinages des machines en plus de celles qui sont inhérente à l'aéronautique. Pour obtenir la sureté de fonctionnement requise, la surveillance du vieillissement de l'isolation des machines électriques embarquées devient indispensable. Le travail effectué dans cette thèse est centré sur la définition d’un nouvel indicateur de vieillissement de l’isolation des bobinages des machines électriques utilisées en aéronautique. Le nouvel indicateur delta-C est basé sur la corrélation entre l'augmentation de la capacité inter-spires du bobinage et la réduction des performances caractérisée principalement par la réduction du seuil d'apparition des décharges partielles. La partie expérimentale des travaux est importante; le mémoire donne les résultats des campagnes de vieillissement accéléré d'un grand nombre d'échantillons de fil émaillé standard. Ces résultats permettent de définir des seuils critiques des variations du nouvel indicateur delta-C en fonction du profil de mission de l'actionneur. Le nouvel indicateur delta-C est corrélé avec un paramètre facilement mesurable sur une machine électrique en fonctionnement qui est la fréquence de résonance du bobinage. Un outil numérique est développé pour déterminer les fréquences de résonances à surveiller en fonction de la géométrie et de la technologie du bobinage de la machine. Les prédictions des fréquences déterminées par l'outil numérique développé sont vérifiées par des mesures faites sur des bobines vieillies artificiellement. L'étude est étendue à l'influence du câble d'alimentation de la machine. Les limites de fonctionnement du système de surveillance proposé sont définies pour différentes distances entre la machine et le point de connexion des systèmes de mesure
For modern aircrafts, the onboard electrical grid becomes the main energy transmission system apart from energy reserved for propulsion. Electrical systems are gradually replacing hydraulic and air systems providing respectively flight controls and cabin comfort in current aircrafts. To transmit higher electrical power without increasing the conductors’ masses, a new standard has been set, the grid of more electrical aircrafts will be 540 VDC. As a result, static converters will systematically be used to drive the electrical actuators. Substantially higher electrical constraints will be applied to electrical machine windings, in addition to those inherent in aeronautics. To obtain the required operational safety, the monitoring of the insulation for onboard electrical embedded machines has become indispensable. This thesis work is focused on the definition of a new aging indicator for the electrical insulation of machine used in aeronautics. The new delta-C indicator is based on the correlation between the increase in the turn-to-turn winding capacitance and reduction of performance mainly characterized by the decrease of Partial Discharge Inception Voltage (PDIV). The experimental part of this work is considerable; the thesis gives the results of accelerated aging tests on a large number of enameled wire standard samples. These results make it possible to define critical threshold for the new delta-C indicator depending on the mission profile of the actuator. The new delta-C indicator is correlated with an easily measurable parameter on an operating electrical machine, i.e. the resonance frequencies of the winding. A numerical tool was developed to determine the resonance frequencies to be monitored according to the geometry and the technology of the winding machine. The prediction frequencies determined by the developed numerical tool have been verified by measurements on artificially aged coils. The study has been extended to the influence of the supply cable of the electrical machine. The operating limits of the proposed monitoring system are defined for various distances between the electrical machine and the connection point of the measurement systems

A l’heure où la distribution de l’énergie électrique reste encore en discussion pour les nouvelles générations d’avions de transports civils ou militaires, une remise en cause du niveau des tensions continues disponibles pourrait porter les bus de tension de 270Vdc à 540Vdc. De fait, les équipementiers devront proposer des produits facilement adaptables à ces deux niveaux de tension. Par ailleurs, la course au rendement nécessite de revoir les systèmes actuels en proposant des versions plus compactes, fonctionnant à des meilleurs niveaux de rendement. L’atteinte de ces objectifs peut passer par une rupture technologique qui devrait s’opérer dans le domaine de la conversion d’énergie avec l’avènement, d’une part, des composants « grand gap », d’autre part, l’exploitation de structures innovantes de convertisseurs de puissance autore configurables. Les systèmes associant plusieurs convertisseurs et plusieurs machines, appelés communément Systèmes Multi-Convertisseurs Multi-Machines (SMCMM), jouent également un rôle prépondérant grâce aux avantages qu’ils présentent tels que, la modularité, la sûreté et l’accroissement de puissance. Néanmoins, si a priori, l’innovation technologique porte sur le convertisseur statique, le rendement d’un système électromécanique alliant convertisseur et machine ne correspond pas en général au produit des rendements de chacun des composants qui le constituent. En effet, le fonctionnement global fait apparaître de nouvelles problématiques. Dans ce contexte, la ligne directrice de ces travaux de recherche porte sur une méthodologie générale et le développement d’outils qui permettent d’étudier ces systèmes dans leur globalité. L’enjeu scientifique de cette étude consiste à adapter au mieux la machine à son convertisseur, optimiser la qualité du couple (amplitude et ondulations), donc à dimensionner et optimiser une machine qui réponde non seulement à la fonction principale visée par l’application, produire un couple mécanique à une vitesse donnée, mais qui satisfasse aussi une, voire plusieurs fonctionnalités requises pour l’utilisation d’onduleurs reconfigurables en tension. Afin de constituer une palette d’outils qui permettra de développer une méthodologie générale d’analyse des SMCMM, un outil de génération et de caractérisation systématique des bobinages et des aimants permanents est développé. Ce premier outil couplé à un modèle de type champ, basé sur la résolution analytique des équations du champ magnétique, est capable de fournir les performances électromagnétiques de la machine en fonction des critères du concepteur. Ensuite, un second outil qui permet d’appliquer la théorie d’une vision de conception par l’adéquation des sources du champ dans une machine, est développé. Nous pouvons alors rechercher la possibilité de maximiser le couple en adaptant, soit les bobinages, soit les aimants permanents. Pour étendre les précédents résultats à un cas général, un problème d’optimisation est formulé. Pour cela, un problème inverse à variables mixtes, relations complexes et non linéaires, est résolu avec un algorithme de type « boîte noire ». Les travaux se focalisent ensuite sur l’intégration de la fonction coupleur magnétique, puis sur la mise en évidence des conditions de fonctionnement optimal d’une machine synchrone à aimants permanents montés en surface et à double étoile (MSAPDE), alimentée par deux convertisseurs en parallèle reconfigurables en tension à commande entrelacée. Cette démarche est une première approche concrète de l’intégration machine convertisseur. Les courants induits dans les parties conductrices de la machine en mouvement sont modélisés afin de vérifier en fonction de la fréquence, leurs effets sur la fonction de coupleur magnétique. Finalement, après des simulations numériques qui permettent d’analyser et de classifier les avantages et les inconvénients de plusieurs solutions de machines, la réalisation de deux démonstrateurs de MSAPDE à coupleur intégré est initiée