Contribution à l`étude des machines brushless à haut rendement

Contribution à l’étude des machines brushless à haut
rendement dans les applications de moteurs-générateurs
embarqués
par Jérôme LEGRANGER
Thèse pour obtenir le grade de Docteur de l’Université de Technologie de Compiègne
préparée au Laboratoire d’Electromécanique de Compiègne avec la société VALEO VES
dans le cadre de l’école Doctorale Technologies de l’Information et des Systèmes
Soutenue le 15 Mai 2009 devant le jury composé de :
M. Pascal BROCHET (Président, Rapporteur)
M. Christophe ESPANET (Rapporteur)
M. Guy FRIEDRICH (Directeur de thèse LEC)
M. Stéphane VIVIER (Directeur de thèse LEC)
M. Jean Claude MIPO (Directeur de thèse VALEO)
M. Jean Claude MATT (Examinateur)
M. Christophe FORGEZ (Examinateur)

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A mes parents,

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Remerciements
Les travaux de recherches présentés dans ce mémoire de thèse sont le fruit d’une convention CIFRE entre
la société VALEO Systèmes Electriques Créteil (VES) et le Laboratoire d’Electromécanique de Compiègne (LEC)
de l’Université de Technologie de Compiègne (UTC).
Je tiens donc à remercier tout d’abord mes directeurs de thèse tant industriels : Jean-Claude MIPO
qu’universitaires : Pr Guy FRIEDRICH, pour le temps qu’ils m’ont consacré et les nombreux conseils qu’ils m’ont
prodigués.
Je remercie ensuite particulièrement mon co-directeur de thèse : Stéphane VIVIER pour son sens critique
aiguisé, son esprit cartésien et son immense culture scientifique afférente à des sujets au combien variés
comme : la nature des éléments finis, la difficulté d’obtenir des coefficients de convection thermiques, la
topologie des éléments de surface et bien d’autres…. Je lui adresse toute ma gratitude pour m’avoir permis
d’utiliser son solveur éléments finis SEF sans lequel j’aurais perdu un temps précieux.
Je remercie vivement mes rapporteurs Pr Pascal BROCHET (également président de mon jury) et Pr
Christophe ESPANET d’avoir pris le temps d’expertiser ma thèse et pour leurs remarques éclairées.
Je remercie ensuite Christophe FORGEZ et particulièrement Jean-Claude MATT pour avoir accepté de faire
partie de mon jury.
Comment ne pas oublier mes collègues de travail de l’université, surtout, celle qui a partagé mon bureau
au LEC pendant 3 ans : M
elle
Caroline DOC, pour sa patience, la pertinence de ses remarques et sa culture tant
musicale que scientifique, en lui souhaitant un bon courage pour sa soutenance de thèse prochaine.
Je remercie également Ferhat CHABOUR pour sa bonne humeur générale et ses immenses connaissances
en électronique, Vincent LANFRANCHI pour ses conseils et la fameuse excursion Crétoise (IEMDC 07), Nicolas
PATIN (……) pour ses explications en électronique de puissance, sans oublier Khadija EL KADRI BENKARA pour
nos conversations matinales et la préparation des diverses manips.
Mes remerciements s’adressent ensuite aux thésards comme AVé (le champion de vélo Aurélien
VAUQUELIN), DVD, TD, AG 1, AG 2, ou Julien, le reste du personnel du labo : Anne VERDIERE, Didier LEMOINE
ou le Pr Jean Marie BIEDINGER ainsi que les oiseaux de passage (Patrice, la réunionnaise de l’étape : Marie
Christine, Amine, Yannick, Farah…).
Merci également aux collègues de VALEO, Luc KOBYLANSKI pour son implication dans le projet M2EI,
Christophe DUGUET et Fabrice TAUVRON pour la correction des plans CATIA ainsi que de Fabrice GERMANI
pour les typons SMI.
Pour finir, un remerciement particulier à mes parents (Henri et Françoise) et mes oncles et tantes
(Stéphanie, Michel et Claudine) qui m’ont soutenu tout au long de cette thèse.

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En essayant continuellement on finit par réussir. Donc plus ça rate, plus on a de chance que ça marche.
Jacques Rouxel.
Apprendre sans réfléchir est vain. Réfléchir sans apprendre est dangereux.
Confucius.

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Introduction
L’automobile est une des clés de la mobilité et de facto du développement d’une société moderne. Un des
indicateurs du niveau de vie d’un pays est en effet son nombre de véhicules pour 1000 habitants. Toutefois,
outre la crise économique mondiale subie par l’ensemble du système économique actuel, cette industrie doit
relever les nouveaux défis induits par la raréfaction des ressources énergétiques et des matières premières, la
nécessité de concevoir des véhicules de moins en moins polluants ainsi que l’électrification croissante des
automobiles.
Dans ce contexte, le projet M2EI « Machines électriques et Electronique intégrée », au sein duquel cette
thèse CIFRE entre VALEO Systèmes Electriques et le Laboratoire d’Electromécanique de Compiègne s’intègre,
vise à rechercher de nouvelles topologies de machines embarquées pour des applications de type véhicule
hybride au sens large.
Il consiste donc à effectuer une analyse comparative des technologies de machines existantes puis à
rechercher des solutions innovantes tant en termes de machines électriques que d’électronique associée.
Ces améliorations concernent aussi bien le domaine du transport de personnes ou de marchandises en site
urbain que les véhicules particuliers.
De part sa nature multiphysique, la conception optimale d’une machine électrique à haut rendement pour
de telles applications « moteur-générateur » embarqués est un problème compliqué qu’il convient de
formaliser afin d’obtenir une méthodologie efficace de détermination de solution optimale.
Les travaux de cette thèse s’inscrivent dans cette optique de développement de modèles multiphysiques
couplés et utilisation de méthodes d’optimisation robustes dédiés à la conception optimale de structures
électrotechniques.
Le premier chapitre détaillera les enjeux automobiles actuels afin de mettre en exergue la nécessité
d’implanter des machines électriques embarquées dans les véhicules actuels, notamment des alterno-
démarreurs. Nous en déduirons les contraintes et objectifs auxquels ces machines électriques doivent se
conformer avant de dresser un panorama des topologies susceptibles de remplir ces conditions, à savoir
principalement les machines à flux radial ou axial en version synchrone ou asynchrone. Finalement, nous
dresserons un état des lieux des matériaux magnétiques dur et doux permettant d’atteindre ces
performances.
Le second chapitre sera dévolu aux modèles et méthodes de conception optimale de dispositifs
électrotechniques embarqués. Il sera, de ce fait, structuré autour d’une méthodologie générale de conception
allant de l’analyse du cahier des charges à la vérification des solutions optimales en passant par la création de
modèles multiphysiques couplés ainsi que le choix des méthodes d’optimisation. Les modèles multiphysiques
présentés sont des modèles directs classés en fonction de leur complexité et domaine de validité.
Le dernier chapitre utilisera la méthodologie précédente afin de concevoir deux applications inhérentes au
projet M2EI à savoir une machine synchrone à aimants enterrés simple couche et à bobinage distribué
fonctionnant en alterno-démarreur ainsi qu’un système de transmission d’énergie sans contact destiné à
remplacer le système bague balais des machines à bobinage rotorique.
Finalement, une conclusion générale sur ces travaux sera formulée et des perspectives seront abordées.