Sujet 2 : Dimensionnement sur cycle d'une machine synchrone à aimants permanents à faible vitesse de rotation.

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1 Sujet 2 : Dimensionnement sur cycle d'une machine synchrone à aimants permanents à faible vitesse de rotation. Nom Mohamed El-Hadi Zaïm Directeur de thèse Co-encadrant Co-encadrant Financement envisagé téléphone Unité de recherche IREENA EA 4642 (avec sa labellisation) Unité de rattachement Polytech Nantes (Université, Ecole ) Nombre de thèses en cours 2 Nom Nicolas Bracikowski téléphone Unité de recherche IREENA EA 4642 (avec sa labellisation) Unité de rattachement IUT Saint-Nazaire (Université, Ecole ) Nombre de thèses en cours 1 Nom Luc Moreau téléphone Unité de recherche IREENA EA 4642 (avec sa labellisation) Unité de rattachement Polytech Nantes (Université, Ecole ) Nombre de thèses en cours 2

2 Résumé du sujet de la thèse (3 à 5 lignes) Résumé Dimensionnement sur cycle d'une machine synchrone à aimants permanents à faible vitesse de rotation L étude concerne le développement, la modélisation et l optimisation de génératrices lentes à attaque directe. On s intéresse aux machines à rotor passif et plus particulièrement à la machine DSPM (Doubly Salient Permanent Magnet). Il s agit d optimiser leurs géométries et leurs fréquences de conversion en tenant compte de la source primaire et de leurs alimentations.

3 Descriptif du sujet de thèse (2 pages au maximum) Sujet : Dans les applications liées aux systèmes d énergies marines (e.g. éolienne offshore et hydrolienne), la minimisation de la maintenance est primordiale du fait de leur difficulté d accès. Afin de s affranchir de la maintenance du multiplicateur mécanique de vitesse, l utilisation de génératrices à attaque directe semble avantageuse. Les machines à aimants permanents sont particulièrement intéressantes pour ces applications à basse vitesse et plusieurs structures de génératrices sont proposées dans la littérature [1-6]. Fig.1 DSPM (Doubly Salient Permanent Magnet). Des structures à rotor robuste peuvent être envisagées. Nous nous intéressons à des machines à réluctance variable possédant un rotor passif et un stator à plots comportant des aimants (Fig.1). Le bobinage global de ces machines est ainsi facile à réaliser, à refroidir et à surveiller. Problématique : Le travail à réaliser concerne l optimisation sur cycle de l énergie massique d une génératrice hydrolienne. Lors de cette étude, différentes structures à rotor passif seront étudiées. Ces dernières peuvent avoir des géométries complexes avec de fortes saturations. La modélisation devra tenir compte des effets physiques (électromagnétisme, thermique), de l électronique de puissance ainsi que des effets environnementaux (houle, sillage hydrodynamique, etc.) (Fig.2). La modélisation électromagnétique hybride, modèle réluctant couplé à un modèle éléments finis, doit permettre de réduire significativement le temps d évaluation des structures spéciales retenues, en particulier en régime fortement saturé, ce qui permet d envisager une optimisation sur cycle de l ensemble «convertisseur-machine». L instrumentation du nouveau banc d essai du laboratoire permettra la validation expérimentale de la modélisation de la machine dite «DSPM» (Doubly Salient Permanent Magnet) (Fig.3). Current speed as a function of tidal hours for March 2007 Spring Tides Current speed (m/sec) Neap Tides Time (hours) Fig 2 Cycle des courants marins. Fig 3 Prototype DSPM.

4 Plan de travail - Réaliser une étude comparative de plusieurs structures de génératrices lentes à rotor passif. - Développement d une modélisation hybride des phénomènes électromagnétiques des structures retenues, couplant modèle éléments finis et modèle réluctant (Fig.4.) [7-9]. On s intéressera en particulier au compromis entre le temps de calcul et la précision. - Optimisation du couple massique des structures retenues en couplant le modèle magnétique hybride à un algorithme d optimisation. - Optimisation sur cycle de l énergie massique, en tenant compte des perturbations de l énergie primaire ainsi que des interfaces d électronique de puissance. - Instrumentation du nouveau banc d essai du laboratoire et validation expérimentale. Fig.4. Modèle hybride [10]. Références : [1] Saou, R., Zaïm, M. E., Et Alitouche, K., Optimal designs and comparison of the doubly salient permanent magnet machine and flux-reversal machine in low-speed applications. Electric Power Components and Systems, 2008, vol. 36, no 9, p [2] Moreau, L., Zaïm, M. E. H., Machmoum, M., Control Optimization of a Slotted Switched Reluctance Generator for High-torque Applications. Electric Power Components and Systems, 2014, vol. 42, no 6, p [3] Chen, H., Ait-Ahmed, N., Machmoum, M., et al. Modeling and current control of a double salient permanent magnet generator (DSPMG). In : Power Electronics and Applications (EPE), th European Conference on. IEEE, p [4] Chen, H., Ait-Ahmed, N., Zaïm, E. H., et al. Marine tidal current systems: State of the art, Industrial Electronics (ISIE), 2012 IEEE International Symposium on. IEEE, p [5] Moreau, L., Huang, J., Zaïm, M.E., Tang, T., Multiobjective Design Optimization of a Low Speed Slotted Doubly Salient Permanent Magnet Machine, accepté à paraitre, Numelec [6] Harkati, N., Moreau, L., Zaïm, M. E., et al. Low speed doubly salient permanent magnet generator with passive rotor for a tidal current turbine, Renewable Energy Research and Applications (ICRERA), 2013 International Conference on. IEEE, p [7] Philips, D.A., Coupling finite elements and magnetic networks in magnetostatics, International Journal for Numerical Methods in Engineering, vol. 35, no. 10, pp , [8] Dular,P. Gyselinck, J., and Henneron,T., Piriou, F., Dual Finite Element Formulations for Lumped Reluctances Coupling, IEEE Transaction on Magnetics, vol. 41, no. 5, pp , May [9] Gyselinck, J., Dular, P., Legros, W., & Grenier, D. (2003)., Hybrid magnetic equivalent circuit finite element modelling of transformer fed electrical machines. COMPEL: The International Journal for Computation and Mathematics in Electrical and Electronic Engineering, 22(3), [10] Nedjar, Boumedyen. Modélisation basée sur la méthode des réseaux de perméances en vue de l'optimisation de machines synchrones à simple et à double excitation Thèse de doctorat. École normale supérieure de Cachan- ENS Cachan. [11] Bracikowski, N. Modélisation multi-physique par modèles à constantes localisées; Application à une machine synchrone à aimants permanents en vue de son dimensionnement Thèse de doctorat. École Centrale de Lille.

5 CV du directeur de thèse (1 page au maximum) ZAÏM Mohammed El-Hadi, Professeur à l Ecole polytechnique de l Université de Nantes (63 ème section) Docteur-Ingénieur en Génie Electrique de l INPL, Nancy Docteur d Etat en Génie Electrique, ENP Alger, 1989 Habilité à Diriger des Recherches, Université de Nantes, 2000 Téléphone : e.mail : ACTIVITES DE RECHERCHE Mes travaux sont actuellement effectués dans l équipe MDE, Modélisation de Dispositifs Electromagnétiques, de l Institut de Recherches IREENA, EA Je m intéresse à la modélisation, la conception, l optimisation et le développement d actionneurs spéciaux pour les applications embarquées et les machines à attaque directe pour la production de l énergie. ARTICLES DE REVUE ET OUVRAGES DEPUIS 2009 [P1] M.E. Zaïm High speed solid rotor synchronous reluctance machine. Design and optimization. IEEE Transactions on magnetics, Vol 45, issue 3, [P2] M. Belhaj, P. Guérin, M.E. Zaïm, L. Abdeljalil Influence of the frequential identification tests on the induction machine modelling. The European Physical Journal, Applied Physics, EPJ AP, vol 47, n 3, pp 1-10, Sept [P3] R. Saou, M.E. Zaïm, K. Alitouche Modelling and Design of a Low Speed Flux Reversal Machine, Journal of electrical systems, Special Issue N 01, pp18-23, November 2009 [P4] A. Tounzi, B. Ramdane, M.E. Zaïm Study and experimentation of a rotor current excited Vernier reluctance machine aimed to direct-driven applications. The European Physical Journal, Applied Physics, EPJ AP, vol 52, (2010) pp 1-11, October [P5] N. Bernard, F. Martin, M.E. Zaïm, Design methodology of a permanent magnet synchronous machine for a screwdriver application, IEEE Transactions on Energy Conversion, Vol 27, n 3, pp , Sept [P6] L. Moreau, M.E. Zaïm, M. Machmoum Control Optimization of a Slotted Switched Reluctance Generator for High-torque Applications. Electric Power Components and Systems, Vol 42, Issue 6, [P7] F. Martin, M.E. Zaïm, M. Tounzi, N. Bernard Improved analytical determination of eddy current losses in surface mounted permanent magnets of synchronous machine, IEEE Transactions on Magnetics, Vol 50, n 6, 2014 [P8] A. Belahcen, F. Martin, M.E. Zaim, E. Dlala, Z. Kolondzovski Combined FE and Particle Swarm Algorithm for Optimization of High Speed PM Synchronous Machine. To be published in COMPEL Journal [Ouv1] R. Le Doeuff, M. E. Zaïm Machines électriques tournantes. De la modélisation matricielle à la mise en œuvre. Ed. Hermes Science Lavoisier, 268 pages, avril ISBN [Ouv2] R. Le Doeuff, M. E. Zaïm Rotating electrical machines. Traduction de [Ouv2]. Ed. ISTE Ltd John Wiley, 291 pages, ISBN This book is the English version of the previous [Ouv1] [Ouv3] A. Rezzoug, M.E. Zaïm (sous la direction de) Machines électriques non conventionnelles, Ed. Hermes Science Lavoisier, 261 pages, ISBN [Ouv4] A. Rezzoug, M.E. Zaïm (Edited by) Non-conventional Electric Machines, Traduction de [Ouv3] Ed. ISTE Ltd John Wiley, 262 pages, ISBN This book is the English version of [Ouv3] [Ouv5] M.E. Zaïm, R. Le Doeuff, M.F. Benkhoris, M. Machmoum Machines électriques tournantes. Exercices et problèmes corrigés, Ed. Hermes Science Lavoisier, 294 pages, 2012, ISBN THESES ENCADREES DEPUIS 2009 [T1] - F. MARTIN Contribution au dimensionnement optimal de machines synchrones à aimants déposés en surface pour applications haute vitesses, Université de Nantes, avril [T2] Hao CHEN Modeling and control of a marine current energy conversion system using a doubly salient permanent magnet generator, Université de Nantes, 11 juillet [T3] Nacereddine Harkati Modelisation et conception de génératrices lentes pour hydrolienne, University of Nantes, soutenance prévue en juin [T4] Nassim Bekka Modélisation et optimisation d actionneurs rotatifs fort couple pour systèmes embarqués, Université de Nantes, soutenance prévue en octobre 2015.

6 CV de l encadrant (1 page au maximum) Nicolas BRACIKOWSKI MAITRE de CONFERENCES à l IUT de SAINT NAZAIRE Tél : Activités de Recherche Mail : Conception d actionneurs électromagnétiques. Modélisation multi-physique des machines électriques : électrique, magnétique, électronique, vibratoire, acoustique et thermique. Modélisation par constantes localisées. Activités d Enseignement Enseignement au sein du Département «Génie Industriel et Maintenance» de l IUT de Saint-Nazaire. Responsabilité dans les enseignements d électronique analogique (CM,TD,TP) et dans les projets tutorés. Diplômes Universitaires - Doctorat (Génie Electrique) - Mention : Très honorable; Villeneuve d'ascq - Ecole Centrale de Lille Laboratoire L2EP ; Master ISE (Ingénierie des Systèmes Electriques) - Mention : Bien; Béthune - Faculté des Sciences Appliquées ; Licence GEII (Génie Electrique Informatique Industriel) - Mention : A-Bien; Béthune - Faculté des Sciences Appliquées ; Publications récentes : (2 Articles de revues, 11 Articles de conférences) - Jinlin GONG, Nicolas BRACIKOWSKI, Multiphysics Modeling of a Multi-phase Linear Motor Using Lumped Models, 17th International Conference on Electrical Machines and Systems, Hangzhou, China, Nicolas BRACIKOWSKI, Mathieu ROSSI, Michel HECQUET, Frédéric GILLON, Multi-physics design rules using lumped models for a permanent magnet synchronous machine, International Journal of Applied Electromagnetics and Mechanics, IJAEM, Vol. 43, N. 1, Nicolas BRACIKOWSKI, Michel HECQUET, Pascal BROCHET, Sergey V. SHIRINSKII, "Multiphysics modeling of permanent magnet synchronous machine by lumped models", Industrial Electronics, IEEE Transactions on, Vol. 59, N. 6, pages , Nicolas BRACIKOWSKI, Mathias FAKAM,, Michel HECQUET, Pascal BROCHET, Vincent LANFRANCHI,"Characterisation of radial vibration force and electromagnetic noise behavior of a PWM-fed permanent magnet synchronous machine", 20th International Conference on Electrical Machines, IEEE - ICEM 2012, Marseille, France, Nicolas BRACIKOWSKI, Michel HECQUET, Pascal BROCHET, "Optimisation multi-objectif sous contraintes multi-physiques d une machine synchrone à aimants permanents utilisant des modèles à constantes localisées.", EF2011, Conférence Électrotechnique du Futur, , FEMTO.ST, Belfort, Encadrements : (1 Thèse, 11 Master Recherche) ; - DANG Thi Nhat Linh (Septembre 2014 ) ; Taux d'encadrement : 30 %. Dimensionnement sur cycle d'une machine synchrone à aimants permanents à hautes vitesses de rotation. - Application à la propulsion des véhicules automobiles. - Encadrement de stages de Master Recherche : 11

7 CV de l encadrant (1 page au maximum) Luc MOREAU 36 ans Grade : MC Emploi actuel : Enseignant-Chercheur à l IREENA et à Polytech Nantes Expériences professionnelles : Industrie: Ingénieur d étude à la division alternateur de Leroy Somer (Emerson) de 2007 à Chef de projets : Augmentation de puissance massique des alternateurs synchrones à rotor bobiné. Alternateur à aimants permanents dédié à l alimentation de tours d éclairage (dépôt de brevet). Alternateur à rotor bobiné à vitesse variable destiné à l alimentation d un groupe de climatisation. Enseignements: Enseignements d électronique, d électronique de puissance et de conception de machines tournantes au département Génie Electrique de Polytech Nantes, en master recherche international (SEGE), en classe préparatoire intégrée (PEIP) et au CNAM. Recherche : Thèmes de recherche : Modélisation et optimisation d ensemble convertisseur machine : Thèse de doctorat de l université de Nantes ; Modélisation, conception et commande de génératrices à réluctance variable basse vitesse : Post-doctorat au L2EP (Ecole Centrale de Lille) en collaboration avec Schneider Electric sur le thème filtrage hybride série à 2015 : Encadrement de 12 stages master recherche (Système Electronique et Génie Electrique). Encadrement de thèses : Septembre 2011 (prise de poste) ; Modélisation et conception de génératrice lentes pour hydrolienne. Septembre 2012; Study of tidal energy conversion system. Publications (ou brevets) les plus significatives des cinq dernières années : [B1] L. Moreau, P. Rigaud, T. Verchere, "Assembly Operating in a Variable Regime", WO A1, publication date: August. 23, [ACL1] L. Moreau, M. Machmoum, M.E. Zaïm, Control Optimization of a Slotted Switched Reluctance Generator for High Torque Application, Electric Power Components and Systems, 2014, Taylor and Francis Journal. [ACTI 1] L. Moreau, M.E. Zaïm, M. Machmoum, Electromagnetic Design Optimization of a Low Speed Slotted Switched Reluctance Machine using Genetic Algorithm, ICEM 2012, Marseille, September [ACTI 2] N. Harkati, L. Moreau, J. F. Charpentier, M.E. Zaïm, Low speed doubly salient permanent magnet generator with passive rotor for a tidal current turbine, ICRERA, September [ACTI 3] J. Zhang, L. Moreau, J. Guo, M. Machmoum, "Joint Optimization of Electromagnetic Structure and Control of a Double Stator Permanent Magnet Generator for Tidal Energy Applications Current Applications", IEEE International Power Electronics and Application Conf. and Exposition, PEAC, Shanghai, China, nov

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