Contribution au suivi de l'état de santé des machines synchrones à aimants permanents. Détection précoce de défauts de désaimantation localisés et caractérisation hautes fréquences du stator

Contributing to the health monitoring of permanent magnet synchronous machines. Early detection of localized demagnetization faults and high-frequency stator characterization

• Auteur / Autrice : Jérémy Creux
• Direction : Farid Meibody-Tabar, Thierry Boileau
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Énergie et mécanique
• Date : Soutenance le 13/11/2025
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale SIMPPé - Sciences et ingénierie des molécules, des produits, des procédés, et de l'énergie (Lorraine ; 2018-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Energies et Mécanique Théorique et Appliquée
• Jury : Président / Présidente : Éric Monmasson
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Farid Meibody-Tabar, Thierry Boileau, Raphaël Romary, Najla Haje Obeid, Corinne Alonso
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Éric Monmasson, Raphaël Romary
• DOI : 10.70675/d6c211bbz8de1z473bzb256z85b02cab7012

Mots clés

Mots clés contrôlés

Moteurs à aimants permanents

Entretien et réparations

Durée de vie (ingénierie)

Détection de défaut (ingénierie)

Aimantation

Simulation par ordinateur

Réponse en fréquence (électrotechnique)

Excitation électronique

Mots clés libres

Suivi de l'état de santé

MSAP

Désaimantation

Modèle numérique

Caractérisation fréquentielle large bande

Excitation HF

Health monitoring

PMSM

Demagnetization

Numerical model

Broadband frequency characterization

HF excitation

Résumé

Dans un contexte d'électrification rapide des groupes motopropulseurs dans le domaine des transports, les Machines Synchrones à Aimants Permanents (MSAP) ont subi un essor important lors de la dernière décennie. La popularité de ces machines vient de leur fiabilité, de leur forte densité de puissance et de couple, et de leur très bon rendement. Dans le secteur automobile, l'augmentation des tensions d'alimentation et des fréquences de découpage, couplée à la réduction des volumes disponibles, conduisent à l'exposition des MSAP à de fortes contraintes électriques, mécaniques et thermiques, ce qui favorise leur vieillissement. Parmi les défaillances les plus pernicieuses, on retrouve la démagnétisation des aimants permanents au rotor et l'usure des isolants entre conducteurs statoriques conduisant à des défauts de court-circuit inter-spires. Afin de garantir le rendement et la disponibilité de ces machines, le suivi de leur état de santé est indispensable pour mettre en place des stratégies de maintenance adaptées. Pour cela, des méthodes de détection sensibles et fiables sont nécessaires afin d'identifier des défaillances naissantes, dès les premiers symptômes de vieillissement. Dans cette optique, nous avons d'abord réalisé une étude bibliographique afin de comprendre les phénomènes de démagnétisation des aimants permanents dans les MSAP, ainsi que les approches de modélisation et de diagnostic utilisées. Puis, nous avons développé un modèle numérique de plusieurs MSAP afin de caractériser leur comportement en présence de démagnétisations locales. Les signatures caractéristiques de tels défauts ont alors été identifiées. L'impact topologique du type de bobinage, du nombre de paires de pôles, ou encore du design rotorique, sur les signatures de démagnétisations a également été investigué. Ensuite, ces travaux proposent d'utiliser l'injection d'harmoniques pour détecter les défauts de désaimantation de faibles sévérités. Une telle stratégie a été développée, puis, une étude expérimentale a permis de valider les conclusions obtenues lors de l'étude numérique, mais également d'évaluer la sensibilité des indicateurs de défaut proposés. Dans un second temps, la littérature a mis en avant l'évolution du comportement fréquentiel des bobinages statoriques avec la qualité des systèmes d'isolation. Ainsi, pour suivre leur état de santé et identifier de manière précoce une dégradation d'isolation dans le cadre d'applications embarquées, une approche de caractérisation non-invasive et sans retirer la machine de son environnement fonctionnel est nécessaire. Aucune approche issue de la littérature ne répond à ces critères. Pour lever ce verrou, nous avons alors utilisé l'excitation harmonique naturelle des bobinages lorsqu'ils sont alimentés par un onduleur de tension, piloté via modulation par largeur d'impulsions (MLI). La méthode proposée permet alors de reconstruire un diagramme de Bode du comportement impédant des bobinages et ainsi d'évaluer le module et la fréquence des deux premières résonances parallèle et série, caractéristiques de l'état de santé des isolants.

The rapid electrification of powertrains in the transportation sector has led to significant growth in the use of permanent magnet synchronous machines (PMSM) over the past decade. These machines are appealing due to their reliability, high power and torque density, and excellent efficiency. In the automotive sector, the combination of increasing supply voltages and switching frequencies with reduced volumes available means that PMSM are exposed to high electrical, mechanical, and thermal stresses, contributing to their aging. The most pernicious failures include the demagnetization of permanent magnets in the rotor, and the deterioration of the insulation between stator conductors leading to interturn short-circuit faults. To guarantee the efficiency and availability of these machines, it is essential to monitor their condition and implement appropriate maintenance strategies. Therefore, sensitive and reliable detection methods are needed to identify incipient faults as soon as the first signs of aging appear. To this end, we first conducted a literature review to understand permanent magnet demagnetization phenomena in PMSM and to identify the modeling and diagnostic techniques currently in use. Then, we developed a numerical model of several PMSM to characterize their behavior in the presence of local demagnetization. The distinctive signatures of these faults were identified. We also investigated the topological impact of the winding type, number of pole pairs, and rotor design on demagnetization signatures. Additionally, this work proposes using harmonic injection to detect low-severity demagnetization defects. Such a strategy was developed, and an experimental study validated the conclusions drawn from the numerical analysis and assessed the sensitivity of the proposed fault indicators. Second, the literature emphasized how the frequency behavior of stator windings evolves depending on the quality of insulation systems. Therefore, a non-invasive characterization procedure that does not require the machine to be removed from its operating environment is necessary to monitor their condition and identify any deterioration in insulation at an early stage. None of the approaches described in the literature meet these essential criteria for embedded applications. To overcome this challenge, we exploited the natural harmonic excitation of the windings when powered by a voltage inverter with pulse-width modulation (PWM). The proposed method reconstructs a Bode diagram of the windings impedance behavior, enabling evaluation of the module and frequency of the first two parallel and serial resonances, which reflect insulation health.