Modèles 3D hybrides pour les machines électriques

3D hybrid models for electrical machines

• Auteur / Autrice : Théo Carpi
• Direction : Yvan Lefèvre
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie Électrique
• Date : Soutenance le 01/04/2021
• Etablissement(s) : Toulouse, INPT
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Génie électrique, électronique, télécommunications et santé : du système au nanosystème (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Plasma et Conversion d'Energie (Toulouse ; 2007-....)
• Jury : Président / Présidente : Christophe Espanet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Yvan Lefèvre, Christophe Espanet, Georges Barakat, Daniel Matt, Nelson Sadowski, Maya Hage Hassan, Jean-François Llibre
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Georges Barakat, Daniel Matt

Mots clés

Mots clés contrôlés

Électromagnétisme

Modélisation tridimensionnelle

Machines électriques

Mots clés libres

Machines électriques

Modèles hybrides 3D

Électromagnétisme

Electrical machines

3D hybrid models

Electromagnetism

Résumé

Dans le domaine des actionneurs électriques dédiés aux systèmes embarqués, l’augmentation de la densité de puissance ou de la puissance spécifique est devenue un enjeu primordial. En termes de couple spécifique, les machines électriques offrant les meilleures performances sont les machines à aimants permanents, qui sont l’objet d’étude de ce manuscrit. Parmi les axes possibles d’amélioration des machines électriques, l’augmentation de la surface d’interaction entre l’onde de champ magnétique rotorique et l’onde de densité de courant surfacique statorique permet d’envisager un gain important en termes de couple spécifique. Dans ce but, nous avons pensé à une nouvelle configuration géométrique de machine, qui théoriquement tire 100% du cuivre présent pour générer un couple. Cette machine présente une géométrie toroïdale et constitue l’objet d’étude de cette thèse. Ainsi, nous nous attacherons à l’élaboration du modèle de cette nouvelle machine dans le but d’étudier ses performances et de les comparer aux configurations de machines déjà existantes. Pour y aboutir, nous étudierons préalablement ce qui se fait en termes de modélisation analytique dans la littérature. Ainsi, nous chercherons à élaborer une méthode de modélisation commune à toutes ces configurations géométriques y compris la nouvelle topologie toroïdale afin de pouvoir les comparer sous les mêmes hypothèses mathématiques. Dans ce but, une méthode de modélisation hybride liant la méthode analytique à la méthode des différences finies a été développée pour modéliser en trois dimensions les machines électriques. L’objectif de cette modélisation est de rester simple au niveau de la complexité du développement et du temps de calcul afin de les intégrer dans des algorithmes de dimensionnement/optimisation. Cette méthode sera validée par éléments finis et expérimentalement sur le cas d’une machine à flux axial avant d’être utilisée pour modéliser la nouvelle configuration de machine proposée dans cette thèse.

In the field of electric actuators dedicated to embedded systems, increasing power density has become a major challenge. In terms of torque mass ratio, the electrical machines offering the best performance are permanent magnet machines, which are the focus of this manuscript. However, on all existing machines, the presence of heads winding on which no torque is produced can be noticed, in addition, the production of heat over them is associated with a loss in the overall power balance. Among the possible areas for improvement of electrical machines, increasing the interaction area between the rotor magnetic field and the stator current density enables a significant gain in terms of torque mass ratio. To this end, we have thought of a new machine structure, which theoretically draws 100% of the copper present in the machine to generate torque. This machine has a toroidal structure and is the subject of this research. Thus, we will focus on the elaboration of the model of this new machine structure in order to study its performances and to compare them to the already existing machine structures. In order to achieve this goal, we will first investigate what is done in terms of analytical modeling on existing machines. Thus, we will seek to develop a modeling method common to all these machines including the proposednew structure in order to be able to compare them under the same mathematical assumptions. Forthis purpose, a hybrid modeling method linking the analytical method to the finite difference method has been developed to model in three dimensions electric machines. The goal of thismodeling is to remain relatively simple in terms of complexity and computation time in order to integrate them into sizing/optimization algorithms. This method will be developed and validated byfinite elements and experimentally on the case of an axial flux machine before being used to model the new machine structure proposed in this thesis.