Cοntributiοn au Dévelοppement des Μachines à Flux Axial pοur l'Eοlien de Ρetite Ρuissance

Cοntributiοn tο the Develοpment οf Axial Flux Μachines fοr Small Wind Τurbine Applicatiοns

• Auteur / Autrice : Mostafa Hatoum
• Direction : Georges Barakat, Yacine Amara
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie électrique
• Date : Soutenance le 20/09/2023
• Etablissement(s) : Normandie
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique, sciences de l’ingénieur, matériaux, énergie (Saint-Etienne du Rouvray, Seine Maritime)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Groupe de Recherche en Electrotechnique et Automatique du Havre (Le Havre, Seine-Maritime ; 1999-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement co-accrédité : Université du Havre (1984-....)
• Jury : Président / Présidente : Daniel Matt
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Philippe Lecointe, Peter Sergeant, Nicolas Ziegler
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Jean-Philippe Lecointe, Peter Sergeant

Mots clés

Mots clés contrôlés

Éoliennes

Machines à réluctance

Éléments finis, Méthode des

Moteurs à aimants permanents

Mots clés libres

Flux axial

Machines à aimants permanents

Machines à reluctance variable

Eolien

Modélisation multi-Physique

Eléments finis 3D

Simulation mécanique

Axial flux

Permanent magnet machines

Switched reluctance machines

Wind turbine

Multi-Physics modeling

3D finite elements

Mechanical simulation

Résumé

Le travail accompli dans cette thèse traite la problématique de la conception des générateurs de petite puissance pour des applications éoliennes. Dans les premières phases de la conception, il a été nécessaire de développer des outils de pré-dimensionnement rapide de la machine tout en gardant une précision acceptable avant de vérifier les performances en utilisant une méthode plus précise comme les éléments finis. Ainsi, des outils de dimensionnement analytique et de constantes localisées ont été développés pour modéliser la machine magnétiquement et thermiquement. Pour la partie magnétique, une méthode analytique issu de la résolution formelle des équations de Maxwell été développée, ainsi qu’un modèle de réseau de reluctance maillé, et pour la partie thermique une modèle thermique nodal. Le modèle reluctant développé a été testé sur une machine à reluctance variable à flux axial dans le cas du linéaire et non linéaire pour une version multicouche et pour une version quasi-3D. Parmi les 2 modèles, analytique et reluctant, le modèle analytique a été choisi pour le pré-dimensionnement magnétique de la machine et une topologie à flux axial à rotor interne et 2 stators à aimants montées en surface a été choisi pour cette machine. Les performances thermiques ont été évaluées par le biais d’un modèle thermique nodal, et les performances magnétiques par un modèle éléments finis. Le comportement mécanique du disque rotorique était étudié à l’aide d’un modèle éléments finis mécanique.

The work done in this thesis deals with the design of small power generators for wind turbine applications. In the early stages of the design, it was necessary to develop tools for rapid machine pre-sizing while maintaining acceptable accuracy before verifying the performance using a more accurate method such as finite elements. Thus, analytical and lumped parameter sizing tools have been developed to model the machine magnetically and thermally. For the magnetic part, an analytical method based on the formal solution of Maxwell's equations was developed, as well as a model of a mesh based reluctance network, and for the thermal part a nodal thermal model. The reluctance network model was tested on an axial flux switched reluctance machine for both linear and nonlinear ferromagnetic material and for a multi-slice version and a quasi-3D version. Between the analytical model and the reluctance network model, the analytical model was chosen for the magnetic pre-sizing of the machine and a double stator single rotor axial flux topology with surface mounted permanent magnets was chosen. The thermal performance of the machine was evaluated using a nodal thermal model, and magnetic performance was evaluated by a finite element model. The mechanical behavior of the rotor disc was studied using a mechanical finite element model.