Méthodes et outils numériques pour l'optimisation de la forme et de la topologie des machines électriques

Numerical methods and tools for optimizing the shape and topology of electrical machines

• Auteur / Autrice : Olivier Brun
• Direction : Olivier Chadebec, Laurent Gerbaud
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Génie électrique
• Date : Inscription en doctorat le ; Soutenance le 02/07/2024
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de génie électrique (Grenoble, Isère, France ; 2007-....)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Modèles, Méthodes et Méthodologies Appliqués au Génie Electrique
• Jury : Président / Présidente : Frédéric Vignat
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Olivier Chadebec, Frédéric Messine, Frédéric Gillon, Maya Hage-hassan
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Frédéric Messine, Frédéric Gillon

Mots clés

Mots clés libres

Optimisation topologique

Optimisation de forme

Machines électriques

Méthode des éléments finis

Optimisation multiphysique

Electrical Machines

Topology Optimization

Shape Optimization

Electrical machines

Finite Element Method

Multiphysic optimization

Résumé

La conception de moteurs électriques est un secteur qui fait face à de nombreux défis économiques et environnementaux. En conséquence, il est important pour les ingénieurs de concevoir les machines les plus efficaces possibles en termes de performances électromagnétiques mais aussi en termes de coûts de production. Pour concevoir de tels dispositifs, les ingénieurs peuvent avoir recourt à des méthodes de simulation et d'optimisation numérique. En particulier, l'essor des méthodes de fabrication additive a rendu populaire l'utilisation des méthodes numériques d'optimisation de forme et topologique. Ces méthodes permettent de concevoir des moteurs performants et totalement innovants, mais souvent difficilement usinables. En effet, les optimisations purement électromagnétiques ne permettent pas d’assurer la bonne tenue mécanique du résultat, ni même de garantir sa connexité. Dans cette thèse, nous proposons une méthodologie d'optimisation de forme et topologique capable de prendre en compte simultanément des critères magnétiques et mécaniques. Cette méthodologie permet de formuler des problèmes d'optimisation généralistes comportant à la fois des critères de performances électromagnétiques, mais aussi de tenue mécanique. Nous utilisons des méthodes d'optimisation à descente de gradient. Ces méthodes nécessitent une étape d'analyse de sensibilité des critères à optimiser. Nous utiliserons de manière novatrice la méthode des travaux des travaux virtuels pour conduire le calcul et l'analyse de sensibilité formelle des forces et du couple magnétique, afin de pouvoir les utiliser dans nos optimisations. En effet, ces grandeurs sont à la base de nombreux critères intéressants à optimiser sur les machines tournantes, tels que leur couple moyen ou leurs ondulations de couple. Enfin, nous appliquons notre méthodologie au cas de l'optimisation de rotors de machines tournantes. La généralité de la méthodologie nous permet de l’éprouver sur de machines synchrones avec et sans aimants au rotor, et dans des scenarios d’optimisation de difficulté croissante. Nous démontrons l’intérêt de l’apport de contraintes mécanique aux optimisations purement magnétiques. En effet, cette approche multiphysique nous permet d’obtenir des structures à la fois connexes et performantes d'un point de vue de leurs performances électromagnétiques.

The electric motors design sector faces economic and environmental challenges. Consequently, it is crucial for engineers to design the most efficient machines in terms of both electromagnetic performance and production costs. Engineers often rely on numerical simulation and optimization methods to design such devices. In particular, the rise of additive manufacturing techniques has notably popularized the use of numerical methods such as shape and topology optimization. While these methods facilitate the creation of high-performance and innovative motors, they frequently trigger manufacturing challenges. Indeed, purely electromagnetic optimizations fail to ensure the mechanical integrity and connectivity of the resulting designs. In this thesis, we propose a methodology for shape and topology optimization capable of simultaneously considering magnetic and mechanical criteria. This methodology enables the formulation of general optimization problems that ensure both electromagnetic performance and mechanical robustness. We use gradient descent optimization methods, which require a sensitivity analysis of the criteria to be optimized. We innovatively use the virtual work method to perform the calculation and the formal sensitivity analysis of magnetic forces and torque, enabling their use in our optimizations. Indeed, these quantities are the basis of many interesting criteria to optimize in rotating machines, such as their average torque or torque ripple. Finally, we apply our methodology to the optimization of rotating machine rotors. The generality of our methodology allows us to test it on synchronous machines with and without rotor magnets, and in increasingly challenging optimization scenarios. We demonstrate the value of incorporating mechanical constraints into purely magnetic optimizations. This multiphysics approach enables us to obtain structures that are both connected and high performing in terms of their electromagnetic performance.