Dissertations / Theses on the topic 'Double-excitation synchronous machine'

La traction hybride et/ou électrique est un domaine d’application en pleine croissance présentant une forte restriction en termes d’encombrement. Cela a poussé les concepteurs à créer des structures de machine adaptées. Parmi ces topologies, nous trouvons les machines synchrones à double excitation (MSDE). Ces machines permettent de combiner les avantages d’une machine à aimants et ceux d’une machine à excitation bobinée. Le choix d’un modèle pour ces machines est un élément important dans les étapes d’analyse, d’optimisation et de pré-dimensionnement. Ce mémoire présente une contribution à la modélisation des machines synchrones à simple et à double excitation basée sur la méthode des réseaux de perméances. Trois parties sont ainsi proposées. La première partie de la thèse présente deux états de l’art- un sur les machines synchrones à double excitation et l’autre sur les méthodes de modélisation des machines électriques et principalement la modélisation par réseau de perméances. Dans la deuxième partie, nous abordons la modélisation 2D de la machine synchrone à aimants permanents à concentration de flux avec prise en compte de la rotation et de la saturation. Le but de cette partie est de trouver des méthodes permettant de combiner à la fois temps de calcul et précision. On commence par la modélisation par réseau de perméances en se basant sur un maillage de l’espace d'étude par des réluctances bidirectionnelles, ainsi qu’une comparaison entre calcul du couple par le tenseur de Maxwell et flux-FMM. La deuxième section présente un couplage entre réseaux de perméances et éléments finis. La méthode proposée consiste à résoudre les deux modèles (réluctant et éléments finis) simultanément avec un logiciel EF. Le couplage s’effectue par une équivalence entre les dimensions géométriques et les caractéristiques magnétiques des matériaux. La présentation des différents modèles dans le plan précision-temps de calcul montre l’efficacité de l’utilisation des réseaux de perméances et du couplage comparé au modèle éléments finis. La troisième partie porte sur la modélisation tridimensionnelle des machines synchrones à double excitation. Dans un premier temps, nous présentons une adaptation de la modélisation par réseau de perméances aux structures tridimensionnelles. Puis, nous appliquons ce modèle aux machines synchrones à double excitation. La machine à double excitation à concentration de flux est présentée avec une étude de l’influence du feuilletage sur la capacité de contrôle du flux. Pour améliorer le contrôle du flux d'excitation, une machine à aimants enterrés homopolaire est également étudiée avec l'approche développée. La validation du modèle est réalisée par des éléments finis et des mesures expérimentales. Dans la dernière partie, une comparaison entre configurations homopolaire et bipolaire de la structure à aimants enterrés est effectuée, puis le rotor à concentration de flux est optimisé afin de le comparer à la machine à aimants enterrés
The electric and / or hybrid driveis are an application area growing with a strong restriction in terms of congestion. This prompted the designers to create appropriate structures. Among these topologies, we find the double-excitation synchronous machine (MSDE). These machines can combine the advantages of permanent magnets machine and those of a coils excited machine.The choice of a model for these machines is an important step in the analysis, optimization and pre-sizing. This thesis presents a contribution to the modeling by magnetic equivalent circuit (MEC) of single and double excitation synchronous machines. Three parties are offered as well. The first part of the thesis presents two states of the art: one on the double-excitation synchronous machines and the other on the modeling of electrical machines, mainly in the modeling by magnetic equivalent circuit. In the second part, we discuss the 2D modeling of flux concentration permanent magnet synchronous machine taking into account the rotation and saturation. The purpose of this section is to find ways to combine both computational time and accuracy. We start by using the magnetic equivalent circuit modeling based on a mesh of the structure and each mesh is replaced by two-way reluctances, then a torque estimation are obtened by two methods flux-FMM and Maxwell stress Tensor. The second section presents a coupling between magnetic equivalent circuit and finite element method. The proposed method is to solve the two models (reluctant and finite elements) simultaneously with software EF. The coupling is performed by an equivalence between the geometric dimensions and magnetic properties of materials. The presentation of different models in terms of time-accurate calculation shows the effectiveness of the use of MEC and coupling method compared to FEM. The third part concerns the three-dimensional modeling of double excitation synchronous machines. At first, we present an adaptation of the MEC to the three-dimensional structures. Then we apply this model to the double excitation synchronous machines (DESM). The DESM with flux concentration configuration is presented. To better control the wund flux of excitation, a buried magnet homopolar machine is also studied with the same approach. Model validation is performed by finite element and experimental measurements. In the last part, a comparison between homopolar and bipolar configurations is made, then the rotor flux concentration is optimized in order to compare it to the machine magnets buried

Le travail présenté dans cette thèse est une contribution à la commande de la Machine Synchrone à Double Excitation (MSDE) pour des applications embarquées. La MSDE allie les avantages de la machine synchrone à aimants permanents et la machine synchrone à rotor bobiné. Le flux d'excitation dans cette machine est généré par deux sources : les aimants permanents et un enroulement qui est placé au stator afin d'éviter les contacts glissants. Cette dernière source permet de régler le flux dans l'entrefer. Le modèle de la machine est basé sur un modèle de Park et prend en considération les pertes fer et la saturation des circuits magnétiques. Les paramètres du prototype existant au laboratoire ont été identifiés. La commande de la MSDE est effectuée en deux modes : générateur et moteur. En génératrice, l'application visée est la génération électrique en avionique. Deux réseaux de distribution sont traités : Réseau à haute tension et à fréquence variable et réseau haute tension DC. Dans ce dernier cas, la MSDE est associée à un pont redresseur à diodes. Dans les deux cas, la commande est élaborée dans le but de maintenir l'amplitude de la tension constante via le control du courant d'excitation uniquement. Le control est scalaire. L'approche est validée par simulation avec Matlab/Simulink et par expérimentation. Pour le mode moteur, l'application visée est la propulsion dans un véhicule électrique. Une commande optimale des courants est étudiée en vue de minimiser les pertes. Les pertes joules sont considérées premièrement. Ensuite, les pertes fer sont ajoutées. Finalement, le problème de minimisation est étendu pour inclure les pertes dues à l'onduleur et au hacheur. L'optimisation par la méthode des multiplicateurs de Lagrange (Kuhn-Tucker conditions) est utilisée pour trouver des expressions analytiques des courants statoriques et inducteur optimaux. Des simulations avec Matlab/Simulink prouvent que la solution obtenue est celle qui assure les pertes minimales tout au long du nouveau cycle de conduite européen
This thesis is a contribution to the control of the Hybrid Excitation Synchronous Machine (HESM) in embedded applications. The HESM combines the advantages of the Permanent Magnets (PM) machine and the wound rotor machine. The excitation flux in this machine is produced by two different sources: the PMs and a DC field winding that is placed at the stator to preserve a brushless structure. The latter source is used to control the flux in the air gap. The machine model is based on a Park model and takes into account the iron losses and the magnetic circuit saturation effect. The electric parameters of the laboratory prototype are identified. The machine is controlled in generator mode and motor mode. In power generation system, the study treats in particular the aircraft power supply in more electric aircrafts. Two distribution networks are studied: High voltage variable frequency network and high voltage DC network. In the latter case, the HESM is coupled to a diode bridge rectifier. In both cases, the control aims to maintain the output voltage magnitude equal to its reference via action on the field current only. The control is scalar. Simulation with Matlab/Simulink and experiments validate the approach. For the motor mode, the attention is paid to the electric propulsion in an electric vehicle. An optimal current control with minimal losses is elaborated. The copper losses are considered in a first place. Iron losses are added next. Finally, the optimization problem is extended and it includes the losses due to the inverter and the chopper. Analytical expressions of the reference armature and field currents are computed using extended Lagrange multiplier method (Kuhn-Tucker conditions). Simulation with Matlab/Simulink software proves that the analytical solution yields indeed to the current combination that guarantees the minimal losses over the New European Driving Cycle

Dans un contexte ou la question de la préservation de l'environnement est devenue un sujet sociétal majeur, la recherche de nouvelles technologies pour remplacer la voiture à essence constitue un véritable enjeu industriel. Les véhicules hybrides et électriques sont une alternative prometteuse aux véhicules conventionnels. Ce travail de thèse porte sur la conception et l'optimisation des machines électriques pour la motorisation de ces voitures.Au cours de ces travaux, nous avons développé une nouvelle méthodologie de dimensionnement et d'optimisation des machines synchrones à double excitation. L'intérêt de cette méthode est son bon compromis entre la précision et le temps de calcul et sa capacité d'adaptation à plusieurs types de machines. Le second volet de la thèse est consacré à la proposition d'une nouvelle structure de machine synchrone à rotor bobiné. Une technique originale de compensation de la réaction magnétique d'induit est mise en place, elle consiste en l'insertion d'aimants secondaires permettant de créer un flux dans l'axe q de la machine. Ce dernier a pour rôle d'affaiblir le flux de la réaction magnétique d'induit
In a context where the question of the environmental protection has become a major social problem, research new technologies to replace the gasoline car is a real industrial challenge. The hybrid and electric vehicles are a promising alternative to conventional vehicles. This thesis focuses on the design and optimization of electrical machines for electric and hybrid cars.In this work, we developed a new methodology for design and optimization of hybrid excitation synchronous machines. The advantage of this method is its good compromise between accuracy and computation time and its ability to be adapted to a wide range of machines. The second part of this thesis is devoted to the development of a new structure of a wound rotor synchronous machine. A novel technique for compensating the armature reaction of this machine is introduced, it involves the insertion of secondary magnets to produce a quadratic axis flux (q-axis), this latter has the function of weakening the armature reaction flux

Les travaux de cette thèse portent sur une nouvelle structure de machine à double excitation (MSDE) pour l'application des véhicules hybrides et électriques. Ce type de machine, ayant deux sources d'excitation, bénéficie un degré de liberté supplémentaire et un contrôle facile sur le flux. Grâce à ce degré de liberté, la machine peut être dimensionnée de manière que son meilleur rendement coïncide avec la zone de fonctionnement la plus sollicitée de la machine. Cette nouvelle structure a fait l'objet principal de ce mémoire. Le fonctionnement de la MSDE est présenté dans les deux premiers chapitres. La machine est dimensionnée suivant un cahier des charges pour véhicule hybride. La validation expérimentale a confirmé le bon fonctionnement de la structure et montré son intérêt. Une autre problématique dans le dimensionnement de la machine est l'aspect thermique car les machines sont devenues de plus en plus compactes et puissantes. Une estimation correcte des pertes est indispensable pour évaluer correctement les performances de la machine. C'est la raison pour laquelle on a décidé de consacrer une partie de cette thèse à la modélisation des pertes fer, dont l'estimation n'est pas évidente.

Les machines électriques classiques comme les machines asynchrones et les machines à aimant permanent sont largement utilisées dans ces applications de traction, et surtout en traction ferroviaire. Cette thèse évalue la contribution d'un autre type de machines, appelé machines synchrones à double excitation dans cette même application. Le terme double excitation signifie que le flux de la machine est créé par deux sources : le bobinage d'excitation et les aimants permanents. Le degré de liberté fourni par le bobinage d'excitation permet d’atteindre l’objectif d’amélioration de l’efficacité. Ce travail a pour but d’identifier les avantages des machines à double excitation sur un cycle de conduite spécifique. Il définira également les cas dans lesquels cette machine fournira de meilleures performances que celles des machines classiques.Les études récentes considèrent uniquement l’optimisation des systèmes en optimisant chaque composant du système séparément. Cependant, avoir les meilleurs performances dans chacun de ces composants ne signifie pas avoir un meilleur système. Afin d'atteindre des résultats plus réalistes, un modèle multi-physique prenant en compte la non linéarité des matériaux sera développé. Ce modèle intègre également les différents aspects comme l’électromagnétisme, la thermique, la mécanique et l’électronique de puissance
Classical electrical machines such as asynchronous and permanent magnet synchronous machines have been widely applied in traction applications and particularly in railway traction. This thesis, however, evaluate the contribution of a special class of synchronous machine called textbf{D}ouble textbf{E}xcitation textbf{S}ynchronous textbf{M}achine (DESM) for the railway traction. Double excitation term indicates that the field flux of the machine is created by two sources: excitation windings and permanent magnets. The degree of freedom provided by the excitation windings provides the opportunity to work on the energy efficiency improvement target. This thesis will try to answer the question whether DESM is more advantageous over classical machines in a specific driving cycle and in addition, in which cases a DESM performs better.Recent studies have merely optimized the individual components, the major drawback of this approach is that the combination of the best individuals does not necessarily form a best system. In order to achieve more realistic results, a multi-physic models taking into account nonlinear characteristic and various disciplines such as electromagnetic, thermal, mechanical and power electronics will be developed

Ce travail s'intéresse à l'étude des machines synchrones à double excitation (MSDE) et au dimensionnement de machines synchrones à aimants permanents (MSAP) dans le cadre des applications de type véhicule hybride. Celle ci se place dans le cadre général de la réduction des rejets de substances polluantes des véhicules. Le véhicule hybride, associé aux MSAP et aux MSDE constitue de ce point de vue une solution intéressante pour résoudre ces problèmes. Nous avons mis au point plusieurs modèles électromagnétiques analytiques (linéaires ou non) de MSAP basés sur la transformation de Park et sur l'utilisation de réseaux réluctants destinés à être intégré dans des structures à double excitation. Ceux ci permettent de concilier précision, rapidité et simplicité. Nous avons dimensionné et réalisé une MSDE au laboratoire SATIE répondant à un cahier des charges de véhicule hybride fourni par le groupe PSA. Celle ci a pu répondre aux contraintes des spécifications à la fois en terme d'encombrement et de performances.

Un nombre croissant d'industriels et d'organismes de recherche tentent de trouver des solutions technologiques innovantes permettant une meilleure gestion de l'energie. Les machines synchrones à double excitation (MSDE) sont parmi les solutions les plus intéressantes qui ne cessent d'immerger dans cette perspective. Mon travail de thèse s'inscrit dans le cadre de la conception d'une MSDE destinée a l'entrainement électromécanique direct. Une MSDE a été dimensionnée, réalisée et testée. Un rapport de gain en vitesse de 3 a été atteint ce qui est bon au regard des structures du même type actuellement publiées dans la littérature. Le travail mené s'est d'abord orienté vers l'étude bibliographique de la problématique de la thèse (le vehicule électrique), le cahier des charges dimensionnant de sa motorisation et les différentes solutions envisageables pour l'entraînement direct. L'étude comparative de ces solutions nous a justifié le choix des MSDE en général et en particulier la structure proposée : MSDE de série avec la bobine auxiliaire placée au rotor. Ensuite nous avons developpé les modèles analytiques (par réseaux de reluctances) d'une part et numérique par élément fini couplé à matlab/simulink d'autre part. Ces derniers ont été utilisés avec succès. Dans un deuxième temps nous avons voulu étudier en grandeur nature la solution proposée et cela à travers la réalisation d'un prototype de MSDE. Pour des raisons économiques nous avons juste réalisé le rotor sur mesure d'un stator que nous avons recupéré d'une machine à induction dont la puissance est 5. 5kw. Les tests pratiques sont encourageants tant au niveau des paramètres physiques qu'au niveau des performances du défluxage
The research departments from universities and industrial companies are more and more interested in finding innovated solutions for a better energy handling. In this perspective, the double excited synchronous machines (DESM) are among the most interesting and suitable solutions. My phd work deals with the designing of a desm for electric vehicle propulsion. A desm was dimensioned, realized and tested, with a 3 times speed gain obtained – which is a good result, regarding the same type of variants founded in the literature. This work is firstly oriented on the bibliographical study dealing with the electrical vehicle problem, the main demands involved by this application and different electrical machines topologies that are best responding to these tasks. A comparative study was carried out in order to justify the desm choice in general, and the proposed desm, in particular: with series double excited circuit and the auxiliary winding placed on the rotor armature. Then, an analytical design (with reluctances circuit) was developed and a numerical analyze, by finite element method coupled with matlab/simulink, was used to validate the analytical approach. These studies were successfully utilized. Secondly, the true performances of the proposed solution were revealed by experimental measurements of the desm prototype. The stator core is taken from an induction machine of 5. 5kw, while the rotor armature is adapted to fulfill our need. The experimental results are encouraging respecting the physical parameters and the flux-weakening performances

Le sujet de ce mémoire concerne l'étude du comportement transitoire d'un alternateur à double excitation. La mise en équation dans le cas général où les deux enroulements sont décalés d'un angle quelconque est décrite dans le premier chapitre. Le comportement de l'alternateur connecté à un réseau de puissance infinie est régi par onze équations non linéaires. Il est alors proposé un modèle d'ordre 4 qui représente le meilleur compromis précision-simplicité pour l'étude en petits mouvements. Le second chapitre est consacré à l'étude en petits mouvements par le placement des pôles dans le plan complexe. Les résultats obtenus montre qu'un régulateur doit comporter un stabilisateur d'angle. Ce chapitre se termine par l'étude de l'action des différentes boucles de régulation sur le placement des pôles. Une conclusion importante est qu'il est nécessaire d'utiliser des variables directement mesurables. Dans le chapitre trois, on étudie différentes régulations dans le cadre des petits mouvements. Une commande robuste par restriction de pôles est alors adoptée. Le régulateur choisi utilise alors des propriétés de découplage et réalise un pseudo contrôle vectoriel en agissant sur l'angle donnant la position de la forcer électromotrice par rapport au rotor. La prise en compte des temps d'acquisition ainsi qu'une étude de sensibilité aux variations de points de fonctionnement et aux variations de paramètres permet d'éprouver la robustesse du régulateur en vue d'une faisabilité industrielle. Le quatrième et dernier chapitre concerne le comportement dans le cadre de courts-circuits triphasés de l'alternateur à double excitation stabilisé par le régulateur défini précédemment. Il est montré que l'alternateur peut fonctionner en régime de forte absorption de réactif y compris pour des lignes de 500 km. Ce chapitre se conclut par l'analyse de différents paramètres sur les réponses du système
The aim of this work concerns the transient behaviour of a two-axis excitation generator. In the first chapter, the equations are written in the general case of two field windings set by an angle α (0<α<90°). When the generator is linked to a strong network, the number of the non-linear equations is great. In case of small disturbances, the system can be reduced to a four order model. The second chapter concerns the stabvility for small disturbances by use of root locus. The open-loop results show that natural frequency oscillation of a two-axis excitation generator are more important than for a classical one. It is necessary to regulate an angle to stabilize a two-axisexcitation generator. The angle between stator voltage and rotor axis has been choiced due to measurement facilities. In the third chapter, threeregulators are simulated for small disturbances. The closed-loop gains are calculated to put the poles in a restricted area for any operating point. The best regulator for any working point uses input transformation property and realises vector control by action on the angle between the position of the electromotrice force and the rotor. Measuring time are taken into account, the values of the roots when some parameters changed are discussed too. The fourth and last chapter concerns the stability in case of large disturbances like short-circuit. Some limits are introduced on the regulator. The simulation results show the generator ability to consume high reactive power even when the length of the transmission line reaches 500 km. Two generators are compared, a turbogenerator 1100 MVA rating and a 160 MVA rating. The influence of some generator parameters are discussed in the end of this chapter. A generator of medium rating power seems to be particulary well adapted

Les machines à double excitation sont des machines synchrones où coexistent deux circuits d'excitation, l'un à aimants permanents et l'autre bobiné. L'étude a montré que la double excitation permet d'allier les avantages des machines synchrones à inducteur bobiné à celles des machines à aimants permanents. Ce concept permet un meilleur dimensionnement de l'ensemble convertisseur-machine, et une meilleure gestion de l'énergie. Pour que les machines à aimants permanents puissent fonctionner sur une large plage de vitesse, il est nécessaire qu'elles aient une réaction magnétique d'induit du même ordre que le flux d'excitation. En contre partie, le facteur de puissance est plus faible et le convertisseur d'alimentation est surdimensionné. La double excitation permet aux machines à aimants permanents de fonctionner sur une large plage de vitesse, même si la réaction magnétique d'induit est relativement faible par rapport au flux d'excitation, tout en ayant un meilleur facteur de puissance. .
Synchronous double excitation machines are synchronous machines where coexist two excitation circuits, one with permanent-magnets, and the other with coiled excitation. The study of these machines showed that the double excitation makes it possible to combine the advantages of the wound field synchronous machines with those of the permanent-magnet machines. This concept allows a better design of the converter-machine set, and a better management of energy. Until now, the use of permanent magnet machines has been limited by the magnets fixed excitation flux. The constant excitation flux, in light of the constraints imposed by power electronics, does not allow machines to operate beyond a certain speed (base speed). However, flux control is possible by acting upon the component in the d-axis of the magnetic armature reaction by means of the static converter. This step is not possible if the static converter present in the conversion chain is not controlled, which reflects the case of an alternator discharging on a diode-rectifier. .

Ce travail s'intéresse à l'étude des machines synchrones à double excitation (MSDE) et au dimensionnement des machines synchrones à aimants permanents (MSAP) dans le cadre des applications de type véhicule hybride. Celle-ci se place dans le cadre général de la réduction des rejets de substances polluantes des véhicules. Le véhicule hybride, associé aux MSAP et aux MSDE constitue de ce point de vue une solution intéressante pour résoudre ces problèmes. Nous avons mis au point plusieurs modèles électromagnétiques analytiques (linéaires ou non) de MSAP basés sur la transformation de Park et sur l'utilisation de réseaux réluctants. Ceux-ci permettent de concilier précision, rapidité et simplicité. Nous avons dimensionné et réalisé une MSDE au laboratoire SATIE répondant à un cahier des charges de véhicule hybride fourni par le groupe PSA. Celle-ci a pu répondre aux contraintes des spécifications à la fois en terme d'encombrement et de performances.

Les machines à double excitation (aimants permanents et bobines d’excitation) sont depuis quelques années étudiées par de nombreuses équipes de recherche dans le monde pour leur souplesse de fonctionnement et leur puissance volumique importante. Dans cette thèse, nous présentons une nouvelle structure de machine à double excitation. C’est une machine à commutation de flux, donc qui possède un rotor passif, et dont la partie de double excitation située au stator est maintenue par une culasse à griffes. Dans une première partie, les caractéristiques importantes de cette structure sont exposées à partir de mesures sur un prototype et de modèles par éléments finis. Les différents trajets de flux ainsi que l’excursion du flux à vide en fonction du courant de double excitation ou encore les FEM à vide et le courant de court-circuit sont présentés. L’objectif est de caractériser de façon précise le fonctionnement de cette machine. Outre le fonctionnement à vide, les fonctionnements en mode moteur et en mode générateur sont présentés pour évaluer les performances. Le second chapitre de cette thèse présente différents modèles de la machine à double excitation. Tout d’abord à partir de modélisations par éléments finis nous montrons les impacts des caractéristiques magnétiques telles que la courbe BH et l’induction rémanente des aimants permanents sur le flux à vide de différentes machines à commutation de flux et double excitation. Puis nous présentons deux méthodes basées sur la modélisation par éléments finis qui permettent le calcul du courant de court-circuit. Enfin, afin de s’affranchir d’un modèle magnéto-transitoire trop gourmand en temps de calcul, nous présentons un modèle analytique. Ce modèle permet à partir de la valeur du flux à vide et de l’inductance cyclique d’une machine synchrone à aimants permanents de calculer la puissance en générateur débitant sur un pont de diodes et une source de tension fixe en fonction du courant d’excitation et de la vitesse de rotation. Dans le dernier chapitre de la thèse, nous avons développé un modèle de la machine à double excitation à bobinage global basé sur les schémas réluctants. A partir de ce modèle, nous calculons le flux à vide et l’inductance cyclique de la structure de façon plus rapide que par des simulations par éléments finis et sensiblement aussi précise afin de les utiliser dans le calcul de la puissance. Dans un dernier temps, nous avons utilisé ce modèle dans une procédure d’optimisation pour différents cahiers des charges
In this thesis, a new hybrid excitation, flux-switching machine is being presented. The main feature of this device is its global winding hybrid excitation with claw poles. This solution has been explored in order to reduce the copper mass and increase excitation winding efficiency. One of the most widely used alternators in automotive applications is a claw pole alternator whose claws are located on the rotor. The prototype introduced in this study is based on the same principle yet with claws located on the stator, which allows its rotor to be passive in rotating at higher speeds without slip-rings or brushes. Furthermore, the advantages of the double excitation are cumulative.The thesis will first describe the structure and operating principles of this new hybrid excitation, flux-switching machine, For example, the no-load flux linkage and the back-electromotive force on a no-load are measured and calculated;. Moreover, the load testing of this machine will be displayed. Short-circuit currents will be calculated and measured in order to determine the output power capability while operating in generator mode. The second chapter presents finite element and analytical models which allows to determine the output power capability while operating in generator mode. And with the FEA, the no-load flux linkage is investigated, This investigation serves to highlight: the influence of the stacking factor, the B-H curve definition, and the permanent magnet residual induction value, Finally, a lumped-parameter magnetic circuit model is developed and validated by 3-D finite element analysis, The model allows estimating output power of the structure when running in generator mode (with a DBR) faster than with 3D-FEA. In addition, thanks to the model the geometry is optimized for several specifications

Dans un contexte ou la question de la préservation de l'environnement est devenue un sujet sociétal majeur, la recherche de nouvelles technologies pour remplacer la voiture à essence constitue un véritable enjeu industriel. Les véhicules hybrides et électriques sont une alternative prometteuse aux véhicules conventionnels. Ce travail de thèse porte sur la conception et l'optimisation des machines électriques pour la motorisation de ces voitures. Au cours de ces travaux, nous avons développé une nouvelle méthodologie de dimensionnement et d'optimisation des machines synchrones à double excitation. L'intérêt de cette méthode est son bon compromis entre la précision et le temps de calcul et sa capacité d'adaptation à plusieurs types de machines. Le second volet de la thèse est consacré à la proposition d'une nouvelle structure de machine synchrone à rotor bobiné. Une technique originale de compensation de la réaction magnétique d'induit est mise en place, elle consiste en l'insertion d'aimants secondaires permettant de créer un flux dans l'axe q de la machine. Ce dernier a pour rôle d'affaiblir le flux de la réaction magnétique d'induit.

Lors de la phase de dimensionnement d’un générateur électrique, des choix préliminaires imposent généralement la topologie. Cette thèse a pour objectif d’apporter une aide décisionnelle au choix des structures de générateurs de fortes puissances. L’intérêt des machines à haute efficacité énergétique est porté par des objectifs environnementaux forts. En conséquence, maîtriser et comprendre l’origine des pertes dans les machines de production d’électricité est un enjeu capital. Ainsi, une méthodologie de calculs de pertes fer est développée pour des générateurs de fortes puissances.Dans les secteurs de la production et conversion d’énergie, les Machines Synchrones à Double Excitation présentent un fort potentiel pour répondre aux défis de la transition énergétique. Dès lors, il est important de quantifier l’impact de ces nouvelles structures par rapport aux solutions existantes. Cette thèse propose une modélisation par méthodes analytiques et semi-analytiques dans l’objectif de concevoir un ensemble de structures de générateurs. La modélisation est également comparée à deux prototypes de fortes puissances, dont un pour une application éolienne à attaque directe.Ensuite, cette modélisation est employée dans un processus de conception par optimisation. Les structures Pareto optimales sont comparées suivant différents cahiers des charges. Ces optimisations permettent de mettre en avant des gains significatifs par rapport aux solutions existantes notamment sur des données statistiques de fonctionnement éolien
During the design phase of an electrical generator, the topology is generally imposed by preliminary criteria. This thesis aims at providing a decision support for the choice of high power generator structures. The interest for high efficiency machines is driven by strong environmental objectives. Consequently, understanding the origin of losses in power generation machines is a major issue. Thus, a methodology for iron loss calculation is developed for high power generators.In the energy production and conversion sectors, Hybrid Excitation Synchronous Machines have a great potential to respond to the challenges of energy transition. It is important to quantify the impact of these new structures compared with existing solutions. This thesis proposes analytical and lumped models to design a set of generator structures. The modeling approach is also compared with two high power generators, including one for a direct drive wind turbine. Then, this modeling is used in an optimization design process. The optimal Pareto structures are compared according to different specifications. These optimized designs show significant gains compared to the existing solutions, especially on wind profile from a Weibull probability density function

La traction hybride et/ou électrique est un domaine d'application en pleine croissance présentant une forte restriction en termes d'encombrement. Cela a poussé les concepteurs à créer des structures de machine adaptées. Parmi ces topologies, nous trouvons les machines synchrones à double excitation (MSDE). Ces machines permettent de combiner les avantages d'une machine à aimants et ceux d'une machine à excitation bobinée. Le choix d'un modèle pour ces machines est un élément important dans les étapes d'analyse, d'optimisation et de pré-dimensionnement. Ce mémoire présente une contribution à la modélisation des machines synchrones à simple et à double excitation basée sur la méthode des réseaux de perméances. Trois parties sont ainsi proposées. La première partie de la thèse présente deux états de l'art- un sur les machines synchrones à double excitation et l'autre sur les méthodes de modélisation des machines électriques et principalement la modélisation par réseau de perméances. Dans la deuxième partie, nous abordons la modélisation 2D de la machine synchrone à aimants permanents à concentration de flux avec prise en compte de la rotation et de la saturation. Le but de cette partie est de trouver des méthodes permettant de combiner à la fois temps de calcul et précision. On commence par la modélisation par réseau de perméances en se basant sur un maillage de l'espace d'étude par des réluctances bidirectionnelles, ainsi qu'une comparaison entre calcul du couple par le tenseur de Maxwell et flux-FMM. La deuxième section présente un couplage entre réseaux de perméances et éléments finis. La méthode proposée consiste à résoudre les deux modèles (réluctant et éléments finis) simultanément avec un logiciel EF. Le couplage s'effectue par une équivalence entre les dimensions géométriques et les caractéristiques magnétiques des matériaux. La présentation des différents modèles dans le plan précision-temps de calcul montre l'efficacité de l'utilisation des réseaux de perméances et du couplage comparé au modèle éléments finis. La troisième partie porte sur la modélisation tridimensionnelle des machines synchrones à double excitation. Dans un premier temps, nous présentons une adaptation de la modélisation par réseau de perméances aux structures tridimensionnelles. Puis, nous appliquons ce modèle aux machines synchrones à double excitation. La machine à double excitation à concentration de flux est présentée avec une étude de l'influence du feuilletage sur la capacité de contrôle du flux. Pour améliorer le contrôle du flux d'excitation, une machine à aimants enterrés homopolaire est également étudiée avec l'approche développée. La validation du modèle est réalisée par des éléments finis et des mesures expérimentales. Dans la dernière partie, une comparaison entre configurations homopolaire et bipolaire de la structure à aimants enterrés est effectuée, puis le rotor à concentration de flux est optimisé afin de le comparer à la machine à aimants enterrés.

Alliant flexibilité de contrôle et bon rendement, les Machines Synchrone à Double Excitation (MSDE) sont de plus en plus investiguées pour diverses applications de petites et moyennes puissances et rarement pour des applications de fortes puissances. Cette thèse a pour objectif l'étude d'un Générateur Synchrone à Double Excitation (GSDE) de forte puissance. Un modèle de comportement a été établi. Des méthodes analytiques et semi-analytiques ont été utilisées pour la modélisation multi-physique de la machine. Ce modèle a été validé, dans un premier temps, par comparaison aux résultats d'un modèle éléments finis.Comparé à un Générateur Synchrone à Pôles Saillants (GSPS), le GSDE offre des solutions plus intéressantes énergétiquement et économiquement, que ce soit en fonctionnement à vitesse constante ou à vitesse variable. Dans le cadre d'un fonctionnement en générateur éolien, l'augmentation du nombre d'encoche par pôle et par phase et l'augmentation de la fréquence d'alimentation contribuent à l'amélioration des performances de la GSDE. Cependant il faudrait tenir compte des impacts sur l'électronique de puissance et le multiplicateur mécanique. En plus, la distribution de Weibull et le bon choix de la plage utile de variation de la vitesse du vent, jouent un rôle important sur le dimensionnement optimal du générateur éolien.Un prototype de GSDE d'une puissance d'1MVA a été dimensionné, optimisé et fabriqué. Tout d'abord, le prototype a servi à la validation du modèle multi-physique. En plus la réalisation des essais sur deux étapes (avant et après le collage des aimants permanents) a montré l'apport énergétique du GSDE par rapport au GSPS