L'énergie renouvelable ou les sources à zéro émission de carbone jouent un rôle de premier plan dans l'électrification mondiale. Le domaine des machines électriques fait l'objet d'une attention particulière dans le cadre de la technologie verte. Ces machines y contribuent principalement dans le contexte des applications industrielles comme des voitures électriques ou hybrides. Pour éviter les problèmes d’approvisionnement et de coût des aimants terres-rares, des recherches sont effectuées sur des machines sans aimants terres-rares. Pour ces raisons, cette thèse étudie le moteur à basé d’aimants ferrite. La topologie est celle du moteur à aimants permanents à flux axial avec concentration de flux, appelé en anglais « Spoke-Type Axial Flux Permanent Magnet » (STAFPM). L'une des principales propriétés intéressantes de ce moteur est la capacité de concentration du flux magnétique à vide dans son entrefer.
Les propriétés de ce moteur avec la présence de pièce ferromagnétiques au rotor ne sont pas aussi bien connues. La présente thèse se concentre donc sur l'étude de ses performances. Pour atteindre ce but, tout d'abord un état de l’art des approches de dimensionnement appliquées aux machines à flux radial et axial basées sur les modèles analytiques de champ magnétique est effectué. De même les états de l’art sur les tests expérimentaux des machines à pôles saillants permettant d'identifier les paramètres statiques et la modélisation 3D du champ magnétique à des fins de dimensionnement sont remis à jour. La première section est aussi partiellement consacrée à une revue de l'application de la méthode des différences finies 3D pour les machines axiales qui est un objectif principal de cette thèse.
Dans cette thèse, via un modèle analytique 1D, une comparaison des performances est faite entre un moteur mono-entrefer « STAFPM » et un moteur axial à aimants montés en surface, pris comme référence nommé en anglais « Surface Mounted Axial Flux Permanent Magnet » (SMAFPM). Cette comparaison est effectuée sur la base du couple électromagnétique. En conséquence, le nouveau prototype STAFPM est dimensionné en tenant compte de certaines contraintes magnétiques. Ce prototype prend place sur un banc d'essais. Une méthode originale de détermination des paramètres statiques du modèle électromécanique à constante localisées en anglais « lumped parameter electromechanical model » est mise au point. Cette détermination est basée sur la mesure du calcul du couple statique en fonction de la position du rotor.
Un modèle numérique 3D du champ magnétique dans le moteur STAFPM est proposé. Cet outil permet d'étudier le champ magnétique à vide ainsi que les champs de réaction de l'induit. Une méthode originale de calcul du flux magnétique dans le cadre d’une formulation en potentiel scalaire magnétique est développée. Cette méthode permet de calculer de manière très rapide les paramètres statiques du modèle électromécanique. Les paramètres calculés sont comparés aux paramètres identifiés expérimentalement.
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Green energy or sources with zero-carbon emissions plays a leading role in the worldwide electrification. Electric machinery field is a subject of attention leading to the green technology. These machines contribute mainly in the context of industrial applications as electric or hybrid cars. Avoiding the issue and price of rare-earth magnets, potential researches contribute particularly to non-rare-earth machines. For that reasons, this thesis studies the ferrite motor through the ‘Spoke Type Axial Flux Permanent Magnet’ (STAFPM) topology. One from the main interesting properties of this motor is the capability of the no-load magnetic flux concentration in its airgap.
The properties of this motor within combined magnetic poles are not so-well known. Thus the present thesis focuses on studying its performances. Achieving this goal, consists firstly by doing a review on the analytical and numerical sizing approaches applied for radial and axial flux machines based on the magnetic field models and as well as, a review on the experimental test benchmark for salient-pole machines which provide us the identification and computation of the electromechanical parameters. Finally, a revision takes place on the 3D magnetic field modeling for sizing purposes. Thus the first section is partially devoted to review the application of the 3D finite difference method for axial machines which is a main objective in this thesis.
Afterwards, using a 1D analytical model, a performance comparison takes place between a single stator-single rotor (STAFPM) and a reference Surface Mounted Axial Flux Permanent Magnet (SMAFPM) motor. This comparison is made on the electromagnetic torque and at unified parameters. Consequently, new (STAFPM) prototype is sized by a consideration of some magnetic constraints. This prototype take place on a test bench to determine its main electromechanical parameters. The identification and deduction of most of these parameters comes from the static torque computation as a function of the rotor position. These parameters could present a quick modeling for the electromechanical lumped model.
Contributing in the same purpose, a 3D numerical sizing model for the (STAFPM) is proposed by the three-dimensional finite difference method associated to the magnetic scalar potential formulation. This tool studies the no-load magnetic field as well as the armature reaction fields for this salient motor. Original flux calculation in the framework of magnetic scalar potential is developed. This method provides the calculation of main electromechanical lumped parameters as no-load magnetic fluxes, direct and quadrature inductances then motor static torque. Consequently, this numerical model shows in a very quick time, the fulfilling in the calculation of the electromechanical parameter in comparison to the experimental results.
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