La recherche permanente d’accroître la densité de puissance et l'efficacité énergétique dans de nombreux secteurs industriels, notamment dans celui de la mobilité, a conduit au perfectionnement de deux grandes topologies de machines : les machines à flux radial et les machines à flux axial, chacune présentant des avantages distincts. Or, les progrès constants dans les procédés de fabrication additive autorisent aujourd’hui une révision des concepts et de nouvelles possibilités, telles que les machines à flux conique.
À ce titre, un modèle géométrique propre à ce concept est développé. Reposant sur la prise en compte d’un angle d’inclinaison de l’entrefer, il permet conjointement de définir de manière continue les topologies usuelles (radiales et axiales). Un premier niveau de modélisation électromagnétique basé sur le théorème d’Ampère, reposant sur un certain nombre d’hypothèses simplificatrices, permet d’apprécier l’intérêt de cette solution conique. Le modèle est notamment confronté à des simulations par éléments finis pour validation sur une plage d’étude paramétrique et incluant les machines radiales et axiales. Les performances en termes de couples et de couples volumiques sont évaluées, confirmant l’intérêt théorique des machines coniques.
Une fois l’intérêt souligné, une modélisation analytique plus précise est entreprise afin d’évaluer les composantes magnétiques nécessaires au dimensionnement des paramètres géométriques. La distribution des sources est prise en compte pour résoudre le champ d’induction magnétique d’entrefer à l’aide des équations de Maxwell formulées en potentiel scalaire magnétique dans une base conique. Une attention particulière est portée à la convergence des équations dans les bases cylindriques définissant les machines radiales et axiales. Les résultats sont comparés aux simulations FEM et l’évaluation des performances confirme l’intérêt souligné par le modèle préliminaire.
Des règles de dimensionnement adaptées au concept des machines coniques sont ensuite élaborées. La séparation en deux machines suivant deux dimensions est nécessaire pour considérer les effets magnétiques locaux. Ce dimensionnement repose sur un ensemble de méthodes itératives permettant alors, à partir des spécifications d’un cahier des charges, d’aboutir à un dimensionnement complet. Ces méthodes incluent notamment un algorithme de choix optimal de bobinage. Une évaluation des performances selon plusieurs critères est réalisée (encombrement, poids, ondulation de couple, pertes, coût financier et écologique).
Afin d’éprouver la méthode de dimensionnement et souligner l’intérêt d’une formulation unifiée des machines synchrones, trois cahiers des charges différents sont traités. Cela permet finalement de mettre en évidence les intervalles d’intérêts des différentes topologies de machines. Elles peuvent alors être comparées de manière équitable grâce au modèle unifié et à un processus de dimensionnement commun. |
The constant desire to increase power density and energy efficiency in many industrial sectors, particularly mobility, has led to the development of two main machine topologies: radial flux machines and axial flux machines, each with their own distinct advantages. However, constant progress in additive manufacturing processes is now leading to a revision of concepts and new possibilities, such as conical flux machines.
A geometric model specific to this concept is developed. Based on an angle of inclination of the air gap, it can be used to continuously define the usual topologies (radial and axial). An initial level of electromagnetic modelling based on Ampère's theorem and a certain number of simplifying assumptions is used to assess the advantages of this conical solution. The model is compared with finite element simulations for validation over a parametric study range, including radial and axial machines. Performance in terms of torque and torque density is assessed, confirming the theoretical interest of conical machines.
Once this interest has been highlighted, more precise analytical modelling is undertaken in order to evaluate the magnetic components required to dimension the geometric parameters. The distribution of sources is taken into account to solve the air-gap magnetic induction field using Maxwell's equations formulated as a magnetic scalar potential in a conical base. Particular attention is paid to the convergence of the equations in the cylindrical bases defining the radial and axial machines. The results are compared with FEM simulations, and the performance evaluation confirms the interest highlighted by the preliminary model.
Sizing rules adapted to the concept of conical machines are then developed. The separation into two machines along two dimensions is necessary to consider local magnetic effects. This sizing is based on a set of iterative methods which, starting from the specifications of a specification, lead to a complete sizing. These methods include an algorithm for optimal winding selection. Performance is assessed according to several criteria (size, weight, torque ripple, losses, financial and environmental cost).
In order to test the sizing method and highlight the interest of a unified formulation for synchronous machines, three different specifications are treated. This finally highlights the intervals of interest of the different machine topologies. They can then be compared fairly thanks to the unified model and a common sizing process. |