Dans le domaine des actionneurs électriques dédiés aux systèmes embarqués, l’augmentation de la densité de puissance est devenue un enjeu primordial. En termes de couple massique, les machines électriques offrant les meilleures performances sont les ma-chines à aimant permanents, qui sont l’objet d’étude de ce manuscrit. Or, sur toutes les ma-chines existantes, on constate la présence de têtes de bobines sur lesquelles aucun couple n’est produit et qui en plus génèrent un échauffement synonyme de perte dans le bilan global de puissance.
Parmi les axes possibles d’amélioration des machines électriques, la réduction de ces têtes de bobines permet d’envisager un gain important en termes de couple massique. Dans ce but, nous avons pensé à une nouvelle structure de machine, qui théoriquement tire 100% du cuivre présent pour générer un couple. Cette machine présente une structure toroïdale et constitue l’objet d’étude de cette thèse. Ainsi, nous nous attacherons à l’élaboration du modèle de cette nouvelle structure de machine dans le but d’étudier ses performances et de les comparer aux structures de machines déjà existantes. Pour y aboutir, nous étudierons préliminairement ce qui se fait en termes de modélisation analytique sur les machines existantes. Ainsi, nous cher-cherons à élaborer une méthode de modélisation commune à toutes ces machines y compris la nouvelle structure proposée afin de pouvoir les comparer sous les mêmes hypothèses mathé-matiques.
Dans ce but, une méthode de modélisation hybride liant la méthode analytique à la mé-thode des différences finies a été élaborée pour modéliser en trois dimensions les machines électriques. Le but de cette modélisation est de rester relativement simple au niveau de la complexité du développement et du temps de calcul afin de les intégrer dans des algorithmes de dimensionnement/optimisation. Cette méthode sera développée et validée par éléments finis et expérimentalement sur le cas d’une machine à flux axial avant d’être utilisée pour mo-déliser la nouvelle structure de machine proposée dans cette thèse.
|
In the field of electric actuators dedicated to embedded systems, increasing power density has become a major challenge. In terms of torque mass ratio, the electrical machines offering the best performance are permanent magnet machines, which are the focus of this manuscript. However, on all existing machines, the presence of heads winding on which no torque is pro-duced can be noticed, in addition, the production of heat over them is associated with a loss in the overall power balance.
Among the possible areas for improvement of electrical machines, the reduction of these head windings enables a significant gain in terms of torque mass ratio. To this end, we have thought of a new machine structure, which theoretically draws 100% of the copper present in the machine to generate torque. This machine has a toroidal structure and is the subject of this research. Thus, we will focus on the elaboration of the model of this new machine structure in order to study its performances and to compare them to the already existing machine struc-tures. In order to achieve this goal, we will first investigate what is done in terms of analytical modeling on existing machines. Thus, we will seek to develop a modeling method common to all these machines including the proposed new structure in order to be able to compare them under the same mathematical assumptions.
For this purpose, a hybrid modeling method linking the analytical method to the finite dif-ference method has been developed to model in three dimensions electric machines. The goal of this modeling is to remain relatively simple in terms of complexity and computation time in order to integrate them into sizing/optimization algorithms. This method will be developed and validated by finite elements and experimentally on the case of an axial flux machine be-fore being used to model the new machine structure proposed in this thesis.
|