Modélisation, conception et optimisation des machines sans encoches à aimants permanents à haute vitesse

Ce travail de recherche présente la mise au point d’une méthodologie de conception par optimisation globale des machines synchrones sans encoches à aimants permanents à haute vitesse utilisant des matériaux magnétiques composites doux (SMC) au stator et des frettes au rotor éventuellement conductrices. Cette méthodologie tient compte des différentes contraintes imposées par la haute vitesse, notamment les courants de Foucault induits dans les pièces massives, les pertes, l’alimentation en commutation électronique et les efforts mécaniques sur le rotor. Un outil de dimensionnement générique est développé pour différentes structures de machines sans encoches fonctionnant en moteur ou en générateur et alimentées par divers types de convertisseurs statiques à commutation de tension ou de courant. Il utilise un modèle de dimensionnement analytique basé sur la prédiction du champ magnétique 2D par une résolution harmonique des équations de Maxwell en magnétodynamique en tenant compte des courants de Foucault induits dans les parties conductrices. Ce modèle intègre un modèle électrique équivalent global de l’ensemble convertisseur-machine et un modèle détaillé de calcul des pertes validés par un calcul numérique du champ en 2D. Une validation expérimentale des pertes magnétiques dans le stator en SMC est effectuée. Le modèle de dimensionnement est associé à une procédure d’optimisation et à un mécanisme de correction itératif, basé sur le calcul numérique du champ en 3D, pour tenir compte des effets de bord sur les pertes par courants de Foucault dans le stator. Lorsque la machine est couplée à un convertisseur à commutation de courant, un autre mécanisme de correction, permettant la résolution du couplage fort entre la machine et son convertisseur, est utilisé. Les différents outils de modélisation et de conception réalisés sont utilisés pour dimensionner et comparer plusieurs topologies de machines sans encoches pour des cahiers des charges spécifiques. Différentes études de faisabilité et de sensibilité sont aussi effectuées.This research work presents the development of a design methodology with global optimization of high-speed permanent-magnet slotless synchronous machines using soft magnetic composite materials (SMC) in the stator and retaining sleeves in the rotor that can be conductive. This methodology takes into account the different constraints imposed by the high speed such as the eddy currents induced in the massive parts, the losses, the converter-machine interactions and the mechanical stress in rotor. A generic design tool is developed for different slotless machines structures used as motors or generators and coupled to different kind of static power converters with voltage or current commutation. It uses a design model based on analytical prediction of the two-dimensional magnetic field by a harmonic resolution of Maxwell equations taking into account the eddy currents induced in the conductive parts. This model includes an equivalent electric model of the converter-machine system and a detailed losses calculation model validated by 2D finite element analysis. Experimental validation of magnetic losses in the SMC stator is also performed. The design model is associated to an optimization procedure and an iterative correction mechanism performed by 3D finite element simulations to take into account the influence of end-effects on the SMC stator eddy current losses. When the machine is coupled to a current static converter, another correction mechanism is used in order to resolve the strong coupling between the machine and its converter. The developed modeling and design tools are used to design and compare different slotless machines topologies for specific requirements. Various feasibility and sensitivity studies are also performed