Switched flux machines : from numerical and analytical models to topological exploration

Les travaux présentés dans cette thèse se focalisent sur des machines électriques fonctionnant sur le principe de la commutation du flux. Nous étudions des topologies excitées par des aimants permanents, des bobinages DC ou encore hybride (structure à double excitation). Dans une première partie, nous répondrons de manière directe à une problématique industrielle visant à réaliser une application « Alternateur DC » à faible coût. Une modélisation numérique de topologies à double excitation innovantes est tout d’abord proposée. Le modèle est ensuite couplé à un algorithme génétique afin de tendre vers un dimensionnement optimal de ces structures. La seconde partie de ce manuscrit est dédiée à la modélisation analytique de structures excitées par des aimants. Des modèles analytiques du champ d’entrefer suivant différentes approches sont proposés - soit par la théorie des fonctions de perméance, soit par la résolution formelle des équations de Maxwell. Par la suite, un modèle analytique du champ dans les parties ferromagnétiques est proposé. Il permet de déterminer le champ avec précision en tenant compte du caractère bidirectionnel des loci d’induction dans les culasses de ces structures. Ce modèle permet à posteriori d’évaluer les pertes fer dans ces structures. Nous proposons finalement une étude des performances optimales de ces structures en couplant le modèle avec un algorithme stochastique d’optimisation. L’influence du nombre de dents rotoriques ou encore des pertes fer sur les performances électromagnétiques sont mises en évidence. Finalement, la troisième et dernière partie de ce manuscrit détaille une approche originale d’exploration topologique. Après avoir présenté une extension du modèle analytique formel aux structures aimantées, nous exposons l’approche d’exploration topologique pour des structures à excitation statique avec des aimants permanents.The work presented in this thesis focus on electrical machines based on flux-switching principle. We were studying topologies with permanent magnets, DC field coils or hybrid-excited (combining both PMs and DC coils) structures. In the first part of this manuscript, we are meeting industrial needs being set by our partner Leroy Somer. The aim is to design in an optimal way a low cost “DC Generator”. Numerical simulations of unconventional hybrid-excited structures are firstly proposed. Then, to carry out a global optimization of those topologies, the numerical model is coupled with a genetic algorithm. The second part of this work is dedicated to an analytical model to predict the airgap field in conventional and unconventional switched-flux machines with DC coils. Two approaches are proposed, either using the Magnetomotive force- Permeance theory or directly solving the field governing equations in the doubly-slotted airgap of those structures. After, an analytical model to determine the magnetic field in ferromagnetic parts is proposed. This model can account for bidirectional field in stator and rotor yokes. This model can be used a popsteriori to assess iron losses in the core. Finally, influences of the number of rotor teeth, or iron losses, on optimal electromagnetic performances are investigated using a stochastic algorithm. In the third and last part of this thesis, we detailed an original approach named topological exploration. We first derivate an analytical model capable to predict the airgap field in PM excited structure. Then, the topological exploration approach was applied to static PM excited machines