Investigation of a New Topology of Hybrid-Excited Flux-Switching Machine with Static Global Winding : Model and optimisation

Les machines à double excitation (aimants permanents et bobines d’excitation) sont depuis quelques années étudiées par de nombreuses équipes de recherche dans le monde pour leur souplesse de fonctionnement et leur puissance volumique importante. Dans cette thèse, nous présentons une nouvelle structure de machine à double excitation. C’est une machine à commutation de flux, donc qui possède un rotor passif, et dont la partie de double excitation située au stator est maintenue par une culasse à griffes. Dans une première partie, les caractéristiques importantes de cette structure sont exposées à partir de mesures sur un prototype et de modèles par éléments finis. Les différents trajets de flux ainsi que l’excursion du flux à vide en fonction du courant de double excitation ou encore les FEM à vide et le courant de court-circuit sont présentés. L’objectif est de caractériser de façon précise le fonctionnement de cette machine. Outre le fonctionnement à vide, les fonctionnements en mode moteur et en mode générateur sont présentés pour évaluer les performances. Le second chapitre de cette thèse présente différents modèles de la machine à double excitation. Tout d’abord à partir de modélisations par éléments finis nous montrons les impacts des caractéristiques magnétiques telles que la courbe BH et l’induction rémanente des aimants permanents sur le flux à vide de différentes machines à commutation de flux et double excitation. Puis nous présentons deux méthodes basées sur la modélisation par éléments finis qui permettent le calcul du courant de court-circuit. Enfin, afin de s’affranchir d’un modèle magnéto-transitoire trop gourmand en temps de calcul, nous présentons un modèle analytique. Ce modèle permet à partir de la valeur du flux à vide et de l’inductance cyclique d’une machine synchrone à aimants permanents de calculer la puissance en générateur débitant sur un pont de diodes et une source de tension fixe en fonction du courant d’excitation et de la vitesse de rotation. Dans le dernier chapitre de la thèse, nous avons développé un modèle de la machine à double excitation à bobinage global basé sur les schémas réluctants. A partir de ce modèle, nous calculons le flux à vide et l’inductance cyclique de la structure de façon plus rapide que par des simulations par éléments finis et sensiblement aussi précise afin de les utiliser dans le calcul de la puissance. Dans un dernier temps, nous avons utilisé ce modèle dans une procédure d’optimisation pour différents cahiers des charges.In this thesis, a new hybrid excitation, flux-switching machine is being presented. The main feature of this device is its global winding hybrid excitation with claw poles. This solution has been explored in order to reduce the copper mass and increase excitation winding efficiency. One of the most widely used alternators in automotive applications is a claw pole alternator whose claws are located on the rotor. The prototype introduced in this study is based on the same principle yet with claws located on the stator, which allows its rotor to be passive in rotating at higher speeds without slip-rings or brushes. Furthermore, the advantages of the double excitation are cumulative.The thesis will first describe the structure and operating principles of this new hybrid excitation, flux-switching machine, For example, the no-load flux linkage and the back-electromotive force on a no-load are measured and calculated;. Moreover, the load testing of this machine will be displayed. Short-circuit currents will be calculated and measured in order to determine the output power capability while operating in generator mode. The second chapter presents finite element and analytical models which allows to determine the output power capability while operating in generator mode. And with the FEA, the no-load flux linkage is investigated, This investigation serves to highlight: the influence of the stacking factor, the B-H curve definition, and the permanent magnet residual induction value, Finally, a lumped-parameter magnetic circuit model is developed and validated by 3-D finite element analysis, The model allows estimating output power of the structure when running in generator mode (with a DBR) faster than with 3D-FEA. In addition, thanks to the model the geometry is optimized for several specifications