Du fait de sa robustesse et de son faible coût, la machine synchro-réluctante (MSR) constitue une alternative intéressante à la machine asynchrone. A pertes égales, une MSR bien optimisée offre un couple et par suite un rendement plus élevés. Ainsi, la MSR est très compétitive pour les applications à haute vitesse, à forte puissance ou à haute température. Cette thèse se propose d'optimiser les machines synchro-réluctantes à rotor massif et avec barrières de flux pour produire le maximum de couple avec un facteur de puissance le plus élevé possible. Pour cela, une modélisation originale utilisant des réseaux de perméances non linéaires a été mise au point pour les deux types de MSR. Les modèles proposés sont significativement plus rapides et aussi précis que les modèles par éléments finis. De plus, la réalisation d'un prototype à barrières de flux a permis de les valider expérimentalement.

Les travaux présentés ici portent sur le dimensionnement et l’étude d’une machine à réluctance variable excitée par un courant continu homopolaire de type``Lyndell´´. De telle structure connaît un regain d’intérêt avec de nouvelles topologies pour des applications spécifiques. Dans le cas des travaux présentés, l’application visée est la conversion d’énergie éolienne avec un stockage inertiel. Cette machine a une bobine d’excitation qui est solidaire du stator et située entre les pôles saillants. Le rotor est massif et comporte deux paires de pôles dont les axes polaires peuvent être parallèles ou perpendiculaires. Le stator possède deux enroulements sur deux demi-stators de machine classique dont l’un est fixe et l’autre orientable manuellement suivant l’axe de rotation du rotor. Cette possibilité d’orientation permet à la machine d’être équipée de l’un ou l’autre des deux types de rotor. Le dimensionnement et l’étude de cette machine sont basés sur le modèle des réseaux de perméances. L’élaboration du modèle, par une subdivision de la structure étudiée en zones à induction homogène, est effectuée à partir de l’analyse des lignes de champ obtenues par la méthode des éléments finis bidimensionnels pour l’ensemble « dent - entrefer - encoche », et les autres parties de la machine (culasse, rotor) sont tridimensionnels. Ces éléments finis constituent également la référence pour valider le modèle développé et pour vérifier le niveau de saturation de la machine. Le modèle par réseaux de réluctance est ensuite utilisé pour dimensionner un prototype, à pôles parallèles ou en quadrature et pour en étudier les performances à vide et en charge. Enfin, le prototype réalisé est étudié pour les deux types de rotor. Les résultats expérimentaux, comparés aux calculs de simulation, montre des concordances très satisfaisantes / The work presented here is devoted to the dimensioning and the study of a switched reluctance machine excited by a homopolar D.C. current of Lyndell type. Such structure knows a renewed interest with new topologies for specific applications. In the case of work had presented, the application concerned for is the wind energy transformation with an inertial storage. The field coil of the machine placed in the stator and is located between the rotor salient poles. The rotor is massive and comprises two pairs of poles. These poles have parallel or perpendicular axes. The stator has two windings placed on two classical half-stators, one of which is fixed and the other is manually adjustable along the axis of rotation of the rotor. This orientation allows the machine to be equipped with one or the other of two types of rotor. The dimensioning and the study of this machine are based on the model of the reluctance network. The development of the model, by a subdivision of the studied structure into homogeneous induction zones, is made from the flux lines obtained by the two-dimensional finite element method for whole tooth-air-gap-slot, and the other parts of the machine (stator breech, rotor) are three-dimensional. The finite element methods also constitute the reference to validate the developed model and check the saturation level of the machine. The reluctance network model is then used for sizing a prototype with the parallel or perpendicular poles and for studying the performances in no load and with load machine. Finally, the realised prototype is studied for both types of rotor. The experimental results compared with the simulation show very satisfactory concordances

Du fait de sa robustesse et de son faible coût, la machine synchro-réluctante (MSR) constitue une alternative intéressante à la machine asynchrone. A pertes égales, une MSR bien optimisée offre un couple et par suite un rendement plus élevés. Ainsi, la MSR est très compétitive pour les applications à haute vitesse, à forte puissance ou à haute température. Cette thèse se propose d’optimiser les machines synchro-réluctantes à rotor massif et avec barrières de flux pour produire le maximum de couple avec un facteur de puissance le plus élevé possible. Pour cela, une modélisation originale utilisant des réseaux de perméances non linéaires a été mise au point pour les deux types de MSR. Les modèles proposés sont significativement plus rapides et aussi précis que les modèles par éléments finis. De plus, la réalisation d’un prototype à barrières de flux a permis de les valider expérimentalement. / Because of its robustness and its low cost, the synchronous reluctance motor (SynRM) is an interesting alternative to the induction motor. At equal losses, a correctly optimized SynRM offers a higher torque and then a higher efficiency. Thus, the SynRM is very comptetitive for high speed, high power or high temperature applications. This thesis intends to optimize massive rotor and flux barrier rotor SynRM to produce the maximum torque with the highest possible power factor. For this purpose, an original non linear reluctance network modeling of synchronous reluctance motors with a massive or a flux barrier rotor was developed. The proposed models are significantly faster than the finite element ones and take accurately into account the saturation of all ferromagnetic parts of the motor. The construction of a flux barrier rotor prototype allowed an experimental validation of the modeling approach.

Cette thèse s’intéresse à l’analyse de structures de machines électriques non conventionnelles destinées à la production d’électricité par des groupes électrogènes. Les topologies recherchées doivent utiliser moins de matières actives et/ou simplifier la procédure de fabrication par rapport aux machines actuelles.Une des structures est dédiée au système d’excitation de la machine. Elle possède un stator à griffes avec un bobinage toroïdal. Son dimensionnement est réalisé à l’aide d’un modèle de calcul par éléments finis en 3D, qui a été validé expérimentalement. Cette structure permet d’obtenir une réduction significative de la quantité de cuivre dans le bobinage.Les deux autres structures traitées concernent l’alternateur principal. Une machine synchro-réluctante à barrières deflux et à rotor bobiné a été proposée. L’objectif est d’augmenter la densité de couple grâce au couple de saillance. Elle est dimensionnée et comparée avec la structure conventionnelle. Ce cas met en évidence les limitations des structures proches de la structure actuelle.La dernière structure est une nouvelle topologie de machine électrique. Elle combine les caractéristiques des machines à flux axial et des machines à griffes, permettant de simplifier le système d’excitation. Une approche de modélisation originale a été développée pour l’analyse de cette topologie 3D en vue de son dimensionnement par optimisation. Le système d’excitation a un rôle important dans les performances de cette machine.Cette thèse constate aussi que l’évolution future des matériaux magnétiques pourrait tirer meilleur profit des structures non-conventionnelles avec des trajets de flux tridimensionnels. / The PhD project aims to analyse nonconventional structures of electric machines for electric power generation with diesel gensets. The researched topologies should use less active materials and/or simplify the manufacturing process compared to today’s machines.One of the structures is intended for the excitation system of the electric machine. It is composed of a claw-pole stator and a toroidal winding. It is designed using a 3D Finite Element model, previously validated by a prototype. This structure allows a significant reduction of the quantity of copper of the field winding.The other two structures under study are proposed for the main generator. A synchronous-reluctance machine with flux-barriers and a field winding in the rotor is analysed. The objective is to increase the torque density by increasing the reluctance torque. The designed machine is compared to the conventional structure. This case shows the limitations of structures similar to the current structure.The last structure is a new topology of electric machine. It combines the characteristics of claw-pole machines andaxial-flux machines. An original modelling approach is developed to analyse this 3D structure for its design based on an optimization algorithm. The study shows that the excitation system has a key role in its performances.This work also notes that the future evolution of magnetic materials should benefit the use of non-conventional structures with 3D flux paths.