Les travaux présentés dans cette thèse portent sur la modélisation et l’optimisation de machines électriques pour des applications à entraînement direct. Ils s’inscrivent dans un contexte de réduction de l’utilisation des aimants en terres rares et d’amélioration du rendement énergétique. Un état de l’art des machines électriques est réalisé et l’accent est mis sur les machines à flux radial et axial pour les applications à fort couple et basse vitesse. Une classification est établie visant à identifier les structures intéressantes et innovantes. L’étude de la machine radiale est d’abord réalisée. Une étude comparative de différentes machines issues de l’étude bibliographique est effectuée. Cette étude a permis de choisir une structure originale à bobinage concentré sur dents et aimants en multi-V. Dans le but de calculer les performances du moteur avec un temps de calcul réduit, une modélisation analytique multi-physique de la structure est réalisée. Un premier dimensionnement de la machine a conduit à la définition d’un prototype qui a servi à la validation expérimentale du modèle multi-physique. Une approche de conception par optimisation multi-objectifs est adoptée pour obtenir les machines optimales répondant à un cahier des charges industriel. La suite de l’étude concerne une machine à flux axial à structure innovante. Il s’agit d’une machine à double rotor et simple stator avec plusieurs barrières de flux par pôle. Une étude par éléments finis est d’abord réalisée afin de valider le passage d’un modèle tridimensionnel à modèle bidimensionnel. L’analyse des pertes fer a permis de choisir les matériaux utilisés au stator et aux rotors. L’étape suivante consiste à établir un modèle analytique multiphysique de la machine à flux axial et de l’optimiser selon le même cahier des charges que celui de la machine radiale. Finalement, une comparaison entre les deux structures radiale et axiale est effectuée pour évaluer les avantages en termes de densité de couple. / The work presented in this thesis deals with the modeling and optimization of electrical machines for direct drive applications. The objective is to reduce the use of rare earth permanent magnets along with the improvement of the motor’s efficiency. A state of the art of electrical machines is realized. It focused on radial and axial flow structures for high torque and low speed applications. A classification is established to identify interesting and innovative structures. Firstly, the radial machine is studied. The choice of the structure is made after a finite element comparison of different machines resulting from the literature. This led to an original structure with concentrated winding and multi-V shape barriers. Then, a multi-physics analytical modeling of the structure is detailed in order to calculate the performances with a reduced calculation time. A preliminary design led to the definition of a prototype which was used to experimentally validate the multi-physics model. An optimization design approach is adopted to obtain optimal machines meeting industrial specifications. Secondly, a novel axial flux structure is studied. It is a machine with double rotor and single stator with several barriers per pole. A finite element study is carried out in order to validate the transition from a three dimensional to a two-dimensional model. The analysis of iron losses made it possible to choose the materials used in the stator and the rotors. Then, the development of a multi-physics analytical model for the axial machine is proposed. It is used to optimize the structure according to the same specifications defined for the radial machine. Finally, a comparison between the radial and axial structures is performed in order to evaluate the advantages in terms of torque density.

Direct drive wave energy conversion systems have been identified as a potentially major contributor to the world’s energy demands, forecasting shares of up to 25 % of the energy mix. Anders Hagnestål conducts research at the Royal Institute of Technology where a novel linear transverse flux permanent magnet generator is developed. This concept machine is particularly well-suited for the pertaining operating conditions in marine environments, producing large forces at low speeds with outstandingly low resistive losses. However, it exhibits severe magnetic saturation and draws unsymmetrical phase currents at nominal operation. In addition, it possesses a low power factor. All in all, this places stern requirements on the power electronic system and control algorithms. The aim of this thesis has been to design a functioning power conditioning system that connects the machine to the electric grid. For this purpose, a three-phase two-level voltage source converter is proposed to be back-to-back connected with two-level single-phase voltage source converters (active rectifiers) interfacing each and every machine phase. It is shown that the intermediate DC link can be maintained at a constant voltage with restricted ripple while feeding power at unity power factor to the grid by appropriately sizing the DC capacitor and adopting a feedback linearization control scheme. The phase currents can be controlled effectively by means of a cascaded gain-scheduled PID controller. By including a low-pass filter the iron losses in the machine may be suppressed even at lower switching frequencies. A constrained cost optimization indicates that the converter consequently can reach 99.1 % efficiency. Finally, with this thesis as a background, it is suggested that the thermal stresses on the selected semiconductor modules and the iron losses of the machine are evaluated to further improve the design. If higher efficiency of the active rectifiers is strived for, more complex converter topologies could be considered. / Direktdrivna vågenergiomvandlingssystem har utpekats som en potentiellt starkt bidragande resurs för att tillgodose världens efterfrågan på energi med andelar på uppemot 25 % av energimixen förutspådda. Anders Hagnestål bedriver forskning och utveckling av en ny typ av linjär permanentmagnetiserad transversalflödesmaskin vid Kungliga Tekniska Högskolan. Konceptmaskinen är särskilt väl lämpad för de rådande marina förhållandena genom att kunna producera stora krafter vid låga hastigheter med utomordentligt låga resistiva förluster. Maskinen går emellertid i kraftig magnetisk mättnad och drar asymmetriska strömmar vid nominell drift. Dessutom är effektfaktorn låg i jämförelse med standardmaskiner. Alltsomallt inför detta hårda krav på det effektelektroniska systemet och kontrollalgoritmerna. Målet med detta examensarbete har varit att designa ett funktionellt effektkonditioneringssystem som sammanfogar maskinen med det angränsande elektriska nätet. För att åstadkomma detta föreslås att en tvånivås-trefasomriktare kopplas rygg-mot-rygg till tvånivås-enfasomvandlare (aktiva likriktare) som i sin tur är kopplade till varje maskinfas. Med den här konfigurationen visas det att spänningen på den mellanliggande DC-länken kan hållas konstant med begränsat rippel, alltmedan effekt tillförs nätet vid effektfaktor ett genom att dimensionera DC-kondensatorn på rätt sätt och använda en kontrollag baserad på exakt linjärisering. Maskinens fasströmmar kan kontrolleras effektivt med hjälp av en kaskadkopplad PID-regulator med schemalagda förstärkningsfaktorer. Genom att inkludera ett lågpassfilter förväntas det att järnförlusterna i maskinen kan begränsas även vid lägre switchfrekvenser. Genom att lösa ett kostnadsoptimeringsproblem visas det att den resulterande aktiva likriktaren kan uppnå en verkningsgrad på 99.1 %. Slutligen, med det här examensarbetet som grund, föreslås det att den termiska stressen på de valda halvledarkomponentsmodulerna och järnförlusterna i maskinen utvärderas för att ytterligare förbättra designen. Om högre verkningsgrad eftersträvas hos de aktiva likriktarna kan mer komplicerade omvandlartopologier övervägas.

This thesis deals with a system for operation of directly driven offshore wave energy converters. The work that has been carried out includes laboratory testing of a permanent magnet linear generator, wave energy converter mechanical design and offshore testing, and finally design, implementation, and offshore testing of an underwater collector substation. Long-term testing of a single point absorber, which was installed in March 2006, has been performed in real ocean waves in linear and in non-linear damping mode. The two different damping modes were realized by, first, a resistive load, and second, a rectifier with voltage smoothing capacitors and a resistive load in the DC-link. The loads are placed on land about 2 km east of the Lysekil wave energy research site, where the offshore experiments have been conducted. In the spring of 2009, another two wave energy converter prototypes were installed. Records of array operation were taken with two and three devices in the array. With two units, non-linear damping was used, and with three units, linear damping was employed. The point absorbers in the array are connected to the underwater substation, which is based on a 3 m3 pressure vessel standing on the seabed. In the substation, rectification of the frequency and amplitude modulated voltages from the linear generators is made. The DC voltage is smoothened by capacitors and inverted to 50 Hz electrical frequency, transformed and finally transmitted to the on-shore measuring station. Results show that the absorption is heavily dependent on the damping. It has also been shown that by increasing the damping, the standard deviation of electrical power can be reduced. The standard deviation of electrical power is reduced by array operation compared to single unit operation. Ongoing and future work include the construction and installation of a second underwater substation, which will connect the first substation and seven new WECs.

Lors de la phase de dimensionnement d’un générateur électrique, des choix préliminaires imposent généralement la topologie. Cette thèse a pour objectif d’apporter une aide décisionnelle au choix des structures de générateurs de fortes puissances. L’intérêt des machines à haute efficacité énergétique est porté par des objectifs environnementaux forts. En conséquence, maîtriser et comprendre l’origine des pertes dans les machines de production d’électricité est un enjeu capital. Ainsi, une méthodologie de calculs de pertes fer est développée pour des générateurs de fortes puissances.Dans les secteurs de la production et conversion d’énergie, les Machines Synchrones à Double Excitation présentent un fort potentiel pour répondre aux défis de la transition énergétique. Dès lors, il est important de quantifier l’impact de ces nouvelles structures par rapport aux solutions existantes. Cette thèse propose une modélisation par méthodes analytiques et semi-analytiques dans l’objectif de concevoir un ensemble de structures de générateurs. La modélisation est également comparée à deux prototypes de fortes puissances, dont un pour une application éolienne à attaque directe.Ensuite, cette modélisation est employée dans un processus de conception par optimisation. Les structures Pareto optimales sont comparées suivant différents cahiers des charges. Ces optimisations permettent de mettre en avant des gains significatifs par rapport aux solutions existantes notamment sur des données statistiques de fonctionnement éolien. / During the design phase of an electrical generator, the topology is generally imposed by preliminary criteria. This thesis aims at providing a decision support for the choice of high power generator structures. The interest for high efficiency machines is driven by strong environmental objectives. Consequently, understanding the origin of losses in power generation machines is a major issue. Thus, a methodology for iron loss calculation is developed for high power generators.In the energy production and conversion sectors, Hybrid Excitation Synchronous Machines have a great potential to respond to the challenges of energy transition. It is important to quantify the impact of these new structures compared with existing solutions. This thesis proposes analytical and lumped models to design a set of generator structures. The modeling approach is also compared with two high power generators, including one for a direct drive wind turbine. Then, this modeling is used in an optimization design process. The optimal Pareto structures are compared according to different specifications. These optimized designs show significant gains compared to the existing solutions, especially on wind profile from a Weibull probability density function.

Les différents dimensionnements et expériences de Fusion par Confinement Inertiel (FCI) en attaque directe comme indirecte montrent qu'une des principales limites à l'atteinte de l'ignition est l'instabilité de Rayleigh-Taylor (IRT) qui cause la rupture de la coquille de la cible en vol et potentiellement le mélange du combustible chaud du coeur avec celui, froid, de la coquille. La connaissance, la compréhension et la maîtrise des conditions initiales de ce mécanisme sont donc d'un grand intérêt. Nous présentons ainsi une étude expérimentale et théorique des conditions initiales de l'IRT ablative en attaque directe au travers de deux campagnes expérimentales réalisées sur le laser OMEGA (LLE, Rochester). La première campagne concerne l'étude de l'instabilité de Richtmyer-Meshkov (IRM) ablative imprimée par laser ; cette instabilité commence à se développer au début de l'irradiation laser et fixe l'ensemencement de l'IRT. Nous avons mis en place une configuration expérimentale qui a permis de mesurer l'évolution temporelle de l'IRM ablative imprimée par laser pour la première fois. Nous présentons ensuite une interprétation des résultats de cette expérience par des simulations hydrodynamiques réalisées avec le code CHIC, ainsi que par un modèle théorique de l'IRM ablative imprimée par laser. Nous montrons que le moyen le plus direct de contrôler cette instabilité est de réduire l'amplitude des défauts d'intensité laser. Ceci peut être accompli en utilisant des cibles couvertes par une couche de mousse de basse densité. Ainsi, lors de la deuxième campagne, nous avons étudié pour la première fois l'effet de mousses sous-denses sur la croissance de l'IRT ablative. Au cours de ces expériences, des feuilles de plastique recouvertes d'une couche de mousse ont été irradiées par un faisceau laser portant une perturbation d'intensité destinée à imprimer des modulations sur la cible. Différentes données expérimentales sont présentes : rétrodiffusion de l'énergie laser, dynamique de la cible obtenue par mesure de côté d'auto-émission et radiographies de face faisant apparaître l'effet des mousses sur les modulations de densité surfacique des cibles. Ces données ont ensuite été interprétées à l'aide de simulations CHIC et du code d'interaction laser-plasma PARAX. Nous montrons qu'une des mousses réduit l'amplitude des modulations de l'intensité laser d'un facteur 2. Par conséquent, cette thèse a donné lieu au développement de configurations expérimentales et d'un ensemble d'outils de dépouillement numériques pour l'étude approfondie des instabilités hydrodynamiques en FCI. / Numerous designs and experiments in the domain of Inertial Confinement Fusion (ICF) show that, in both direct and indirect drive approaches, one of the main limitations to reach the ignition is the Rayleigh-Taylor instability (RTI). It may lead to shell disruption and performance degradation of spherically imploding targets. Thus, the understanding and the control of the initial conditions of the RTI is of crucial importance for the ICF program. In this thesis, we present an experimental and theoretical study of the initial conditions of the ablative RTI in direct drive, by means of two experimental campaigns performed on the OMEGA laser facility (LLE, Rochester). The first campaign consisted in studying the laser-imprinted ablative Richtmyer-Meshkov instability (RMI) which starts at the beginning of the interaction and seeds the ablative RTI.We set up an experimental configuration that allowed to measure for the first time the temporal evolution of the laser-imprinted ablative RMI. The experimental results have been interpreted by a theoretical model and numerical simulations performed with the hydrodynamic code CHIC. We show that the best way to control the ablative RMI is to reduce the laser intensity inhomogeneities. This can be achieved with targets covered by a layer of a low density foam. Thus, in the second campaign, we studied for the first time the effect of underdense foams on the growth of the ablative RTI. A layer of low density foam was placed in front of a plastic foil, and the perturbation was imprinted by an intensity modulated laser beam. Experimental data are presented : backscattered laser energy, target dynamic obtained by side-on selfemission measurement, and face-on radiographs showing the effect of the foams on the target areal density modulations. These data were interpreted using the CHIC code and the laser-plasma interaction code PARAX. We show that the foams noticeably reduce the amplitude of the laser intensity inhomogeneities and the level of the subsequent imprinted ablation front modulations. In conclusion, this thesis allowed us to develop an experimental platform and a suite of numerical tools for future, more detailed studies of hydrodynamic instabilities for ICFapplications.

he recent development of the power electronic and high-energy permanent magnets enables developing synchronous machines excited by permanent magnets, that are able to meet very gradual and exact control demands. Due to high torque density, that permanent magnet machines reach, the synchronous motors may be used even in direct (gearless) drives. One of the branches, in which direct drives can be used, is material handling. The most propelling drives in this branch consist of induction motor, simple gearbox with invariable gear ratio mounted to the drive wheel. Main aim of this thesis is designing the direct drive motor for low-lift truck. Motor is built-in the driven wheel, therefore outer rotor design appears to be more suitable. Two types of motors – permanent magnet synchronous motor and transverse flux motor have been chosen on the basis of technical paper study, many years lasting experience and verification computations. Both motor types are described in great details in this thesis. Both synchronous motor with PM and transverse flux motor have been designed for direct drive of the given low-lift truck. The proposals of both motors have been optimized by means of finite element method. Based on these design optimizing computations, both motors have been designed, produced and design accuracy has been verified by laboratory testing. Synchronous motor with PM achieves better electromagnetic parameters and its production is also simpler, therefore this motor is more suitable for this application. The solution with transverse flux motor may save substantial amount of active materials. Results of the detailed optimization and comparison of both motor types are the main benefits of this thesis.

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Les travaux de recherche présentés dans cette thèse concernent les petites machines à aimants permanents, à flux axial et à auto-commutation électronique ayant la topologie d’un rotor intérieur discoïdal avec des aimants Nd-Fe-B montés en surface et de deux stators extérieurs identiques, chacun avec enroulement triphasé distribué dans des encoches. Après l’examen des topologies candidates pour applications d’entraînement direct basse-vitesse, une modélisation électromagnétique analytique de pré-dimensionnement d’un prototype de telles machines est réalisée. Ensuite, une approche numérique originale est développée et couplée à l’optimisation géométrique des aimants rotoriques en vue de réduire les harmoniques d’espace de l’induction magnétique dans l’entrefer et aussi les ondulations du couple électromagnétique. Des nombreux tests expérimentaux sont effectués sur le prototype de machine pour vérifier son dimensionnement ainsi que pour valider la stratégie d’auto-commutation électronique et de contrôle de base / The research work presented in this thesis is concerned with small electronically-commutated axial-flux permanent-magnet (AFPM) machines having the double-sided topology of an inner rotor with surface-mounted Nd-Fe-B magnets, sandwiched between two outer slotted stators with distributed three-phase windings. After reviewing the small double-sided AFPM machine candidate topologies for low-speed direct-drive applications, the thesis hinges on the size equations and the analytical electromagnetic design of the inner-rotor AFPM (AFIPM) machine topology under study. Original methods of modelling and design optimization of a small prototype AFIPM machine are then proposed with the view to reducing the airgap flux density space-harmonics and the torque ripple by rotor-PM shape modification. Extensive experimental tests are carried out on the small three-phase AFIPM machine prototype in order to validate its proper design and to check its electronic commutation and basic control technique

This project explores the feasibility of the solid-state welding method direct-drive friction welding to be used as a joining method for the nitrogen alloyed steel Uddeholm Vanax SuperClean, produced via processes based on powder metallurgy. Vanax SuperClean cannot be welded using fusion welding methods where the base material melts, due to nitrogen escaping the material, resulting in inferior quality welds. The cost of the material motivates the use of Vanax SuperClean for critical parts in applications, combined with a less costly material for the remaining parts, causing alternative joining methods to be examined. Vanax SuperClean is friction welded to itself and to Uddeholm steel types Stavax ESR and UHB 11. Samples are prepared for a number of examinations. Microstructures of the samples are examined using microscopy, microhardness testing is carried out per the Vickers principle, retained austenite is measured using X-ray diffraction and tensile testing of the welded samples is performed. Defect-free welds are produced in all examined samples, showing that the method is suitable for Vanax SuperClean and that no preheating or slow cooling of workpieces are necessary. The possibility of using friction stir welding as a joining method for Vanax SuperClean is discussed. / Detta projekt undersöker möjligheten att använda trycksvetsningsmetoden friktionssvetsning som sammanfogningsmetod för det kvävelegerade pulvermetallurgiskt framställda stålet Uddeholm Vanax SuperClean. Vanax SuperClean kan inte svetsas med smältsvetsmetoder där grundmaterialet smälter, på grund av kvävgasbildning som resulterar i undermåliga svetsfogar. Kostnaden för materialet motiverar användandet av Vanax SuperClean för kritiska delar i applikationer, kombinerat med ett mindre kostsamt material till övriga delar, vilket föranleder undersökning av alternativa sammanfogningsmetoder. Vanax SuperClean friktionssvetsas mot sig själv, såväl som mot Uddeholmsstålen Stavax ESR och UHB 11. Prov tas fram för ett antal undersökningar. Mikrostruktur undersöks med mikroskopi, mikrohårdhetsprovning utförs enligt Vickersprincipen, restaustenitnivåer mäts med röntgendiffraktion och dragprovning utförs. Lyckade svetsfogar fås i alla undersökta prover, vilket visar att svetsmetoden är lämplig för Vanax SuperClean och att varken förvärmning eller långsamt svalnande av arbetsstycken krävs. Möjligheten att använda friktionsomrörningssvetsning som sammanfogningsmetod för Vanax SuperClean diskuteras.

V tomto projektu jsou popsány základy problematiky větrných elektráren. V první řadě práce zmiňuje ekomonické aspekty, vývoj větrné energetiky v minulosti a pravděpodobný vývoj v příští generaci, stavbu a možné topologie větrných elektráren. Dále je ukázána konstrukce větrné elektrárny, integrace větrvých parků do distribuční sítě a ostrovní sítě a související ekonomické aspekty. Dále jsou zmíněny způsoby řízení, kvality elektrické energie a bezpečnosti. V následující části, je provedena simulace moderní přímo poháněné turbíny o výkonu 660kW a řešení koeficientu výkonu. Pro tuto simulaci byl použitý systém s pomaloběžným synchronním generátorem s permanentnímy magnety. Chování a výsledky simulace větrné elektrárny jsou popsány v závěrečné části této práce.