In all energy systems, the parameters necessary to calculate power are the same in functionality: an effort or force needed to create a movement in an object and a flow or rate at which the object moves. Therefore, the power equation can generalized as a function of these two parameters: effort and flow, P = effort * flow. Analyzing various power transfer media this is true for at least three regimes: electrical, mechanical and hydraulic but not for magnetic. This implies that the conventional magnetic system model (the reluctance model) requires modifications in order to be consistent with other energy system models. Even further, performing a comprehensive comparison among the systems, each system's model includes an effort quantity, a flow quantity and three passive elements used to establish the amount of energy that is stored or dissipated as heat. After evaluating each one of them, it was clear that the conventional magnetic model did not follow the same pattern: the reluctance, as analogous to the electric resistance, should be a dissipative element instead it is an energy storage element. Furthermore, the two other elements are not defined. This difference has initiated a reevaluation of the conventional magnetic model. In this dissertation the fundamentals on electromagnetism and magnetic materials that supports the modifications proposed to the magnetic model are presented. Conceptual tests to a case study system were performed in order to figure out the network configuration that better represents its real behavior. Furthermore, analytical and numerical techniques were developed in MATLAB and Simulink in order to validate our model. Finally, the feasibility of a novel concept denominated magnetic transmission line was developed. This concept was introduced as an alternative to transmit power. In this case, the media of transport was a magnetic material. The richness of the power-invariant magnetic model and its similarities with the electric model enlighten us to apply concepts and calculation techniques new to the magnetic regime but common to the electric one, such as, net power, power factor, and efficiency, in order to evaluate the power transmission capabilities of a magnetic system. The fundamental contribution of this research is that it presents an alternative to model magnetic systems using a simpler, more physical approach. As the model is standard to other systems' models it allows the engineer or researcher to perform analogies among systems in order to gather insights and a clearer understanding of magnetic systems which up to now has been very complex and theoretical.

Le travail présenté dans ce mémoire traite de la problématique du dimensionnement de structures innovantes de génératrices, à savoir les machines à flux axial ou encore discoïdes, destinées aux éoliennes de grande puissance allant jusqu'à deux dizaines de mégawatts. Les machines synchrones à aimants permanents à flux axial étant intrinsèquement tridimensionnelles, l'optimisation de leur dimensionnement nécessite un modèle dimensionnant tridimensionnel et multiphysique qui peut être, de par sa nature 3D, très consommateur en mémoire et en temps de calcul. On se propose donc, dans ce mémoire, de développer une approche de modélisation par constantes localisées offrant un très bon rapport entre vitesse de calcul et précision afin d'accélérer de façon significative les premières phases de la procédure de dimensionnement. L'approche par constantes localisées peut par ailleurs s'appliquer de manière similaire aux principales physiques concernées (magnétique, thermique et mécanique). Plus particulièrement pour la partie magnétique, l'approche par constantes localisées est mise en œuvre par le biais de réseaux réluctants magnétiques génériques. Le principe de la méthode développée repose sur le découpage de la géométrie de la machine en volumes élémentaires finis parallélépipédiques à l'instar de qui est fait avec la méthode des éléments finis. En effet, chaque volume élémentaire étant modélisé par un réseau réluctant local, le découpage de la géométrie conduit à la génération automatique du système algébrique magnétique de la structure et dont la solution fournit la distribution locale du potentiel scalaire magnétique aux nœuds des volumes élémentaires. Cette approche de modélisation a été implémentée dans un code de calcul interne au GREAH. La modélisation de la génératrice à flux axial par réseaux réluctants a été validée par des simulations 2D et 3D par éléments finis. Le code de calcul développé intègrera les travaux en cours sur les modèles thermique et mécanique au GREAH afin d'aboutir à un code de calcul multi-physique par constantes localisées / The aim of this PhD thesis is to propose a design approach of the axial flux permanent magnet synchronous generator for multi megawatts wind converter application. The axial flux permanent magnet synchronous machine being intrinsically three dimensional, a 3D multiphysics sizing model is needed in order to conduct an efficient optimal design of this type of machines. Unfortunately, 3D multiphysic models are generally issued from finite element method. So, they are very heavy to be handled in a reduced time from an engineer point of view and especially at the first stages of the design procedure. In order to address the faster axial flux machine design, this PhD thesis develops a lumped parameters approach modelling offering a good computation time to precision ratio and thus helping to reduce considerably the spent time in the first stages design procedure. The lumped parameters modelling approach is also well suited for the modelling of the three main physics to be considered in an electrical generator (magnetic model, thermal model and mechanical model). For the magnetic model, the lumped parameters approach consists, in this thesis, in the development of a generic magnetic reluctance network linked to the machine geometry. In fact, the latter is divided into parallelepipedic elementary volumes, each of them is modelled by a local reluctance network. The reluctance network of the hole machine geometry results then automatically in an algebraic magnetic system, the solution of which provides the distribution of the scalar magnetic potential at the elementary volume nodes. The described lumped parameters modelling was implemented in a computational code developed at the GREAH Lab. The effectiveness of the reluctance network axial flux machine modelling was validated by 2D and 3D finite element simulations. The lumped parameters computational code will regroup the ongoing developments of thermal and mechanical models at the GREAH Lab in order to reach the completion of a mutliphysics lumped parameters computational code.

Dans un cadre de modélisation des machines électriques, la méthode qui connaît une grande popularité, car réputée pour la qualité de ses résultats est la méthode des éléments finis. Cependant, les temps de calcul deviennent importants lorsque les modèles éléments finis sont associés à une démarche d’optimisation et de prédimensionnement dans le cadre d’un cahier des charges complexe. Les méthodes de modélisation bien souvent utilisées comme alternative aux éléments finis sont les approches de modélisation par constantes localisées. Ces dernières se prêtent bien aux différentes physiques impliquées dans le fonctionnement des machines électriques, i.e. électromagnétique, mécanique et thermique. Ainsi, les stratégies de conception optimisée d’une machine électrique utilisent ces modèles pour déterminer les propriétés et performances de cette dernière dans différentes conditions de fonctionnement. Cependant, la mise en place de ce type de modèles nécessite un temps de développement important par manque d’outils dédiés tels que ceux existants pour les éléments finis. Dans le contexte électromagnétique, les travaux de cette thèse présentent une contribution à l’approche de modélisation par réseaux de réluctances par le développement d’outils permettant leurs générations automatiques. Cette approche est intégrée dans un outil permettant le traitement automatisé d'une géométrie, fournissant un modèle précis dans un délai plus court que celui nécessaire à la construction d'un modèle dédié. L’outil, intégralement développé sur MATLAB®, a été appelé MRNsoftware (pour Mesh-based Reluctance Network Software). Ce mémoire s’organise en quatre parties. Le premier chapitre est consacré à un état de l’art détaillé sur les méthodes de modélisation par réseaux de réluctances. Dans la deuxième partie, nous abordons les méthodologies mises en place en se basant sur un maillage de l’espace d'étude par des blocs élémentaires bidirectionnels et dans le cadre d’un maillage conforme. Le maillage non conforme fera l’objet du troisième chapitre. Une interpolation des potentiels se révélera utile pour connecter les différentes branches des interfaces de non-conformité dans le maillage de l’espace d’étude. Différents découpages d’une même structure sont testés et la précision ainsi que le temps d’évaluation des modèles en réseaux de réluctances sont comparés aux modèles de référence réalisés par éléments finis. Le quatrième chapitre présente en premier lieu l’interface graphique de l’outil. Par la suite, les approches de modélisation développées seront utilisées pour réaliser les modèles de la machine linéaire à aimants permanents et la machine linéaire à commutation de flux à excitation bobinée. Ces approches de modélisation sont le fruit de la collaboration entre les laboratoires SATIE et GREAH et s’inscrivent dans la problématique générale de développement d’outils de modélisation multiphysiques de dispositifs électromagnétiques en vue de leurs dimensionnements optimisés. / In the field of electrical machine modeling, the method that is experiencing great popularity as renowned for the quality of its results is the finite element method. However, computation time becomes important when the finite element models are associated with an optimization and predesign process as part of a complex technical specification sheet. The alternate modeling solution is the lumped parameter models approach. The latter is well suited for the individual physical domains involved in the operation of electrical machines, namely electromagnetic, mechanical and thermal. The latter is well suited for the individual physical domains involved in the operation of electrical machines, namely electromagnetic, mechanical and thermal. Thus, electric machine design routines have been used to determine the properties and performance of the latter under different operating conditions. However, the implementation of these modeling approaches requires significant development time for lack of dedicated tools such as those existing for the finite element method. In the electromagnetic context, the work of this thesis presents a contribution to the reluctance network modeling approach by developing tools allowing their automatic generation. This approach is integrated into a software tool allowing the automated processing of a geometry, providing a precise model in a shorter time than that required for the construction of a dedicated model. The tool, fully developed on MATLAB®, has been called MRNsoftware (for Mesh-based Reluctance Network Software). This dissertation contains four chapters. The first chapter is devoted to a detailed state of the art on reluctance network modeling methods. In the second chapter, we discuss the methodologies implemented based on a conformal mesh of the study space by bidirectional elementary blocks. The non-conformal mesh will be the subject of the third chapter. Magnetic scalar potential interpolation will prove useful to connect the different branches of the block elements at the edge of the non-conformal interfaces. Different mesh patterns of the same structure are tested and the accuracy as well as the evaluation time of the reluctance network models are compared with the finite element reference models. The fourth chapter presents, at first, the graphical interface of the tool. Subsequently, the developed modeling techniques are used to realize the models of the permanent magnet linear machine and the linear wound excitation linear machine. These modeling approaches are the result of the cooperation between SATIE and GREAH laboratories and are part of the general endeavor of developing multiphysics modeling tools for the optimal sizing of electromagnetic devices.

Αναπτύσσεται ένα πλήρες δυναμικό μοντέλο μετασχηματιστή που λαμβάνει υπόψη τη γεωμετρία του πυρήνα και τη συνδεσμολογία των τυλιγμάτων. Το μοντέλο μπορεί εύκολα να ενσωματωθεί στις καταστατικές εξισώσεις ενός συστήματος ισχύος με σκοπό τη μελέτη της δυναμικής του απόκρισης και τον υπολογισμό ανωτέρων αρμονικών. Ο βρόχος υστέρησης του υλικού του πυρήνα εισάγεται με το μοντέλο που: (α) προτείνει ο Tellinen και (β) προτείνουν οι Jiles και Atherton. Τα μοντέλα αυτά υπολογίζουν σωστά τις απώλειες υστέρησης του πυρήνα, επιτρέποντας στα διάφορα τμήματα του πυρήνα να διαγράφουν διαφορετικούς βρόχους. Η επίδραση των δινορευμάτων ενσωματώνεται στο μοντέλο με μη γραμμικές ωμικές αντιστάσεις για τον υπολογισμό των οποίων αξιοποιούνται οι σχετικές με τα δινορεύματα, ευρέως αποδεκτές, εργασίες του Bertotti. Ο πίνακας Ld των αυξητικών επαγωγών του μετασχηματιστή υπολογίζεται για οποιαδήποτε γεωμετρία πυρήνα και αριθμό τυλιγμάτων με την βοήθεια του Ισοδυνάμου Αυξητικού Κυκλώματος (ΙΑΚ) του πυρήνα. Ο αναλυτικός υπολογισμός των στοιχείων του πίνακα Ld αναδεικνύει τον τρόπο εξάρτησης των αυξητικών επαγωγών του μετασχηματιστή από τη γεωμετρία του πυρήνα και από τη χαρακτηριστική καμπύλη του υλικού. / A dynamic and complete transformer model is developed which takes into account the magnetic core geometry and the windings connections. This model can easily be incorporated with the state equations of a power system, in order to calculate its dynamic response and the harmonic content. The magnetic hysteresis of the core material is introduced the model that is proposed by: (a) Tellinen and (b) Jiles and Atherton. These models can estimate the hysteresis power losses even when the hysteresis loops into several parts of the core differ. The eddy currents effects are incorporated into the model by non-linear ohmic resistances which are based on Bertotti’s work for the eddy currents. The matrix Ld of the incremental inductances of the windings is calculated, for any possible core geometry and number of windings, using the Equivalent Incremental Circuit (EIC) of the core. The analytical calculation of the elements of the matrix Ld shows the dependency of the incremental inductances on the core geometry and the characteristic curve of the core material.

[ES] En esta tesis de doctorado se utiliza el modelado matemático de zonas térmicas para evaluar la capacidad del control en modos deslizantes, para regular la temperatura interna de un caso de estudio. Se utiliza la técnica de parámetros agrupados para representar los espacios cerrados, que al ser complementada con mediciones experimentales y algoritmos de optimización, permitió construir un simulador para reproducir con una precisión de más del 97% las condiciones del modelo estudiado, y que permitió estudiar el sistema en general mientras se introducen perturbaciones o variaciones en los parámetros del modelo. Inicialmente se utilizaron modelos de escala reducida para caracterizar el efecto termo-aislante de la solución Thermo Skold sobre la temperatura interna, se caracterizó el efecto de la pintura sobre cada uno de los parámetros de transmisión de calor del caso de estudio, lo que permitió entender los ahorros y resultados obtenidos experimentalmente. Posteriormente, se utilizaron los modelos de escala reducida para evaluar la técnica de control en modos deslizantes, por lo que se modeló, simuló y veri ficó experimentalmente la efectividad de la técnica para mantener una temperatura de referencia ja, con un error inferior al 2 %. En la etapa final de la tesis se utilizó un domo geodésico como caso de estudio, el cual fue modelado con un circuito eléctrico propuesto para sus características específi cas. Se realizaron medidas experimentales de las condiciones térmicas del domo geodésico, con las cuales se ajustó el simulador utilizando el algoritmo de optimización Búsqueda de Patrones. Gracias al simulador desarrollado se estudiaron las condiciones de confort térmico y las necesidades de refrigeración del domo, considerando diferentes situaciones y cargas internas por ocupantes y sistemas de refrigeración. / [EN] In this doctoral thesis, the mathematical modeling of thermal zones is used to evaluate the ability of the control in sliding modes, to regulate the internal temperature of a case study. The grouped parameters technique is used to represent the closed spaces, which, when complemented with experimental measurements and optimization algorithms, allowed the construction of a simulator to reproduce the conditions of the model studied with an accuracy of more than 97 %, which allowed studying the system in general while introducing disturbances or variations in the model parameters. Initially, reduced-scale models were used to characterize the thermal insulating effect of the Thermo Skold solution on the internal temperature. The impact of the painting on each one of the heat transfer parameters was studied, which allowed us to understand the savings and results obtained experimentally. Subsequently, the reduced scale models were used to evaluate the control technique in sliding modes, so the effectiveness of the technique was modeled, simulated and verified experimentally to maintain a fixed reference temperature, with an error of less than 2%. In the final stage of the thesis, a geodesic dome was used as a case study, which was modeled with an electrical circuit proposed for its specific characteristics. Experimental measurements of the thermal conditions of the geodesic dome were made, with which the simulator was adjusted using the Pattern Search optimization algorithm. Thanks to the simulator developed, the thermal comfort conditions and the cooling needs of the dome were studied, considering different situations and internal loads by occupants and cooling systems. / [CA] En aquesta tesi de doctorat s'utilitza el modelatge matemàtic de zones tèrmiques per avaluar la capacitat de l'control en maneres lliscants, per regular la temperatura interna d'un cas d'estudi. S'utilitza la tècnica de paràmetres agrupats per representar els espais tancats, que a l'ésser complementada amb mesuraments experimentals i algoritmes d'optimització, va permetre construir un simulador per reproduir amb una precisió de més de l' 97 % les condicions de el model estudiat, i que va permetre estudiar el sistema en general mentre s'introdueixen pertorbacions o variacions en els paràmetres de el model. Inicialment es van utilitzar models d'escala reduïda per caracteritzar l'efecte termo-aïllant de la solució Thermo Skold sobre la temperatura interna, es va caracteritzar l'efecte de la pintura sobre cadascun dels paràmetres de transmissió de calor de l' cas d'estudi, el que va permetre entendre els estalvis i resultats obtinguts experimentalment. Posteriorment, es van utilitzar els models d'escala reduïda per avaluar la tècnica de control en maneres lliscants, de manera que es va modelar, simular i va verificar experimentalment l'efectivitat de la tècnica per mantenir una temperatura de referència fixa, amb un error inferior a el 2 % . En l'etapa final de la tesi es va utilitzar un dom geodèsic com a cas d'estudi, el qual va ser modelat amb un circuit elèctric proposat per les seves característiques especifiques. Es van realitzar mesures experimentals de les condicions tèrmiques de l'dom geodèsic, amb les quals es va ajustar el simulador utilitzant l'algoritme d'optimització Cerca de Patrons. Gràcies a el simulador desenvolupat es van estudiar les condicions de confort tèrmic i les necessitats de refrigeració de la cúpula, considerant diferents situacions i càrregues internes per ocupants i sistemes de refrigeració. / Al programa de becas de doctorados nacionales convocatoria 727 de Colciencias, por todos los recursos aportados durante el desarrollo de mis estudios. Finalmente, a la Universidad Nacional de Colombia sede Manizales y a la Universidad Politècnica de Valencia, que con sus programas de doctorado en ingeniería automática y matemáticas aplicadas contribuyeron en mi formación como investigador. / Florez Montes, F. (2020). Análisis dinámico del confort en edificios con estrategias de control adaptativo en modos deslizantes [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/153803 / TESIS