Les travaux présentés dans cette thèse abordent le sujet de la génération électrique embarquée dans les avions de futur. L'objectif principal étant de trouver de nouvelles structures de machines électriques qui peuvent répondre aux nouvelles exigences avioniques. Nous nous sommes particulièrement intéressés à une Machine à Commutation de Flux à Double Excitation avec Pont Magnétique (MCFDEPM). La structure de cette machine présente plusieurs avantages comme des sources d'excitation statiques, un rotor passif et une structure particulière du stator qui permet d'avoir une faible tension rémanente respectant ainsi les contraintes de sécurité du cahier des charges. Dans le premier chapitre, nous avons présenté un état de l'art sur les machines à commutation de flux à simple et à double excitation. Nous avons donné aussi les règles qui définissent le choix du nombre de pôles statoriques et rotoriques. Le chapitre 2 a été consacré pour étudier les performances électromagnétiques de la MCFDEPM en utilisant un modèle en éléments finis. Ce modèle a été validé par des mesures expérimentales réalisées sur un prototype 3 kW. Dans un dernier chapitre, nous avons mis en place une méthodologie d'optimisation en éléments finis pour améliorer les performances en charge de la MCFDEPM et limiter sa tension rémanente. Les résultats de l'optimisation ont montré des performances bien améliorées. La MCFDEPM se présente comme une bonne candidate pour remplacer la machine à 3 étages dans l'avion du futur. / This work addresses the subject of the embedded electric generation in future aircraft. The main objective is to find a new electrical machine structures that can meet the new avionic requirements. We have been particularly interested in a Hybrid Excited Flux Switching machine with a Magnetic Bridge (HEFSMMB). The structure of this machine has several advantages such as static excitation sources, a passive rotor and a unique stator structure which makes it possible to have a low residual voltage, thus respecting the safety constraints. We have presented in the first chapter a state of the art on singly and doubly excited flux switching machines. We have also given the rules which define the choice of the number of stator and rotor poles. Chapter 2 was devoted to study the electromagnetic performances of the HEFSMMB using a finite element model. This model has been validated by experimental measurements carried out on a 3 kW prototype. In the final chapter, we have put in place an optimization methodology in order to improve the overall performances of the HEFSMMB and to limit its residual voltage. The optimization results showed much improved performances. It can be concluded that the MCFDEPM is a good candidate to replace the three-stage machine in future aircraft.

Cette thèse porte sur l'étude des machines synchrones à commutation de flux à aimants permanents et plus particulièrement sur le comportement magnétique, mécanique et acoustique de ces structures particulières. La finalité étant de réaliser une optimisation géométrique alliant rapidité et robustesse tout en prenant en compte ces critères multi-physiques sus-cités. Dans un premier temps, nous avons dressé une vue d'ensemble du fonctionnement de ces machines en présentant le principe de fonctionnement de la commutation de flux et en étudiant une structure penta-phasée 20/18. L'origine du bruit générée dans ces structures a ensuite été débattue avec une attention toute particulière pour les phénomènes magnétiques. Une exploration des différentes contraintes magnétiques ainsi qu'une analyse mécanique et vibratoire par simulations éléments finis et par mesures expérimentales a été réalisée. Dans un deuxième temps, un modèle multi-physique permettant d'estimer l'état magnétique, mécanique et acoustique de ces structures a été présenté. Le choix s'est porté sur une modélisation entièrement analytique devant la nécessité d'obtenir un modèle rapide. Les différents modèles ont été développés et validés soit par simulations éléments finis, soit par mesures expérimentales. Le modèle magnéto-statique a été réalisée par résolution formelle des équations de Maxwell de la magnéto-statique par développement en série de Fourier. Le modèle mécanique a consisté à calculer les modes et les fréquences propres d'ovalisations du stator par une approche énergétique appelé la méthode du quotient de Rayleigh. Le modèle vibratoire / acoustique a, quant à lui, été réalisé en résolvant les équations d'équilibre de la dynamique des poutres dans la base modale formée par les modes propres précédemment calculés. Enfin, dans un troisième et dernier temps, ce modèle a été appliqué dans le cadre d'une optimisation géométrique afin de maximiser le couple électromagnétique tout en minimisant la puissance acoustique rayonnée. Différentes structures de machines ont été abordées et des règles de construction "silencieuse" ont été proposées. L'influence de nombreux paramètres sur la génération de bruit a été étudiée. Ces optimisations ont été effectuées sur trois types de structures : une structure tri-phasée 12/10, une structure tétra-phasée 16/12 et enfin une structure penta-phasée 20/18. De plus elles ont été réalisées dans deux cas de figure : un cas dans lequel la machine est entraînée à vitesse fixe et un cas dans lequel la machine est entrainée à vitesse variable. / This thesis deals with the study of Flux-Switching Permanent-Magnets, in particular on magnetic, mechanical and acoustic behavior of these structures. Firstly, origin of noise generated has been presented with particular attention to magnetic phenomena. Exploration of magnetic stresses, mechanical and vibration analysis have been performed by finite element simulations. Secondly, an analytical multi-physics model has been presented in order to estimate magnetic, mechanical and acoustic behavior. The different models have been validated by finite element simulations or by experimental measurements. Finally, this model has been applied in a geometric optimization loop to maximize electromagnetic torque and minimize acoustic noise generated. These optimizations have been performed on 3-phases 12/10, 4-phases 16/12 and 5-phases 20/18 at fixed and variable speed.

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.