L'évolution des technologies et des problématiques environnementales a encouragé le développement de nouvelles structures de machines électriques. Nous vous proposons dans cette thèse d'étudier deux structures de machines discoïdes à double entrefer et aimants permanents enterrés. Une réflexion sera menée sur le potentiel industriel de chacune à l'aide d'outils de modélisation récents (modélisation tridimensionnelle par éléments finis sous FLUX), de méthodes d'optimisation nouvelles (méthodes des plans d'expériences numériques) et de matériaux ferromagnétiques peu utilisés à l'heure actuelle (poudre de fer). A l'issu de cette recherche, nous pourrons proposer de nouveaux moteurs performants dans la gamme de petite et moyenne puissance. Ces machines, combinées à une alimentation appropriée, pourront être utilisées comme entraînement à vitesse variable dans tous les secteurs de l'industrie.

La présente étude vise à comprendre les écoulements ainsi que les transferts de chaleur par convection dans une configuration représentative d’un moteur de traction automobile. La zone d’étude est constituée d’un stator extérieur lisse et fixe et d’un rotor intérieur tournant. Deux géométries de rotor ont été étudiées : un rotor cylindrique et un rotor encoché. Un écoulement axial est superposé à l’écoulement produit par la rotation. Pour le rotor lisse, des mesures ont été réalisées pour des valeurs du nombre de Reynolds axial de 2500 à 13900 et de rotation de 1250 à 4000. Pour le rotor encoché, le nombre de Reynolds axial varie également de 2500 à 13900 et le nombre de Reynolds de rotation de 5000 à 26000. Les mesures de vitesse réalisées par PIV au sein des encoches montrent un écoulement tourbillonnaire contrarotatif complexe. Dans la zone d’entrée, on peut noter une forte interaction entre l’écoulement des encoches et celui provenant des zones polaires. Les résultats thermiques obtenues par thermographie infrarouge sur le rotor encoché montrent que les transferts thermiques augmentent avec l’augmentation du nombre de Reynolds axial mais l’influence de la vitesse de rotation est plus complexe. Enfin, la comparaison des résultats thermiques entre rotors lisse et encoché, a permis de mieux comprendre l’effet des encoches sur le refroidissement global. / The present work aimed to experimentally study the flow and heat transfer in a configuration corresponding to the gap of an automotive electrical motor (a thin airlayer between the rotating (rotor) and stationary (stator) parts.) Two rotor geometries are studied: one cylindrical and the other one with four slots which reproduce a synchronous motor used in automotive traction. An axial flow is superimposed to the rotation flow thanks to a ventilation system. The two most important parameters are axial Reynolds number and rotational Reynolds number. Velocity measurements are performed by PIV and heat transfer by infrared thermography coupled with heated thin foils. A complex counter rotational vortex flow has been recorded in the slots. Moreover, this slot flow seems to interact with the pole flow in the inlet region. This interaction seems to disappear rapidly after entrance area. Heat transfer rate is 3D, with great differences between the two slots faces and the pole. Classically, heat transfer rate grows with increasing axial Reynolds number. The relation between heat transfer rate and rotation Reynolds number is more complex

Cette thèse porte sur l'étude de machines polyentrefers et leurs limitations, dans le contexte d'avion plus électrique et du projet de déplacement des avions au sol. Ces moteurs, basés sur l'utilisation de plusieurs éléments mobiles et fixes mis en parallèle, permettent d'obtenir de hautes performances. Une étude sur les tolérances des dimensions des éléments actifs montre que les performances peuvent être dégradées si des précautions lors de la réalisation ne sont pas prises et si les entrefers utilisés ne sont pas faibles. Ce manuscrit présente un système totalement innovant permettant d'utiliser un entrefer réduit à son minimum sans que les performances ne soient dégradées par de la friction. Ce système est appelé système de compensation des efforts de plaquage. Afin de développer un moteur tournant à entraînement direct dans le cadre du taxiage des avions, deux topologies différentes de machines discoïdes sont étudiées et dimensionnées. Les résultats favorisent l'utilisation d'une des deux structures, à entrefer réduit, pour réaliser un maximum de couple dans le volume donné. Afin de prouver la faisabilité du système innovant sur un moteur discoïde, la réalisation d'un prototype laboratoire complet est proposée. Des simulations thermiques et du comportement du système innovant permettront de valider ces études.

Cette thèse porte sur l'étude de machines polyentrefers et leurs limitations, dans le contexte d'avion plus électrique et du projet de déplacement des avions au sol. Ces moteurs, basés sur l'utilisation de plusieurs éléments mobiles et fixes mis en parallèle, permettent d'obtenir de hautes performances. Une étude sur les tolérances des dimensions des éléments actifs montre que les performances peuvent être dégradées si des précautions lors de la réalisation ne sont pas prises et si les entrefers utilisés ne sont pas faibles. Ce manuscrit présente un système totalement innovant permettant d'utiliser un entrefer réduit à son minimum sans que les performances ne soient dégradées par de la friction. Ce système est appelé système de compensation des efforts de plaquage. Afin de développer un moteur tournant à entraînement direct dans le cadre du taxiage des avions, deux topologies différentes de machines discoïdes sont étudiées et dimensionnées. Les résultats favorisent l'utilisation d'une des deux structures, à entrefer réduit, pour réaliser un maximum de couple dans le volume donné. Afin de prouver la faisabilité du système innovant sur un moteur discoïde, la réalisation d'un prototype laboratoire complet est proposée. Des simulations thermiques et du comportement du système innovant permettront de valider ces études. / This thesis focuses on the study of multi-air gap machines and their limitations, in the framework of more electric aircraft and the project of moving aircrafts on the ground without the main engines. These motors, based on the use of mobile and fixed parts disposed in parallel, induce high performance. A study concerning the tolerance for the dimensions of active parts shows that performance can decrease if precautions are not taken during manufacturing and if the air gaps are not small. This manuscript presents a totally innovative system that permits the use of an air gap reduced to its minimum without reducing performance by friction. This system is called system of attraction control. In order to develop a direct-drive motor for aircraft taxiing, two different topologies of disc-type machines are studied and sized. The obtained results encourage the use of one of the two structures with reduced air gap to realize maximum torque in the fixed volume. To prove the feasibility of the innovative system on a disc-type motor, the conception of an entire laboratory prototype is proposed. Thermal modelling and simulations on the innovative system behaviour will validate the presented work.

Afin de faire face aux fortes températures rencontrées par les composantsen aval de la chambre de combustion, des prélèvements d’air plus frais sont réalisésau niveau du compresseur. Cet air alimente les cavités en pied de turbine et refroidiles disques rotor permettant d’assurer le bon fonctionnement de la turbine.Ce manuscrit présente une étude numérique de l’effet de ces écoulements de cavitéau pied de la turbine sur ses performances aérodynamiques. Les phénomènesd’interaction entre l’air de cavité en pied de turbine et l’air de veine principal est unphénomène encore difficilement compris. L’étude de ces phénomènes est réalisée autravers de différentes approches numériques (RANS, LES et LES-LBM) appliquéesà deux configurations pour lesquelles des résultats expérimentaux s ont disponibles.Une première configuration en grille d’aube linéaire en amont de laquelle différentesgéométries d’entrefer (interface entre plateforme rotor et stator) et débits de cavitépouvaient être variés. Une seconde configuration annulaire composée de deux étagesde turbine comprenant les cavités en pied et plus proche d’une configuration industrielle.Les pertes additionnelles associées à l’écoulement de cavité sont mesurées etétudiées à l’aide d’une méthode basée sur l’exergie (bilans d’énergie dans l’objectifde générer du travail). / In order to deal with high temperatures faced by the components downstreamof the combustion chamber, some relatively cold air is bled at the compressor.This air feeds the cavities under the turbine main annulus and cool down the rotordisks ensuring a proper and safe operation of the turbine. This thesis manuscriptintroduces a numerical study of the effect of the cavity flow close to the turbine hubon its aerodynamic performance. The interaction phenomena between the cav-ity andmain annulus flow are not currently fully understood. The study of these phenomenais performed based on different numerical approaches (RANS, LES and LES-LBM)applied to two configurations for which experimental results are avail-able. A linearcascade configuration with an upstream cavity and various rim seal geometries(interface between rotor and stator platform) and cavity flow rate avail-able. Arotating configuration that is a two stage turbine including cavities close to realisticindustrial configurations. Additional losses incurred by the cavity flow are measuredand studied using a method based on exergy (energy balance in the purpose togenerate work).

Ce travail concerne les machines synchrones à excitation (rotor bobiné). Leur modélisation est effectuée sous forme analytique; elle peut être employée lors des phases d'étude et de conception de ces machines (par exemple, pour la prédétermination des formes d'ondes et des pertes fer). Le premier chapitre présente les véhicules électriques et les particularités de leur chaîne de traction. Nous en déduisons ensuite les contraintes qui influent sur les paramètres magnétiques de ces machines. La méthode de calcul utilisée est détaillée dans le deuxième chapitre. Celle-ci permet d'analyser les effets de la saillance des machines au cours de leur rotation. Cette méthode se base sur une étude de la perméance d'entrefer (unique point traité par résolution numérique) qui conduit à un modèle de cette zone soit ponctuel, soit harmonique. Nous présentons ensuite les éléments permettant d'adapter cette caractérisation au cas des machines synchrones à aimants permanents. Les chapitres suivants sont consacrés à l'exploitation et à la validation de ce modèle pour différents points de fonctionnement de la machine. Le calcul des inductances (directe et en quadrature) en régime permanent, ainsi que la détermination de la répartition instantanée des flux en rotation, y sont traités. Les résultats obtenus avec le modèle analytique sont comparés à ceux obtenus avec des résolutions intégralement numériques (éléments finis). Divers cas ont été testés, notamment le fonctionnement en survitesse avec une forte réaction d'induit et le fonctionnement à couple maximum. Le modèle a permis de reconstituer avec une bonne précision ces différents cas, même en présence de saturation. Ces résultats valident le concept développé ici.

Les travaux présentés dans cette thèse portent sur la conception et le dimensionnement de composant magnétique dédié au transfert d'énergie sans contact pour des applications ferroviaires de type tramway. Cette famille de composant présente un comportement fortement inductif. Un convertisseur à double fréquence de résonance est utilisé pour l'alimenter et compenser l'énergie réactive du coupleur. Pour parvenir à dimensionner ce composant et son convertisseur associé, un outil d'aide au dimensionnement a été mis au point. Celui-ci est basé sur des modèles analytiques du composant magnétique et de la structure d'électronique de puissance. Une fois le dimensionnement réalisé, une étude des pertes, dans les bobinages et les circuits magnétiques, est réalisée par simulation numérique en utilisant la méthode d'homogénéisation (représentation macroscopique des éléments avec des propriétés électromagnétiques complexes). Puis, la modélisation du comportement thermique du système est présentée afin de garantir la température de fonctionnement désirée. Afin de valider l'approche de dimensionnement et les outils mis en place, des expérimentations ont été menées sur des prototypes de 1,6 et 100 kW. Les résultats obtenus ont montré la précision et la pertinence de l'approche théorique. Cette étude valide la faisabilité de ce type de système forte puissance. / The works presented in this thesis deal with the design and the sizing of magnetic component dedicated to contactless energy transfer for railway application like tramway. This family of component presents a strongly inductive behavior. A double resonance converter is used to supply and compensate reactive energy of transformer. In order to design this component and its associated converter, a design tool has been implemented. This one is based on analytical models of magnetic component and power electronic converter. One time designing realized, a study of losses, in windings and in magnetic cores, is realized by numerical simulation by using homogenization method (macroscopic representation of elements with electromagnetic complex properties). Then, the establishment of a model of thermal behavior of system is presented in order to guarantee desired working temperature. In order to check designing approach and tools, experimentations have been performed on prototypes of 1.6 and 100 kW. Obtained results show the accuracy and relevance of theoretical approach. Moreover, this study confirms the feasibility of this kind of high power system.

Dans un contexte automobile électrique et hybride, la part des machines synchrones à aimants permanents s'est accrue exponentiellement. Cette évolution s'accompagne d'exigences en termes d'émissions vibro-acoustiques. En termes de dimensionnement de la chaîne de traction, l'analyse multiphysique du moteur s'avère être un enjeu crucial pour son développement. La nécessité de disposer de codes informatiques de conception possédant des temps de calcul faibles pour une précision maximale se fait ressentir pour l'exploration de solutions potentiellement performantes dans les premières étapes du processus de dimensionnement. A ce titre, les aspects vibratoires et acoustiques sont modélisés analytiquement et par éléments finis dans la présente thèse. Ainsi, au moyen du modèle magnétique, l'analyse magnéto-vibro-acoustique faiblement couplée (résolution itérative des différentes physiques) peut être réalisée.La thèse est découpée en quatre parties. La première expose un état de l’art sur les émissions vibro-acoustiques des machines et notamment la modélisation du bruit d’origine magnétique. Les problématiques de la modélisation sont détaillées. Dans une deuxième partie, les modèles sont largement décrits. Les modèles éléments finis sont validés expérimentalement. Une troisième partie se propose de valider les modèles analytiques par éléments finis, en complexifiant progressivement la géométrie d’une machine à aimants montés en surface à flux radial. Enfin, la dernière partie utilise les modèles éléments finis pour étudier des machines non-conventionnelles comme les machines à commutation de flux et les machines à aimants en surface à flux axial. / The proportion of permanent magnets synchronous motors used for electric and hybrid automotive traction has exponentially increased during the past decade. This evolution comes with ever-demanding low noise and vibrations requirements. Multi-physics analysis of the motor is a decisive issue for the development of the powertrain. For the exploration of potentially efficient motor solutions in first design steps, it is thus a necessity to have at disposal fast and accurate computer codes. In this respect, acoustic and vibratory aspects are modeled using finite element and analytical models in this thesis. As a result, using an electromagnetic model, the weakly-coupled magneto-vibro-acoustic analysis (iterative solving of each physic) can be performed.The thesis is divided into four parts. The first part states the art on machine vibro-acoustic emissions and focuses on noise of magnetic origins modeling. Issues of modeling are detailed. Then, models are described to a great extent in the second part. Finite element models are favorably compared to experimental measures. A third part validates analytical models in comparison to finite element analysis, by gradually complicating the geometry of a surface permanent magnets radial flux machine. Finally, a fourth part uses finite element models to study non-conventional machines such as flux switching radial flux machines and surface permanent magnets axial flux machines.