Cette thèse présente l’étude d’une machine électrique à stator à flux transverse à griffes. Après une étude du SMC et des structures à flux transverse, une structure associant un stator à griffes à un rotor à aimants permanents est choisie. Un modèle de la machine par réseau de réluctances est développé, en s’appuyant sur des simulations éléments finis. Il est ensuite amendé par l’introduction d’hypothèses d’inclinaison de flux dans l’entrefer, puis il est validé par le test d’un prototype. L’architecture est alors optimisée après une analyse détaillée de la circulation des flux, qui permet d’identifier le problème de la saturation du pied de dents. Après des simulations éléments finis de la machine améliorée, un prototype est ensuite testé qui confirme l’apport de la nouvelle architecture.Une version alternative de la machine, avec un bobinage d’excitation au stator et un rotor massif est ensuite proposée. Cette machine promet une fabrication économique et une bonne robustesse. Un modèle analytique est proposé, accompagné d’une étude éléments finis, puis pour finir un prototype est testé. Une version améliorée de cette machine avec un rotor à dents isolés est ensuite proposée : un modèle analytique et des études éléments finis permettent de valider l’intérêt de cette évolution. / This thesis presents the study of a claw-pole transverse flux electric machine. At first, SMC material properties and transverse flux structures are studied, leading to the choice of a structure combining a claw-pole stator and a permanent magnet rotor. The machine is modelled by the means of a magnetic equivalent circuit, with a reluctance network, developed with the help of finite elements simulation. The model is then changed with the introduction of the hypothesis that the flux is bent inside the airgap; it is then validated by the test of a prototype.The architecture of the machine is optimized after a detailed analysis of the flux circulation, leading to the identification of the tooth-tip saturation issue. After finite element simulation of the improved machine, a prototype is later tested, which confirms the gain brought by the new architecture.An alternative version of the machine, with a field winding attached to the stator and a massive rotor is then proposed. This machine promises to be cost-effective to build and robust thanks to its massive rotor. An analytical model of the machine is introduced, along with a finite element simulation, to end with the test of a prototype which confirms the possibilities of this new concept. An improved version of the machine with a rotor with isolated teeth is finally studied, with an analytical model and a finite element leading to the validation of the interest of this evolution.

Les contacteurs et les relais sont utilisés dans de très nombreux dispositifs pour le contrôleet la commande à distance. La plupart sont équipés d’actionneurs électromagnétiques qu’il est nécessairede produire en quantité importante pour réaliser ces fonctions. Les exigences environnementalessur l’efficacité et la consommation énergétiques sont de plus en plus contraignantes. La conception deces actionneurs est donc un enjeu important. Cette thèse porte sur le développement d’une plateforme deconception dédiée au pré-dimensionnement d’actionneurs électromagnétiques. Cette plateforme reposesur le développement de méthodes de modélisation très rapides et suffisamment précises. La premièrepartie est consacrée à la résolution des équations de la magnétostatique en linéaire et non-linéaire par lecouplage de la méthode des intégrales de frontières avec la méthode de réseaux de réluctances. L’évaluationdes grandeurs globales telles que le flux magnétique traversant une bobine et la force est étudiée.Les résultats sont validés sur un relais bistable en rotation. La seconde partie concerne la simulationmulti-physique du composant dans son environnement système, pour prendre en compte les aspects mécaniqueet électrique. Une étude de faisabilité par optimisation est réalisée pour le composant seul, puispour l’ensemble composant-système. Enfin, une ouverture sur une autre méthode de modélisation plusgénérale est proposée avec la présentation d’un couplage original et performant entre les méthodes deséléments finis et des intégrales de frontière. / Contactors and relays are used in many devices for monitoring and remote controlling. Mostof them are equipped with electromagnetic actuators, which are produced in large quantities. The environmentalrequirements on efficiency and energy consumption have become more and more strict. Thedesign of these actuators is therefore an important issue. This thesis focuses on the development of adesign platform dedicated to the pre-sizing of electromagnetic actuators. This platform is based on theimplementation of very fast and sufficiently accurate modeling methods. The first part is devoted to theresolution of linear and nonlinear magnetostatic equations by the coupling between boundary integralmethod and reluctance network method. The evaluation of global quantities such as the magnetic fluxflowing through a coil and the force is investigated. The results are validated on a rotating bistable relay.The second part concerns the multi-physics simulation of the component in its environment by takinginto account the mechanical and electrical aspects. A feasibility study by optimization is performed bothfor the component alone and for the whole component-system. Finally, a general modeling method isproposed with the presentation of an original and efficient coupling between the finite element methodsand boundary integrals.

Les travaux de cette thèse portent sur l’optimisation de gammes dans laconception des machines synchrones à concentration de flux. Dans un premier temps, unmodèle de dimensionnement multi physique dédié à l’optimisation a été développé pourchaque machine retenue pour cette étude. Un modèle analytique pour la structure à bobinagereparti et un modèle semi-analytique à base de réseaux de réluctances pour la machineà bobinage sur dents. Dans un second temps, nous avons validé nos modèles par comparaisonavec des essais expérimentaux. L’aspect gamme de notre étude nous a contraints à fairecette validation sur différentes machines et pour différents points de fonctionnement. Unepremière phase d’optimisation classique, réalisée grâce au couplage de nos modèles avec uneméthode déterministe à base de gradient a montré la possibilité d’optimiser nos machines.Une démarche originale d’optimisation de gammes basée sur le partage des composants aété mise au point. Son application sur une série de machines a montré que la discrétisationoptimale de tôles dans un diamètre donné est fonction de la vitesse des machines. / The works of this thesis concern the ranges optimization for radial synchronousmachines conception. At first, a multiphysical sizing model dedicated to optimizationwas developed for every retained machine for our study. An analytical model for distributedwinding structure and a semi-analytical model with network reluctances for concetratedwinding motors. Secondly, we validated the models by comparison with the experimentalmesures. The range aspect of the study forced us to make this validation on variousmachines and for various operating points. A first phase of classic optimization, whichis realized due to the coupling of the models with a gradient based determinist methodshowed the possibility to optimize the motors. An original approach of range optimizationbased on the components sharing was developed. Its application on a series of motors showedthat, the optimal discretization of steel sheets in a given diameter is a function of themotor speed.

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 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.

Cette thèse s’inscrit dans une thématique de recherche prioritaire développée par le laboratoire GREAH et portant sur l’optimisation de l'efficacité énergétique des systèmes de gestion et de production de l’énergie électrique. Dans ce cadre, les performances de convertisseurs d’énergie (machines électriques pour la conversion de l'énergie électromécanique) ont un impact déterminant sur l'efficacité énergétique de la conversion et sur la qualité de gestion de l'énergie électrique en termes de rendement, de maximisation de la puissance massique, de réduction des émissions, de réduction des coûts, ce qui nécessite, par conséquent, un effort particulier de conception et de dimensionnement. L’objectif principal de cette thèse vise à développer un modèle léger permettant d’exploiter assez rapidement l’espace des solutions potentiellement optimales dans la première phase de la conception des machines synchrones à aimants permanents. Les travaux présentés dans ce mémoire de thèse portent sur la modélisation électromagnétique pour le pré-dimensionnement et la conception des machines synchrones à aimants permanents intégrées dans l’éolien de fort puissance. Dans ce manuscrit, deux approches de modélisation des machines électriques ont été proposées. La modélisation par réseau de réluctances présentée consiste à découper le domaine d’étude en un certain nombre d’éléments volumiques dont chacun est décomposé en tubes de flux. La modélisation analytique hybride proposée est basée sur un couplage fort entre un réseau de réluctances généré à partir d’un maillage du domaine d’étude et une solution formelle des équations de Maxwell dans les régions de faible perméabilité (entrefer magnétique). Les résultats obtenus à partir de ces modèles sont validés par les résultats correspondants issus de la méthode des éléments finis. Pour montrer le gain obtenu en temps de calcul, les temps d’exécutions des codes de calcul sont comparés aux temps mis par le logiciel Flux. / This subject of the thesis is part of a priority research theme developed by the GREAH laboratory on the optimization of the energy efficiency of electrical energy management and production systems. In this context, the performance of energy converters (electrical machines for the conversion of electromechanical energy) have a decisive impact on the energy efficiency of the conversion and on the quality of electrical energy management in terms of efficiency, reduction of emissions, reduction of costs, which therefore requires a special effort to design. The main objective of this thesis is to develop a light model allowing to exploit fairly quickly the space of potentially optimal solutions in the first phase of machine design. The work presented in this thesis focuses on electromagnetic modeling for the pre-design of permanent magnets synchronous machines integrated into high power wind turbines. In this manuscript, two modeling approaches of electric machines have been proposed. The presented reluctance network modeling is generated from the mesh of studied domain as the finite element method. Reluctance elements are used for the mesh. The proposed hybrid analytical modeling is based on a strong coupling between a reluctances network generated from a mesh of the study domain and analytical models based on the formal solution of Maxwell’s equations in regions of low permeability (magnetic gap). This approach can help solve the problem of air-gap modeling in MEC method, and the consideration of the local magnetic saturation in modeling approaches involving analytical technique. The results obtained from these models are validated by the corresponding results from the finite element method and very good has been observed. To indicate the gain obtained in time, the execution times of the programs are compared to the times set by the Flux software.