In reference to IEEE copyrighted material which is used with permission in this thesis, the IEEE does not endorse any of McMaster University's products or services. Internal or personal use of this material is permitted. If interested in reprinting/republishing IEEE copyrighted material for advertising or promotional purposes or for creating new collective works for resale or redistribution, please go to http://www.ieee.org/publications_standards/publications/rights/rights_link.html to learn how to obtain a License from RightsLink. / The need for reductions in global greenhouse gas emissions, coupled with rising fuel prices, has motivated intense research in the area of hybrid and fully electric crafts for commercial applications in the aviation sector. This thesis explores implementation of Halbach arrays in high-speed radial flux machines (RFMs) and low-speed axial flux machines (AFMs) for aerospace applications. Highly accurate analytical equations are developed for quickly predicting the magnetic field in the latter (both for coreless and steel core stators) due to the complex three dimensional axial flux paths which make traditional finite element analysis time-consuming. Electromagnetic design and optimization of two aerospace machines that use Halbachs are detailed. The first is a ~14 kW AFM intended to replace an existing high lift motor RFM concept in NASA’s Maxwell X57 all-electric plane. Two design variants are selected which achieve a 10 % increase in torque/power and a 10 % decrease in mass/volume, respectively. The second machine is a 20,000 RPM surface permanent magnet RFM capable of 150 kW peak power output that is intended as a proof-of-concept for the later development of a megawatt machine for a hybrid and/or all-electric aircraft. / Thesis / Master of Applied Science (MASc)

With the growing need to meet aggressive emissions targets in the aerospace industry in the coming decades, the electrification of propulsion systems has become an area of great research and commercial interest. In order to achieve full electrification of larger commercial aircraft, it is critical to improve power and energy densities of components within the propulsion system. The power densities of electric motors are steadily rising to meet this requirement. Among the various motor designs available, the high-speed radial flux permanent magnet motor is presented as an architecture capable of achieving high efficiencies and power densities. Increasing power densities, however, poses challenges for the thermal management system as higher losses need to be dissipated from a relatively small machine package. One of the failure modes specific to permanent magnet motors is the demagnetization of the magnets in the rotor at higher temperatures which leads to a loss in performance. Therefore it is critical that the thermal management system of the rotor must effectively dissipate the losses generated in the magnets and other components within the rotor. This thesis discusses the mechanical and thermal design of a 150 kW high-speed radial flux surface mounted permanent magnet motor for aerospace propulsion applications. The thesis first introduces the current landscape of aerospace electrification, focusing specifically on electric and hybrid propulsion architectures, currently available electric motors for aerospace propulsion, and ongoing aircraft electrification projects. A review is then provided of the current state-of-the-art in rotor cooling designs for high-speed speed radial flux motors for traction applications before introducing the design of the motor proposed in this thesis. The discussion of the mechanical design provides a high level overview of the design, manufacturing, and assembly of the stator and rotating assemblies while the thermal design provides a brief overview of the stator cooling design and a deep dive on the rotor cooling design. Computational Fluid Dynamics (CFD) is used along with the Taguchi method for robust design to optimize the rotor cooling design for minimizing the magnet temperatures. Analysis for the optimized rotor cooling discussed is provided before providing recommendations for future work. / Thesis / Master of Applied Science (MASc)

Thesis (PhD)--Stellenbosch University, 2012. / ENGLISH ABSTRACT: In this dissertation a new type of electrical machine, a Radial Flux Air-Cored Permanent Magnet machine with a Double-sided Rotor and utilising concentrated, non-overlapping windings, is proposed. The concept of the Double-sided Rotor Radial Flux Air-Cored Permanent Magnet machine, or RFAPM machine for short, was derived from the Double-sided Rotor Axial Flux Air-Cored Permanent Magnet (AFAPM) machine. One of the problems that AFAPM machines experience, is the deflection of the rotor discs due to the strong magnetic pull of the permanent magnets, especially with double-sided rotor machines. The main advantage of a RFAPM machine over a AFAPM machine is that the rotor back-iron is cylindrically shaped instead of disk shaped. Due to the structural integrity of a cylinder, the attraction force between the two rotors does not come into play any more. The focus of this dissertation is on a thorough analytical analysis of the Double-Sided Rotor RFAPM machine. With the RFAPM being an air-cored machine, the feasibility to develop a linear, analytical model, to accurately predict the radial flux-density and hence the induced EMF in the stator windings, as well as the accurate calculation of the developed torque of the machine, needed to be investigated. The need for a thorough analytical examination of the Double-Sided Rotor RFAPM machine stemmed from the need to reduce the blind reliance on Finite Element Modelling (FEM) software to calculate the back-EMF and torque produced by these machines. Another problem experienced with the FEM software was to obtain accurate torque results. Excessive ripple torque oscillations were sometimes experienced which took a considerable amount of time to minimise with constant refinement to the meshing of the machine parts. Reduction in the mesh element size unfortunately also added to the simulation time. The requirement for an accurate analytical model of the RFAPM machine was also necessary in order to reduce the amount of time spent on successive FEM simulation to obtain the optimum pole arc width of the permanent magnet in order to minimise the harmonic content of the radial flux-density distribution in the the stator windings. In this dissertation, the use of single-layer and double-layer, non-overlapping, concentrated winding for the RFAPM machine is also investigated. It was decided to include a comparison of these two non-overlapping winding configurations with a “hypothetical” concentrated, overlapping winding configuration. This would allow us to gauge the effectiveness of using nonoverlapping winding with respect to the reduction in copper losses as well as in the reduction in copper volume. It would also allow us to investigate the extent of how much the developed torque is affected by using non-overlapping windings instead of overlapping windings. / AFRIKAANSE OPSOMMING: In hierdie proefskrif word ’n nuwe tipe elektriese masjien, ’n Radiale-vloed Lugkern Permanent Magneet Masjien met ’n dubbelkantige rotor en nie-oorvleuelende Windings voorgestel. Die konsep vir die Radiale-vloed Lugkern Permanent Magneet Masjien, of RVLPM vir kort, is afgelei vanaf die Dubbelkantige Rotor, Aksiale-vloed Lugkern (AVLPM) masjien. Een van die probleme wat met AVLPM masjiene ondervind word, is die defleksie van die rotorjukke as gevolg van die sterk aantrekkingskragte van die permanente magnete, veral in dubbelkantige rotor masjiene. Die hoof voordeel wat die RVLPM masjien inhou bo die AVLPM masjien, is die feit dat die RVLPM se rotorjukke silindries is in plaas van ronde skywe. As gevolg van die strukturele integriteit van ’n silinders, speel die aantrekkingskrag van die permanente magnete nie meer ’n rol nie. Die fokus van die proefskrif gaan oor die deeglike analitiese analise van die dubbelkantige RVLPM masjien. Weens die feit dat die RVLPM masjien ’n lugkern masjien is, is daar besluit om ondersoek in te stel na die moontlikheid om ’n lineêre, analitiese model vir die masjien op te stel waarmee die radiale-vloeddigtheid, teen-EMK asook die ontwikkelde draaimoment vir die masjien akkuraat bereken kan word. Die behoefde aan ’n akkurate analitiese model vir die dubbelkantige rotor RVLPM masjien is om die blinde vertroue te elimineer wat daar in Eindige-Element Modellering (EEM) sagteware gestel word om die teen-EMK en ontwikkelde draaimoment van die RVLPM masjien uit te werk. ’n Verdere probleem wat daar met EEM sagteware ondervind is, is die akkurate berekening van die ontwikkelde draaimoment. Oormatige rimpel draaimoment ossillasies is soms ondervind wat heelwat tyd geverg het om te minimeer, deur voortdurende verfyning van die EEM maas in die verskillende dele van die masjien. Soos die maas egter kleiner word, verleng dit die simulasie tyd van die EEM aansienlik. Nog ’n rede vir ’n akkurate analitiese model van die RVLPM masjien, is om vinnige metode te verkry om die optimale permanente magneet pool hoekwydte te verkry, wat die minste Totale Harmoniese Vervorming (THV) in die radiale-vloeddigtheidsdistribusie in die statorgebied sal veroorsaak, sonder om herhaaldelike EEM simulasies te loop. In die proefskrif word die gebruik van enkellaag en dubbellaag, nie- oorvleuelende, gekonsentreerde wikkelings vir die RVLPM masjien ook ondersoek. Daar is besluit om hierdie twee nie-oorvleuelende windingskonfigurasies met ’n “hipotetiese” gekonsentreerde, oorvleuelende windingskonfigurasie te vergelyk. Dit behoort ons in staat te stel om die doeltreffendheid van nie-oorvleuelende windings te bepaal, met betrekking tot die afname in koperverliese asook die afname in kopervolume. Verder sal dit ons in staat stel om ook mate waartoe die ontwikkelde draaimoment deur nie-oorvleuelende windings beïnvloed word, te ondersoek.

Aujourd'hui, il est impératif de réduire les émissions de CO2 des véhicules routiers en raison des changements climatiques. L’une des stratégies les plus prometteuses consiste à utiliser les véhicules électriques (VÉ) et hybrides électriques (VÉH). Les VÉ et VÉH ont besoin de machines électriques pour réaliser la conversion d’énergie électromécanique. Les machines électriques à aimant permanent semblent être les meilleurs candidats pour les applications VÉ et VÉH en termes de performances exceptionnelles. L’aimant permanent des terres rares le plus puissant est le type de Néodyme-Fer-Bore (Nd2Fe14B) ou simplement appelés NdFeB. Généralement, une petite quantité d’éléments terres rares lourds, comme le Dysprosium (Dy) ou le Terbium (Tb) est ajoutée à l’alliage de NdFeB afin d'améliorer les performances. Cependant, cette forte demande en terres rares implique de sérieux problèmes d’approvisionnement. Dans ce cas, l'une des solutions possibles pour que l'Europe lutter contre les risques d'approvisionnement en terres rares consiste au recyclage des aimants terres rares. DEMETER est l’acronyme anglais pour le groupe européen de formation universitaire pour la conception et le recyclage de moteurs et de générateurs électriques à aimants permanents terres rares pour les véhicules tout-électriques et hybrides électriques. Son objectif était étudier les trois voies possible pour le recyclage des aimants permanents à base de terres rares présents dans les moteurs électriques : la réutilisation directe, le recyclage direct et le recyclage indirect. Valeo et G2Elab sont les principaux partenaires de ce projet. Ils se concentrent principalement sur la réutilisation directe des aimants permanents. La thèse est supervisée par Valeo et G2Elab et se concentre principalement sur les machines électriques à flux radial à aimants permanents qui sont les machines électriques les plus utilisées de nos jours. Les applications visées sont les véhicules hybrides électriques à niveau d’hybridation douce ou les petits VÉ. Le dimensionnement de ce moteur innovant doit non seulement être recyclable du point de vue des aimants permanents mais doit également répondre à tous les critères exigeants du cahier des charges.Des études bibliographiques approfondies, l’optimisation FEM et l’analyse thermique / mécanique ont révélé qu’une machine synchrone à aimants permanent insérés (MSAPI) peut largement satisfaire à toutes les exigences et à toutes les contraintes. Ensuite, nous avons utilisé un aimant lié pour à la MSAPI pour réutilisés. L'assemblage de la machine avec des aimants liés est plus facile que l'assemblage avec des aimants frittés, comme l'aimant lié est directement assemblé au fer rotorique par moulage par injection. Le démontage des aimants est également plus facile. Dans le contexte d’un procédé de recyclage des rotors à aimants liés, ces derniers pourraient être chauffés afin de faire fondre les aimants liés et les extraire ensuite facilement. Ils peuvent être mélangés à des aimants recyclés avec un certain pourcentage de composé d’aimants vierges pour fabriquer de nouveaux aimants liés sans modification notable des performances magnétiques de l’aimant. De nombreux essais de référence ont été à réalisés évaluer les performances de cette machine, puis comparés aux résultats de la simulation. Dans cette thèse, en plus des propositions de dimensionnements innovants, l’objectif est d'évaluer les machines électriques du point de vue de leur recyclabilité. La recyclabilité est quantifiée par deux indices. Ces derniers peuvent être regroupés sous le terme WIRE (Weighted Index of Recycling and Energy – index Pondéré de recyclage et de consommation énergétique). En utilisant WIRE, la recyclabilité entre différentes machines peut être comparable, même avec des dimensions ou des performances différentes. La méthode de réutilisation et de recyclage des aimants permet d’obtenir des avantages environnementaux sans pertes économiques. / Nowadays it is imperative to reduce the CO2 emission of automotives due to the climate changes. One of the essential strategies is to use new energy vehicles, such as Hybrid and pure Electrical Vehicles ((H)EVs). However, no matter what the energy storage devices (H)EVs have, they always need electrical machines to transfer electrical energy into mechanical energy. Permanent Magnet (PM) electrical machines seem to be the best candidates for (H)EV applications in terms of their outstanding performances. However, the supply and cost of PMs are essential for PM machines. The strongest rare earth PM is Neodymium-Iron-Boron (Nd2Fe14B) type magnet, or simply written as NdFeB. Commonly, in order to improve the temperature stability as well as resistant demagnetization of magnets, small portion of heavy rare earth element, Dysprosium (Dy) or Terbium (Tb), is added to the alloy. However, with a high demand of high grade NdFeB magnets, the supplies of these rare earth elements, including Neodymium (Nd), face serious challenge, especially for Europe. In this case, one of the possible solutions for Europe to tackle the rare earth supply risks is to recycle rare earth magnets. Demeter -European Training Network for the Design and Recycling of Rare-Earth Permanent Magnet Motors and Generators in Hybrid and Full Electric Vehicles, is an Europe Union registered project. DEMETER envisaged three routes for the recovery of rare earth PM from these devices, which are so called direct re-use, direct recycling and indirect recycling. Valeo and G2Elab are the principal partners in this project, and they mainly focus on the route of PM direct re-use. This doctor thesis is supervised by Valeo and G2Elab, and mainly focuses on radial flux type PM electrical machines, which are the most widely used type of electrical machines nowadays. The applications include Mild Hybrid Electric Vehicles (MHEV) or small Electric Vehicles (EV). The new motor design not only needs to be recycle friendly for PMs, but also needs to meet all the strict requirements for the applications.With thorough literature studies, FEM optimization and thermal/mechanical analysis, it was found that an IPMSM design can fairly fulfill all the requirements and constraints. Then new magnet materials and assembly methods were implemented for the magnet recycling - a kind of bonded magnet was used for the IPMSM. This bonded magnet was made from a Hydrogen Decrepitation Deabsorbation Recombination (HDDR) anisotropic NdFeB magnet powder, with Sulfide (PPS) binder. It has the possibility to directly assemble the magnet into the rotor by injection molding. Thus the assembly of the magnets would not be constraint by their shapes. The disassembly of the magnets became easy as well – it is possible to heated up the rotors so that the bonded magnets can be melted down for extraction. Then they can be mixed with a certain percent of virgin magnets compound to make new bonded magnets without remarkable changes on performances. In summary, the entire recycling process is relatively easy and ecologically sustainable. Thus, based on this new concept, an IPMSM with bonded NdFeB magnets were fabricated. Series benchmark tests were carried out, for instance measurements of back-EMF, torque, efficiency, short circuit current and stator temperatures. In this thesis, apart from new design ideas of electrical machines, another goal is to evaluate e-machines with respect to the recyclability. The recyclability is quantified by two indexes, together they can be named Weighted Index of Recycling and Energy (WIRE). By using WIRE, the recyclability between different machines can be comparable, even with different dimension or performances. It was found that by using WIRE to evaluate the new designed PM machine, promising results can be obtained. The magnet reuse and recycling approach can gain environment benefit without economic losses.

Thesis (PhD (Electrical and Electronic Engineering))--University of Stellenbosch, 2011. / ENGLISH ABSTRACT: The focus of this thesis is on the optimal design, control and evaluation of 3-phase permanent magnet radial flux synchronous machines with non-overlapping, concentrated-coil, double layer stator windings for EV hub drive applications. A simple analytical method is developed that can be used as a first design tool. The method uses and predicts the MMF harmonic content for a certain pole-slot combination as well as the harmonic content for the air gap permeance function. These harmonics are then used to calculate the torque and torque ripple of machines with large stator slot openings and surface mounted permanent magnets. A different approach to calculate the iron, stator copper eddy current and magnet losses is presented. This method specifically looks at the machine during field weakening operation when the flux paths are changing in the machine. Flux density information throughout the machine is extracted from a series of static FE solutions, to calculate the losses and to combine this with an empirical formula. Some machine topology choices are compared for use as hub drives in small electric ve- hicles. The parameters that influence the machine design are discussed and evaluated after a multidimensional design optimization is done and an efficient control algorithm is imple- mented. The algorithm works through the entire operating speed range and make use of, automatically generated, 2D look up tables to determine the correct current reference. A stator lamination design is proposed, that combines the use of rectangular preformed coils and semi-closed stator slots. Two prototype machines, one with a good winding factor and the other with a low winding factor, are built and compared. The manufacturing and testing of the two prototype machines are described and shown in detail. / AFRIKAANSE OPSOMMING: Die fokus van hierdie tesis is op die optimale ontwerp, beheer en evaluasie van 3-fase per- manent magneet radiale vloed sinchroon masjiene met nie-oorvleuelende, gekonsentreerde, dubbel laag stator wikkelinge vir EV hub motor toepassings. ’n Eenvoudige analitiese metode is ontwikkel wat as ’n eerste ontwerp gereedskap stuk gebruik kan word. Die metode gebruik en voorspel die MMF se frekwensie inhoud vir ’n sekere pool-gleuf kombinasie sowel as die frekwensie inhoud vir die lug spleet permeansie funksie. Hierdie frekwensie inhoud word dan gebruik om die draaimoment en draaimoment riffel van masjiene met groot stator gleuf openinge en oppervlak magnete te voorspel. ’n Ander benadering om yster, stator koper werwel stroom en magneet verliese te bepaal word voorgestel. Hierdie metode kyk spesifiek na masjiene onder veld verswakking beheer wanneer die vloed paaie verander vanaf die normale. Die vloeddigtheid, regdeur die masjien, word verkry deur om van ’n reeks statiese eindige element oplossings gebruik te maak en dit te kombineer met ’n empiriese verliesberekening. Die parameters wat die masjienontwerp beïnvloed, word bespreek en geëvalueer na ’n mul- tidimensionele ontwerp optimering gedoen is en ’n effektiewe beheer algoritme geïmplimen- teer is. Die algoritme werk vir enige spoed en is gebaseer op die outomaties gegenereerde 2D opsoek tabelle wat die korrekte stroomverwysing gee. ’n Stator laminasie ontwerp word voorgestel wat die gebruik van vooraf vervaardigde spoele en gedeeltelik toe stator gleuwe moontlik maak. Twee prototipe masjiene, een met ’n goeie windingsfaktor en een met ’n swakker windingsfaktor is gebou en vergelyk. Die ver- vaardiging en toetsing van die twee prototipe masjiene word in detail beskryf en gewys.

In this thesis axial flux and radial flux brushless dc motors will be studied as a drive motor for the control of moment gyroscope wheel. Design equations for axial flux and radial flux brushless dc motor topologies will be reviewed. Based on these equations radial and axial flux motors with different number of poles will be designed that meet control moment gyroscope wheel application requirements. The results will be evaluated in terms of efficiency, torque/mass and torque/volume, and suitability for the control moment gyroscope application.

Wo und wie schnell nehmen Wurzeln Wasser auf? Obwohl diese Frage in Pflanzen- und  Bodenwissenschaften von großer Bedeutung ist, gibt es nur wenige experimentelle Daten darüber, an welcher Stelle der Wurzeln eine transpirierende Pflanze das Wasser aus dem Boden erhält. Die Antwort auf diese Frage erfordert direkte und in-situ Messungen des lokalen Wasserflusses in die Wurzel hinein. Ziel dieser Arbeit war es, eine neue Methode zu entwickeln und anzuwenden, um den lokalen Wasserfluss in unterschiedliche Segmente der Pflanzenwurzeln zu quantifizieren. Dabei wurde Neutronenradiographie eingesetzt um den Transport von deuteriertem Wasser (D2O) in die Wurzel von Lupinen zu untersuchen. Die Lupinen wuchsen in Aluminium Containern, die mit sandigem Boden gefüllt waren. Der sandige Boden wurde mit Hilfe von 1cm-dicken Schichten groben Sandes in verschiedene Bereiche eingeteilt. Diese Schichten reduzierten die Diffusion von D2O zwischen den verschiedenen Bereichen.  D2O wurde in ausgewählte Bereiche tagsüber (transpiriende Pflanzen) und nachts (nicht transpiriernde Pflanze) injiziert. Transport von D2O in die Wurzeln hinein wurde durch Neutronenradiographie mit einer räumlichen Auflösung von 100 µm in Intervallen von 10 Sekunden aufgezeichnet. Die Messungen zeigten: i) Transport von D2O in die Wurzel hinein war tagsüber schneller als nachst; ii) D2O wurde tagsüber schnell entlang der Wurzel in Richtung Spross transportiert, während dieser axiale Fluss nachts vernachlässigbar war. Die Unterschiede zwischen Tag- und Nachtmessungen wurden durch konvektiven Transport von D2O in den Wurzeln erklärt. Um den effektiven Wasserfluss in die Wurzeln hinein zu quantifizieren, wurde ein einfaches Konvektions-Diffusions Modell entwickelt, wobei die Zunahme der D2O Konzentration in Wurzeln vom konvektiven Transport abhängt und von the Diffusion des D2O in die Wurzeln. Die Ergebnisse zeigten, dass die Wasseraufnahme nicht gleichmäßig entlang der Wurzel stattfindet. Die Wasseraufnahme war in den oberen Bodenschichten höher als in den tieferen. Entlang einzelner Wurzeln war der radiale Fluss in nahen Teilen der Wurzel höher als in den weiter entfernten Teilen der Wurzel. In Lupinen fand die Wasseraufnahme im Wesentlichen in den lateralen Wurzeln statt. Die Funktion der Pfahlwurzel war es, das Wasser der lateralen Wurzeln zu sammeln und zum Spross zu transportieren. Diese Funktion wird durch eine geringe radiale und eine hohe axiale Leitfähigkeit sichergestellt.  Wir haben diese Technik auch angewandt um den Einfluss der Rhizosphäre auf die Wasseraufnahme zu untersuchen. Wie vor Kurzem auch in der Literatur berichtet wurde, wurde auch in dieser Arbeit beobachtet, dass der Boden in der unmittelbaren Nähe der Wurzeln, der sogenannten Rhizosphäre, hydrophob wird, wenn der Boden trocken wird. Zum ersten Mal konnte gezeigt werden, dass durch die Hydrophobizität der Rhizosphäre die Wasseraufnahme nach Trocknung und folgender Bewässerung reduziert wird. Es wurde die Schlussfolgerung gezogen, dass nach Trocknung die Rhizosphäre einen entscheidenden Wiederstand für den Wasserfluss zur Wurzel darstellt. Das beeinflusst vermutlich auch die Ausdehnung des Bereiches der Wurzeln, in dem Wasser aufgenommen wird. Die Bedeutung dieser Arbeit ist die Entwicklung einer neuen Methode, um Wasseraufnahme durch Wurzeln lebender Pflanzen lokal zu quantifizieren. Diese Methode macht es möglich quantitativ zu messen, wo und wie schnell Wurzeln Wasser im Boden aufnehmen. Diese Technik wird es erleichtern, die Funktionsweise der Wurzeln verschiedener Pflanzen zu verstehen und den Einfluss von Wurzelwachstum und wechselnder äußerer Bedingungen, wie Wassergehalt, Transpiration und Verfügbarkeit von Nährstoffen und vieler weiterer Faktoren zu untersuchen.  Die Antwort auf diese Fragen könnten einen weiten Bereich für landwirtschaftliche Anwendungen eröffnen, die darauf abzielen, Bewässerungsmethoden zu verbessern.

Thesis (MScEng (Electrical and Electronic Engineering))--University of Stellenbosch, 2011. / Due to finite oil resources and its political and economical impact, a renewed interest in energy independence has compelled industry and government to pursue electric vehicle designs. The current worldwide research that is being conducted on drivetrain topologies for EVs, focus mainly on direct in-wheel drive, direct differential drive and fixed-gear differential drive topologies. Furthermore, the control strategy for these type of motor drives require a, so called, field-weakening operation in order to achieve acceptable performance characteristics for the vehicle. This thesis evaluates the use of a manual gearbox drivetrain topology and a radial flux air-cored permanent magnet (RFAPM) synchronous machine, without flux-weakening operation, as a traction drive application for EVs. For the purpose of this research study, a 2006 model Opel Corsa Lite is converted to a battery electric vehicle, and the Corsa is renamed to the E-Corsa. The Corsa is converted so that all the original functionality, boot space and space inside the vehicle are retained. The original 5-speed manual gearbox is used as drivetrain for the vehicle and a 40 kW, 70 Nm RFAPM traction drive is developed for the manual gearbox. A power electronic converter is designed for RFAPM traction drive and a Lithium ion (Li-ion) battery pack is used as energy source for the traction drive. The battery pack is mounted partially in the front and partially in the back of the vehicle to maintain an even weight distribution in the vehicle.

Le mémoire traite de la machine à réluctance variable en proposant d'une manière simultanée et du point de vue conception des solutions à ses deux inconvénients majeurs à savoir les ondulations de couple et les efforts radiaux. Les premières se propagent le long de la chaine de transmission diminuant ainsi le confort des usagers et les deuxièmes sont à l’origine d’une nuisance sonore. Dans une première partie et en s’intéressant à une structure axiale caractérisée par une faible force radiale, un bilan sur cette structure est donc établi. En effet, une configuration à deux stators et un rotor est la plus adéquate pour éventuellement remplacer la machine radiale de référence. Cette structure axiale est comparée à cette machine de référence après avoir établi des règles de passage d’une structure à une autre. Un premier passage est effectué en gardant le même encombrement et un deuxième passage en dimensionnant la machine axiale pour satisfaire le même cahier des charges que la machine radiale. Dans une deuxième partie, le travail s’oriente vers la modification de la structure radiale de la machine de référence et son optimisation. Plusieurs modifications sont proposées dont une structure avec une cale magnétique qui est la plus performante. Des optimisations géométriques à l’aide de l’algorithme génétique sur un point de fonctionnement sont ensuite effectuées pour remédier aux deux problèmes. A la fin, un récapitulatif de plusieurs structures optimisées est proposé pour servir de référence. Le choix de la machine la plus adéquate pourra donc être effectué en faisant un compromis entre la maximisation du couple, la réduction de ses ondulations et la réduction des efforts radiaux. / This report deals with switched reluctance motor by offering design solutions to the drawbacks of torque ripples and radial forces in the same time. Torque ripples reduce the user comfort and radial forces are the origin of noise. In the first part, an axial structure characterized by low radial force is analysed. Indeed, an axial configuration with two stators and one rotor is the most appropriate to replace the reference radial machine. Ones the rules of passage from one structure to another are established, the axial structure is then compared to the reference one. A first passage is made by keeping the same volume and a second one by sizing the axial machine with the same specifications as the radial one. In the second part, the work concerns the modification of radial structure of the reference machine and its optimization. Several modifications are proposed including a structure with a magnetic wedge which is the most efficient. Geometric optimization using genetic algorithm are then performed on operating points to remedy the both problems. In the end, several optimized structures are proposed. The choice of the most suitable machine can be done by making a compromise between the torque maximization, reducing its ripples and reducing radial forces.

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.