La conception, l'étude ou la commande de machines électriques fait appel à différents modèles mathématiques. L'approche analytique, largement utilisée, est assujettie à des hypothèses simplificatrices. Au travers de différents travaux, nous avons montré ses limites pour décrire des fonctionnements spécifiques. L'approche numérique, basée sur la méthode des éléments finis, permet d'éviter une grande partie des hypothèses simplificatrices et d'aboutir à des résultats plus précis. En 2D, nous l'avons utilisée, pour différentes études, soit en tant qu'outil d'investigation, soit pour la quantification des performances de systèmes électromécaniques complets. Pour cela, nous avons tenu compte des circuits électriques extérieurs (dipôles ou convertisseurs statiques), de l'équation mécanique et de diverses boucles de commande du système. Dans ce dernier cas, le choix du pas de calcul à utiliser est délicat. Nous nous sommes inspirés des dispositifs réels pour effectuer ce choix. Enfin, des effets tridimensionnels, tels les inductances de têtes de bobines ou les inclinaisons, ont été introduits dans le modèle 2D par le biais de dipôles ou de calculs supplémentaires. Dans le domaine de la conversion électromécanique, hormis quelques exceptions, les structures à réluctance variable sont souvent négligées alors qu'elles se déclinent suivant plusieurs topologies et pourraient s'insérer dans le cadre d'applications spécifiques.

La conception d'un produit électrotechnique est une étape clé de son cycle de vie dont dépendent nombre de ses propriétés : valeur d'usage, coût, empreinte environnementale, fiabilité, etc.. La démarche de conception traditionnelle, «business as usual », est celle de l'approche progressive constituée d'essais et d'erreurs. L'objectif principal de l'équipe Conception et Optimisation des Machines Electriques (C.O.M.E.), qui reste à l'heure actuelle utopique, est de substituer à ce processus long et coûteux une démarche entièrement virtuelle utilisant uniquement des procédés numériques. Pour l'atteindre, nous nous proposons dans un premier temps de dégager des méthodes de conception s'appuyant sur des outils logiciels adaptés, ce qui peut se résumer par «l'instrumentation de la démarche de conception». Un de nos objectifs au cours de ces 10 dernières années de recherche a été de trouver des solutions de représentations des machines électriques de façon à éviter le coût d'un prototype. L'approche par réseaux de perméances. qui offre un bon compromis entre la précision des résultats et le temps de calcul. a été privilégiée. Ainsi, à chacun des systèmes réels étudiés s'est vu correspondre un équivalent virtuel infiniment plus avantageux. Celui-ci peut être modifié à volonté, au gré de l'expérimentateur. Cette démarche est typiquement appliquée lors d'optimisations pendant lesquelles les caractéristiques des modèles sont modifiées afin d'améliorer certaines performances. En ce qui concerne l'optimisation. la Méthode des Plans d'Expériences a été privilégiée. Dans ces développements, nous nous sommes efforcés d'assurer une bonne adéquation entre le modéle et la méthode d'optimisation choisie. Enfin, la confrontation avec l'expérience menée le plus souvent avec l'appui de nos partenaires industriels a permis de valider nos approches. Les différents exemples traités sont naturellement couplés et répondent à un besoin important en recherche technologique notamment dans le cadre du CNRT (Centre National de Recherche Technlologique) Génie Electrique intitulé 'Réseaux et Machines du Futur'. Le rapport est divisé en trois parties qui décrivent et situent mes travaux. La première partie constitue un résumé détaillé des activités pédagogique, administrative et recherche. La deuxième partie présente mes activités de recherche du prototypage virtuel à l'optimisation par plans d'expériences et est illustrée par des exemples d'applications. Enfin, la dernière partie dresse un bilan ainsi qu'une présentation des perspectives court et long terme.

LA CONCEPTION DES MACHINES ELECTRIQUES EST UN PROBLEME QUI EXIGE L'EMPLOI D'OUTILS NUMERIQUES POUR L'ANALYSE DE PHENOMENES PHYSIQUES COMPLEXES. LE TRAVAIL PRESENTE A POUR BUT DE CONTRIBUER AU DEVELOPPEMENT D'OUTILS D'AIDE A LA CONCEPTION DE MACHINES ELECTRIQUES. L'APPROCHE ADOPTEE POUR LA CONCEPTION D'UNE MACHINE REPONDANT A UN CAHIER DES CHARGES, CONSISTE A ASSOCIER : _ UN CALCUL ANALYTIQUE SIMPLE DES DIMENSIONS DE LA MACHINE QUI FAIT APPEL A L'EXPERIENCE _ UN CALCUL NUMERIQUE BASE SUR LA METHODE DES ELEMENTS FINIS POUR EVALUER LES PERFORMANCES DE LA MACHINE _ DES METHODES D'OPTIMISATION STOCHASTIQUES AFIN QUE LA STRUCTURE OBTENUE REPONDE AUX CONTRAINTES IMPOSEES. UN OUTIL INFORMATIQUE BASE SUR CETTE APPROCHE A ETE DEVELOPPE SOUS L'ENVIRONNEMENT WINDOWS. L'ASPECT MODULAIRE DE CETTE APPROCHE A ETE MIS EN EVIDENCE. DEUX APPLICATIONS PORTANT SUR LA MACHINE SYNCHRONE A AIMANTS PERMANENTS ONT ETE TRAITEES.

The developments of electrical machines are due to the convergence of material progress, improved calculation tools, and new feeding sources. Among the many recent machines, the authors have chosen, in this first book, to relate the progress in slow speed machines, high speed machines, and superconducting machines. The first part of the book is dedicated to materials and an overview of magnetism, mechanic, and heat transfer.

LA CONCEPTION INDUSTRIELLE DES MACHINES ELECTRIQUES EST UN PROBLEME EXTREMEMENT CONTRAINT DU FAIT DES OBJECTIFS MARKETING, ECONOMIQUE, TECHNIQUE ET SCIENTIFIQUE A SATISFAIRE. DANS CE CONTEXTE, LA RECHERCHE DE MEILLEURES SOLUTIONS EST UN PROBLEME ARDU, CAR ELLE OBLIGE LE CONCEPTEUR A PRENDRE EN COMPTE TOUTES LES CONTRAINTES QUI RESULTENT DES OBJECTIFS PRECEDENTS. NOUS PROPOSONS AINSI UNE ARCHITECTURE INFORMATIQUE D'UN SYSTEME D'AIDE A LA CONCEPTION DES MACHINES ELECTRIQUES, BASEES SUR LES TECHNIQUES DE PROGRAMMATION PAR SYSTEME EXPERT, ET QUI PERMET A L'UTILISATEUR D'INTRODUIRE SES PROPRES REGLES DE CALCUL OU D'OPTIMISATION SANS S'OCCUPER DU RESTE DES REGLES DEJA IMPLANTEES. CETTE ARCHITECTURE REPOSE SUR UN MODELE DE CONCEPTION BASE SUR UNE CLASSIFICATION DES CONNAISSANCES MANIPULEES PAR LE CONCEPTEUR. ELLE PERMET UNE PRISE EN COMPTE NATURELLE DE NOMBREUX REBOUCLAGES, UNE EVALUATION POSSIBLE DES DIFFERENTES SOLUTIONS MENEES EN PARALLELE, ET UNE INTEGRATION DES PROBLEMES LIES A LA MULTI-EXPERTISE. LE SYSTEME EXPERT D'AIDE A LA CONCEPTION DE MOTEURS ASYNCHRONES, DAMOCLES, EST CONSTRUIT AUTOUR DU MODELE ET DE L'ARCHITECTURE PROPOSES. UNE EVALUATION DE QUELQUES POTENTIALITES OFFERTE PAR CET OUTIL, DANS LE DOMAINE DE LA RECHERCHE, EST ENFIN PRESENTEE

L'objet des présents travaux est d'étudier, à la lumière d'une modélisation multiphysique, une association hélice / machine électrique innovante où la machine synchrone à aimants permanents et à flux radial est déportée en périphérie d'hélice. Cette technologie dite « Rim Driven » est envisagée pour la propulsion comme pour la récupération de l'énergie cinétique des courants. Dans la continuité d'une étude bibliographique exhaustive, il nous apparait essentiel de chercher à cerner plus finement les spécificités et les domaines d'application potentiels de telles structures. Un outil analytique de pré dimensionnement systématique robuste, rapide et de bonne précision est ainsi développé. Une approche multiphysique est privilégiée afin d'englober l'ensemble des phénomènes susceptibles d'influencer les performances globales du système. Elle fait intervenir des modèles d'ordre électromagnétique, thermique et hydrodynamique. Certains sont spécifiquement développés pour la structure Rim Driven qui présente quelques particularités intéressantes telles qu'une longueur axiale courte ou un entrefer épais et immergé. Les hypothèses conditionnant leur validité sont par ailleurs discutées. Plusieurs cahiers des charges sont ensuite étudiés : les performances et conditions de fonctionnement pour ces différentes applications sont mises en évidence et analysées. La structure Rim Driven est par ailleurs comparée à une structure de référence en nacelle de type POD. Finalement, c'est l'idée même d'un modèle multi-physique couplé qui est analysée et pour laquelle nous cherchons à appréhender la pertinence par rapport à une approche séquentielle plus classique. Les résultats obtenus révèlent que, dans un certain nombre de cas, une telle approche peut être pertinente. En dernier lieu, la conception et la fabrication d'une petite maquette développée en parallèle de la présente étude est décrite dans la perspective d'essais en bassin au cours de l'année 2011.