modélisation, conception et optimisation des

AHMED CHEBAK
MODÉLISATION, CONCEPTION ET
OPTIMISATION DES MACHINES SANS ENCOCHES
À AIMANTS PERMANENTS À HAUTE VITESSE
Thèse présentée
à la Faculté des études supérieures et postdoctorales de l’Université Laval
dans le cadre du programme de doctorat en génie électrique
pour l’obtention du grade de Philosophiae Doctor (Ph.D.)
DÉPARTEMENT DE GÉNIE ÉLECTRIQUE ET DE GÉNIE INFORMATIQUE
FACULTÉ DES SCIENCES ET DE GÉNIE
UNIVERSITÉ LAVAL
QUÉBEC
2013
© Ahmed Chebak, 2013

Résumé
Ce travail de recherche présente la mise au point d’une méthodologie de conception par
optimisation globale des machines synchrones sans encoches à aimants permanents à haute
vitesse utilisant des matériaux magnétiques composites doux (SMC) au stator et des frettes
au rotor éventuellement conductrices. Cette méthodologie tient compte des différentes
contraintes imposées par la haute vitesse, notamment les courants de Foucault induits dans
les pièces massives, les pertes, l’alimentation en commutation électronique et les efforts
mécaniques sur le rotor.
Un outil de dimensionnement générique est développé pour différentes structures de
machines sans encoches fonctionnant en moteur ou en générateur et alimentées par divers
types de convertisseurs statiques à commutation de tension ou de courant. Il utilise un
modèle de dimensionnement analytique basé sur la prédiction du champ magnétique 2D par
une résolution harmonique des équations de Maxwell en magnétodynamique en tenant
compte des courants de Foucault induits dans les parties conductrices. Ce modèle intègre
un modèle électrique équivalent global de l’ensemble convertisseur-machine et un modèle
détaillé de calcul des pertes validés par un calcul numérique du champ en 2D. Une
validation expérimentale des pertes magnétiques dans le stator en SMC est effectuée.
Le modèle de dimensionnement est associé à une procédure d’optimisation et à un
mécanisme de correction itératif, basé sur le calcul numérique du champ en 3D, pour tenir
compte des effets de bord sur les pertes par courants de Foucault dans le stator. Lorsque la
machine est couplée à un convertisseur à commutation de courant, un autre mécanisme de
correction, permettant la résolution du couplage fort entre la machine et son convertisseur,
est utilisé. Les différents outils de modélisation et de conception réalisés sont utilisés pour
dimensionner et comparer plusieurs topologies de machines sans encoches pour des cahiers
des charges spécifiques. Différentes études de faisabilité et de sensibilité sont aussi
effectuées.

iii
Abstract
This research work presents the development of a design methodology with global
optimization of high-speed permanent-magnet slotless synchronous machines using soft
magnetic composite materials (SMC) in the stator and retaining sleeves in the rotor that can
be conductive. This methodology takes into account the different constraints imposed by
the high speed such as the eddy currents induced in the massive parts, the losses, the
converter-machine interactions and the mechanical stress in rotor.
A generic design tool is developed for different slotless machines structures used as motors
or generators and coupled to different kind of static power converters with voltage or
current commutation. It uses a design model based on analytical prediction of the two-
dimensional magnetic field by a harmonic resolution of Maxwell equations taking into
account the eddy currents induced in the conductive parts. This model includes an
equivalent electric model of the converter-machine system and a detailed losses calculation
model validated by 2D finite element analysis. Experimental validation of magnetic losses
in the SMC stator is also performed.
The design model is associated to an optimization procedure and an iterative correction
mechanism performed by 3D finite element simulations to take into account the influence
of end-effects on the SMC stator eddy current losses. When the machine is coupled to a
current static converter, another correction mechanism is used in order to resolve the strong
coupling between the machine and its converter. The developed modeling and design tools
are used to design and compare different slotless machines topologies for specific
requirements. Various feasibility and sensitivity studies are also performed.

Avant-propos
La présente thèse de doctorat a été effectuée au laboratoire d’électrotechnique,
d’électronique de puissance et de commande industrielle (LEEPCI) à la faculté des
Sciences et de Génie de l’Université Laval.
Je tiens tout d’abord à exprimer ma sincère gratitude envers le professeur Philippe
Viarouge, directeur de cette thèse, pour sa disponibilité pour ce projet, la confiance qu’il
m’a accordée, ainsi que ses idées et conseils judicieux apportés tout au long de ces années
d’études. Sa grande humanité, sa bienveillance à mon égard, ainsi que ses hautes
compétences scientifiques font de lui un chercheur exceptionnel et un modèle à suivre. M.
Viarouge m’a inspiré la passion pour la recherche en génie électrique et le souci de la
rigueur dans le travail et je lui en suis infiniment reconnaissant.
Mes remerciements chaleureux vont aussi à l’égard du professeur Jérôme Cros pour son
support, ses conseils constructifs et son aide inestimable pour la réalisation de cette thèse.
Je tiens aussi à remercier Marion Couvreur et Marco Béland pour leur implication dans la
réalisation du banc d’essai expérimental.
L’expression de mes remerciements va aussi vers mes collègues d’études du LEEPCI avec
qui j’ai eu le plaisir de partager de moments conviviaux et des échanges fructueux.
J’adresse également des remerciements à mes amis pour le support et l’encouragement
qu’ils m’ont fournis durant mes années d’études.
J’exprime enfin ma profonde gratitude envers les membres de ma famille, en particulier
mes parents ainsi que mes frères et sœurs. Ce projet n’aurait été possible sans leur amour,
leur encouragement et leur soutien inconditionnels.

À mes parents, ma famille et mes amis