Élaboration de méthodes et d'outils logiciels pour l'optimisation topologique magnéto-mécanique de machines électriques tournantes

Development of methods and softwares for magneto-mechanical topology optimization of electrical rotating machines

• Auteur / Autrice : Théodore Cherrière
• Direction : Sami Hlioui, François Louf, Luc Laurent
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie électrique
• Date : Soutenance le 08/11/2023
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Electrical, optical, bio : physics and engineering (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Systèmes et applications des technologies de l'information et de l'énergie (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2002-....)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : École normale supérieure Paris-Saclay (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 1912-....)
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Sciences de l’ingénierie et des systèmes (2020-….)
• Jury : Président / Présidente : Grégoire Allaire
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Frédéric Messine, Georges Barakat, Delphine Sinoquet, Zhuoxiang Ren
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Frédéric Messine, Georges Barakat

Mots clés

Mots clés contrôlés

Machines électriques

Méthode des éléments finis

Machines synchrones

Optimisation topologique

Mots clés libres

Optimisation topologique

Machines synchrones

Optimisation multi-Matériaux

Optimisation magnéto-Mécanique

Méthode des éléments finis

Méthode à densité

Topology optimization

Multi-Material optimization

Magneto-Mechanical optimization

Finite element method

Density method

Synchronous machine

Résumé

Dans le contexte de la transition énergétique et de l'électrification des usages, l'amélioration des performances des actionneurs électromagnétiques passe obligatoirement par des processus d'optimisation du dimensionnement. De telles méthodologies ont d'ores et déjà été mises en place, mais se focalisent principalement sur des géométries préalablement paramétrées, ce qui limite l'espace des possibles. Les travaux menés dans le cadre de cette thèse visent alors à mettre en place une méthodologie d'optimisation topologique efficace, capable de répartir au mieux les distributions de matériaux (fer, air, conducteurs, aimants) nécessaires pour générer une machine synchrone dans sa globalité, sans paramétrage de sa géométrie. Pour ce faire, une méthodologie d'optimisation topologique multi-matériaux à densité a été développée. Son application à l'optimisation d'un stator triphasé met en évidence l'importance des procédés de pénalisation, de filtrage et de contrôle sur l'algorithme d'optimisation. La méthodologie est ensuite étendue à la conception d'une machine entière : bien que performantes, les meilleures structures obtenues comportent des barrières de flux sans tenue mécanique. Après incorporations de contraintes de rigidité des rotors, la méthode aboutit à des structures performantes et connexes en un temps de calcul raisonnable, ce qui démontre la pertinence de ce type d'approches dans la conception d'actionneurs électromagnétiques. À terme, l'intégration de l'ensemble des physiques qui interviennent dans les spécifications du cahier des charges dès les phases préliminaires permettrait d'économiser temps et argent dans la conception de machines électriques innovantes.

In the context of energy transition and the electrification of applications, improving the performance of electromagnetic actuators inevitably involves dimensioning optimization processes. Such methodologies have already been implemented but focus mainly on previously parameterized geometries, which limits the space of possibilities. This thesis aims to develop an efficient topological optimization methodology capable of optimizing the distribution of materials (iron, air, conductors, magnets) required to generate a synchronous machine in its entirety without parameterizing its geometry. To this end, a multi-material density topological optimization methodology has been developed. Its application to optimizing a three-phase stator highlights the importance of penalization, filtering, and control processes in the optimization algorithm. The procedure is then extended to the design of an entire machine: although efficient, the best structures obtained include flux barriers with no mechanical strength. After incorporating rotor stiffness constraints, the method produces high-performance, related structures in a reasonable computation time, demonstrating the relevance of this type of approach to the design of electromagnetic actuators. Eventually, integrating all the physics involved in specifications right from the preliminary phases will save time and money in designing innovative electrical machines.