Modèles analytiques de dimensionnement pour évaluer les performances des moteurs électriques à haute puissance spécifique pour les avions hybrides

Analytical Sizing Models to Assess the Performances of High Specific Power Electric Motors for Hybrid Aircraft

• Auteur / Autrice : Sarah Touhami
• Direction : Yvan Lefèvre, Jean-François Llibre
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie électrique
• Date : Soutenance le 15/09/2020
• Etablissement(s) : Toulouse, INPT
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Génie électrique, électronique, télécommunications et santé : du système au nanosystème (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Plasma et Conversion d'Energie (Toulouse ; 2007-....)
• Jury : Président / Présidente : Noureddine Takorabet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Yvan Lefèvre, Jean-François Llibre, Jean-Frédéric Charpentier, Abdelmounaïm Tounzi, Nathalie Raveu
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-Frédéric Charpentier, Abdelmounaïm Tounzi

Mots clés

Mots clés contrôlés

Hydraulique

Avions

Moteurs électriques

Mots clés libres

Avion à Propulsion Hybride

Projet HASTECS

Analyse par Eléments Finis

Programme de Recherche Européen Clean Sky2

Haute Puissance Spécifique

Moteurs Electriques

Systèmes de Refroidissement

Niveaux Technologiques

Haute Vitesse

Contraintes Thermiques

Contraintes Mécaniques

Target Setting Tool

Outil de Dimensionnement

Model Analytique

Analyse parEléments Finis

Hybrid Aircraft Propulsion

HASTECS Project

Clean sky 2 European Research Program

HighSpecific Power

Electric Motors

Cooling Systems

Technological Levels

Load concepts

HighSpeed

Thermal Constraints

Mechanical Constraints

Target Setting Too

Sizing Tool

Analytical Model

Finite Element Analysis

Résumé

Après les succès industriels et environnementaux de l'hybridation du transport ferroviaire,l'hybridation du transport aérien est de plus en plus envisagée. Dans ce contexte, l'Union européenne, en partenariat avec les constructeurs aéronautiques, a lancé en 2014 un vaste programme de recherche, Clean Sky 2, visant à réduire la consommation de carburant et le niveau sonore des avions. Le programme de recherche comprend plusieurs projets parmi lesquels: "HASTECS" qui vise à identifier et à développer les technologies les plus prometteuses pour réduire le poids et augmenter l'efficacité de la chaîne de propulsion hybride. HASTECS est organisé autour de six lot de travail dédiés aux différents composants de la chaîne de propulsion hybride, par exemple, le WP1 est dédié aux moteurs électriques et le WP3 à leurs systèmes de refroidissement. En effet, la réduction estimée des consommations de carburant pour un vol à courte distance serait de 3,5% si la puissance spécifique des machines électriques et des convertisseurs avec leurs systèmes de refroidissement est respectivement portée à 5kW/kg et15kW/kg pour 2025, et également portée à 10kW/kg et 25kW/kg pour 2035. Les objectifs sont nettement plus élevés que ceux d'aujourd'hui. Toutefois, ces puissances spécifiques présentent certaines limites qui dépendent des propriétés des matériaux concernés et des conditions environnementales, telles que les limitations thermiques et le risque de décharges partielles. Pour atteindre les puissances spécifiques visées, par exemple dans les machines électriques, les charges mécaniques, électriques et magnétiques liées aux matériaux et aux technologies de refroidissement doivent être augmentées. Toutefois, compte tenu des limitations et des contraintes environnementales, le choix des charges doit être adéquat. Par conséquent, il est important de développer des modèles permettant d'évaluer les technologies actuelles et futures qui permettent d'atteindre les objectifs. La présente thèse se concentre sur le développement de modèles et d'outils permettant de satisfaire les objectifs concernant les machines électriques et leurs systèmes de refroidissement. Il existe plusieurs topologies différentes de machines électriques. Réaliser pour chaque topologie de machine électrique un modèle permettant d'identifier les technologies les plus prometteuses est une tâche très complexe et laborieuse. Néanmoins, un modèle analytique de machines électriques sinusoïdales à pôles lisses basé sur le concept de charges peut satisfaire un grand nombre de topologies de machines électriques. Sur cette base, un outil "Target Setting Tool TST" est développé pour évaluer les technologies de moteurs électriques en tenant compte des limites et des contraintes sans spécifier la topologie des moteurs électriques. Par conséquent, très peu de données d'entrées sont nécessaires pour faire des compromis rapides sur les performances des moteurs électriques comme la puissance spécifique et l'efficacité, alors que l’atteinte d’objectifs ciblés nécessitent d’établir de nombreuse hypothèses. Pour évaluer le poids du système de refroidissement, le dimensionnement de la structure spécifique du moteur électrique est inévitable. De plus, les études des autres lots de travail sont fortement liées à la structure du moteur électrique. La topologie du moteur synchrone à aimants permanents montés en surface est une topologie de moteur électrique qui satisfait le modèle analytique de Target Setting Tool. Un outil de dimensionnement appelé "SM-PMSM" a été réalisé sur la base de la topologie des aimants permanents montés en surface, utile pour les WPs ainsi pour vérifier la validité du TST. Deux dimensionnements de moteurs électriques avec leurs systèmes de refroidissement ont été effectués à l'aide du TST, SM-PMSM et d'autres outils réalisés par le WP3 pour identifier les technologies requises pour les cibles de HASTECS. Le dimensionnement à l'aide de ces outils a été vérifié par l'analyse par EF.

After the industrial and the environmental successes of hybridization railways transport, the hybridization of aviation transport is acquiring more and more consideration. In this context, the European Union in partnership with the aerospace manufacturers, has launched in 2014 a largestre search program Clean Sky 2 aiming to reduce aircraft fuel consumptions and noise levels. Clean Sky 2 research program includes several projects among of them: Academic reSearch on Thermal& Electric Components & Systems "HASTECS project" which aims to identify and to develop the most promising technologies for decreasing the weight and increasing efficiency of hybrid propulsion chain. "HASTECS project" is organized around six Work Packages (WPs) dedicated tothe components of hybrid propulsion chain, for instance, the WP1 is dedicated to electric motors and the WP3 is dedicated to their cooling systems. Indeed, the estimated reduction fuel consumptions for a short range flight would be 3.5% if the specific power of electric machines and power converters with their cooling systems is respectively increased to 5kW/kg and 15kW/kg for2025, and also increased to 10kW/kg and 25kW/kg for 2035. The targets are significantly higher than those of today. Specific power planned of the industrial electric machines and power converters is higher than the currently one. However, these specific powers present some limitations which depend on the involved material properties and by environment conditions such as: thermal limitations and partial discharges risk. For reaching targeted specific powers for instance in electric machines, the mechanical, electrical and the magnetic loads linked to the materials and cooling technologies must be increased. However, considering the limitations and the environment constraints, choice of loads should be adequate. Therefore, it is important to develop models and tools allowing assessing the actual and the future technologies which allow achieving the HASTECS targets. The present thesis focuses to the development of models and tools for satisfying the HASTECS targets about the electric machines and their cooling systems.There are several different electric machine topologies, namely: radial flux machines, axial flux machines, permanent magnet synchronous machines, wound rotor synchronous machines,asynchronous machines, etc. Performing for each electric machine topology a model for identifying the most promising technologies is a very complex and laborious task. Nevertheless, an analytical model of non-salient sine wave electric machines associated to load ability concepts characterizes a quite lot of electric machine topologies. Based on it, a Target Setting Tool is developed for assessing electric motor technologies considering limits and constraints while without specifying the electric motor topology. Therefore, very few input data are required to make quick trade-offs on electric motor performances as specific power and efficiency whereas Target Setting is based on huge assumptions. For assessing cooling system weight, sizing specified structure of electric motor is unavoidable. Moreover, studies of others work packages are strong lylinked to the electric motor structure. Surface Mounted Permanent Magnet Synchronous Motor topology is one of electric motor topology which satisfies the analytical model of Target SettingTool. A sizing tool called "SM-PMSM" has been carried out based on Surface Mounted Permanent Magnet topology helpful for others packages for providing more details and for checking the Target Setting Tool validity. Two sizing of electric motors with their cooling systems were carried out using Target Setting Tool, SM-PMSM and others tools performed by WP3 to identify the required technologies for the term medium (2025) and long (2035) term HASTECS targets. The sizing using these tools was checked by finite element analysis.