Etude d'une machine haute fréquence et hautes performances pour une application aéronautique

par Lorenzo Piscini

Thèse de doctorat en Électronique

Sous la direction de Daniel Matt.

Thèses en préparation à Montpellier , dans le cadre de École Doctorale Information, Structures, Systèmes , en partenariat avec Institut d'électronique er des systèmes (laboratoire) .


  • Résumé

    Le transport aérien est en croissance continue avec un nombre d'utilisateurs et vols par an qui doublerait d'ici 2037 atteignant 8,2 milliards de voyageurs avec notamment les marchés chinois et indien en expansion. À cette croissance, il faut également considérer la mobilité urbaine qui connaitra également une transformation avec l'arrivée d'aéronefs pour le transport de passagers mais également de drones pour le transport de colis. Des restrictions de plus en plus sévères sont définies afin de pousser les compagnies aériennes, et les constructeurs, à se lancer dans l'hybridation voire dans l'électrification pure, afin de réduire l'impact sur l'environnement. Accroitre le rendement et la compacité des convertisseurs électriques représente alors un axe de recherche fondamental dans ce domaine. C'est dans ce contexte que s'inscrivent nos travaux de recherche. L'objectif de cette thèse consiste à contribuer à la minimisation des volumes et masses des parties actives constituant une machine électrique tout en préservant le rendement. Jusqu'alors, des configurations à entrainement direct sont par défaut préférées en vertu d'un rendement et d'une fiabilité plus élevés. L'accroissement de la compacité passe nécessairement par l'augmentation du nombre de pôles et s'accompagne d'une augmentation des pertes par unité de surface d'échange générée par une montée en fréquence. En premier lieu, cette thèse porte donc sur la modélisation thermomécanique couplée à celle électromagnétique de base afin d'essayer de repousser le plus possible la limite en fréquence et d'analyser des contraintes plus sévères de températures ambiantes. Cette étude a aussi pour but de confirmer les performances obtenues lors de l'utilisation d'un bobinage à barres, distribuées par quartiers, étudié préalablement par notre laboratoire IES, et d'investiguer le comportement thermique de cette solution par rapport à une solution plus conventionnelle. En effet, compte tenu du haut niveau de pertes dues à la haute fréquence, le risque de désaimantation ou de baisse de couple est élevé. Des solutions sont donc apportées, en second lieu, afin de minimiser les pertes par courant induits dans le bobinage et dans les aimants. À cette fin, une modélisation multiphysique par Réseaux de Nœuds, par Éléments Finis, et par Fluidodynamique ont été nécessaires afin d'évaluer ces risques et de dimensionner de manière adéquate un système de refroidissement optimal. Ces modèles sont finalement mis en œuvre afin de réaliser le dimensionnement, la conception et l'assemblage du convertisseur sur la base d'une spécification transmise par SAFRAN. Des analyses sur banc viendront par la suite conclure et valider ces travaux. L'ensemble de ces modèles aura ainsi permis l'optimisation des performances du convertisseur électromécanique.

  • Titre traduit

    Study of a high frequency and high efficiency electric machine for an aircraft application


  • Résumé

    The aeronautics transport is continuously growing. Forecast shows that the number of flights will have doubled by 2037 reaching 8.2 billion of air travelers, with China and India as the main and fastest-growing markets. Urban mobility will be revolutionized and transformed by new aircraft concepts for commuting and delivering services replacing cars. Severe restrictions are defined in order to decrease the impact on environment, pushing aeronautics industries to reach the targets in terms of noise and gas emissions by proposing new hybrid/full electric aircraft concepts. Enhancing the power converters efficiency and compactness thus represents a strategic research framework in this domain. Given this context, the main goal of this PhD consists in contributing to the minimization of the volume and mass of electrical machine active parts while preserving its efficiency. In literature, direct driven configurations are usually preferred due to their higher performance and reliability. The increase in compactness, involving necessarily an increase in the number of poles, is accompanied by a raise in losses per unit of exchange area generated by a raise in frequency. Therefore, in this thesis we firstly present a thermomechanical model coupled to the electromagnetics one in order to push the frequency limit as far as possible and to analyze more severe constraints of ambient temperatures. The aim of this analysis is also to confirm the performance obtained when using sector distributed bar-wound windings, previously studied by our IES laboratory, and to investigate the thermal behavior of this solution compared to a more conventional one. In fact, taking into account the high level of losses due to the high frequency, the risk of demagnetization or drop in torque is high. Solutions are therefore provided, secondly, in order to minimize the current losses induced in the winding and in the magnets. To this end, adequate multiphysical modeling, by Node Networks, by Finite Elements, and by Computational Fluid Dynamics was necessary in order to assess these risks and to adequately sizing an optimal cooling system. These models are finally implemented in order to carry out the sizing, design and assembly of the converter on the basis of a set of specification transmitted by SAFRAN. Bench analyzes will then conclude and validate this work. All of these models have thus enabled the optimization of the performance of the electromechanical converter.