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

par Lorenzo Piscini

Projet de thèse en Électronique

Sous la direction de Daniel Matt.

Thèses en préparation à Montpellier , dans le cadre de I2S - Information, Structures, Systèmes , en partenariat avec IES - Institut d'Electronique et des Systèmes (laboratoire) et de Département Systèmes d'Energie, Fiabilité et Radiations (equipe de recherche) depuis le 13-02-2017 .


  • Résumé

    Etude d'une machine haute fréquence et hautes performances pour une application aéronautique La thèse portera sur l'étude, la modélisation et la caractérisation expérimentale d'un prototype de machine synchrone à aimants à très forte puissance massique dans le cadre du développement du programme « avion plus électrique » auquel participe le groupe SAFRAN. Ce programme, de portée mondiale, vise, entre autre, à remplacer, dans l'avion, les actionneurs hydrauliques par des actionneurs électromécaniques, quand c'est possible. Ces recherches, d'un intérêt fondamental pour la société, s'inscrivent dans la continuité d'une collaboration initiée il y a plus de dix ans avec le laboratoire. L'actionneur étudié n'aura pas une fonction précise dans l'avion, au moins dans un premier temps, il s'agit d'une étude amont permettant de mieux cerner les limites de performances envisageables dans une gamme de puissance et vitesse de rotation donnée. Ce type d'étude a démarré, avec le laboratoire IES, au début des années 2000, et a porté sur la conception d'actionneurs d'entraînement direct ou semi-direct (un seul étage de conversion mécanique) à basse vitesse et haute fréquence. Ces travaux ont conduit à la conception de machines tournantes [3,4,7,8] ou linéaires [5,6,9,12] aux performances exceptionnelles. Depuis, il a été démontré que l'usage de réducteurs était envisageable avec les contraintes drastiques de fiabilité requise, et que, par conséquent, la conception d'actionneurs à vitesse de rotation moyenne (inférieure à 10 000 t/mn) était susceptible de conduire à des systèmes aux performances massiques supérieures. C'est dans ce cadre que se déroulera la thèse. La compacité massique et volumique des convertisseurs électromécaniques est fortement liée à la minimisation des volumes/masses des circuits magnétiques, en d'autres termes, à la minimisation des volumes/masses situés autour de l'entrefer. Cette réduction des dimensions des circuits magnétiques, notamment des épaisseurs de culasses (stator et rotor), est rendue possible par l'augmentation de la fréquence de conversion électromécanique. Un autre axe d'investigation pour la recherche d'une plus grande compacité réside dans la faculté de la machine à tenir ses performances en régime permanent. Cette caractéristique est liée à la possibilité de dissiper les calories générées par la machine lors de son fonctionnement et/ou à minimiser les pertes générées [11, 13]. Les récents travaux de Nadhem Boubaker [11], au laboratoire, qui s'appuient sur la longue expérience de l'équipe en matière de conception de structures innovantes de machines électriques, ont montré les possibilités d'augmenter très significativement les performances d'une machine électrique à aimants surfaciques en augmentant considérablement le nombre de paires de pôles et ainsi la fréquence électrique de la machine. Cette modification génère l'apparition de pertes supplémentaires qu'il est possible de contrer par la réduction de la masse des matériaux nécessaires à l'obtention des performances visées. Enfin, l'augmentation du nombre de pôles s'accompagne nécessairement d'une réflexion sur la structure électromagnétique du convertisseur (bobinage dentaire en particulier …), et sur la structure mécanique (volumes/masses des parties non actives d'un point de vue électrique) permettant d'optimiser les performances spécifiques [1 à 13]. Les études antérieures sur le comportement des matériaux au sein des convertisseurs électromécaniques sont évidemment extrêmement abondantes, mais les travaux effectués dans [11] ont ouvert de nouvelles voies originales, ils ont permis de montrer qu'il est possible de passer bien au-delà de la limite des 4kW/kg en travaillant à des fréquences électriques peu usitées, supérieures à 1,3kHz, en maîtrisant les pertes, ainsi qu'en passant à un rotor sans culasse en matériau amagnétique léger, à un bobinage statorique en barres d'aluminium, et en adoptant des architectures originales. Les travaux de recherche que nous proposons de mener dans cette thèse s'inscrivent dans la continuité des travaux [11] précédemment résumés. Plus précisément, les éléments suivants ont fait l'objet d'une première étude approfondie : a) Les matériaux : De nombreux stators (non bobinés) d'une machine dimensionnée pour une puissance de 25 kW, ont été réalisés avec différentes nuances (fer-silicium et fer-cobalt) et épaisseurs (0.2 mm, 0.35 mm) de tôles magnétiques, différents procédés de découpe et différents modes d'assemblages (vernis thermocollant, assemblage par tirants …), afin d'en préciser le comportement à haute fréquence. Les stators ont fait l'objet d'une caractérisation des pertes par éléments finis et ont été testés expérimentalement en conditions réelles (à vide) à haute fréquence (1300 Hz). Le banc d'essais a, par ailleurs, permis d'introduire des contraintes mécaniques variables sur le circuit magnétique, afin de pouvoir estimer l'influence d'un frettage à chaud du circuit magnétique dans sa virole. b) Le bobinage : Un bobinage très compact utilisant des barres massives en aluminium a été optimisé par simulation, cette approche a permis d'accroitre notablement la puissance massique sans augmenter de façon rédhibitoire les pertes Joule, ce bobinage devra faire l'objet d'essais en conditions réelles pour être définitivement validé dans une application à haute fréquence c) La structure de l'actionneur : Une structure à bobinages par quartiers (assemblages de machines élémentaires monophasées avec un circuit magnétique commun) a été conçue et entièrement optimisée par simulation, cette solution, très compacte, se prête bien à l'accroissement de fréquence et donne de meilleurs résultats que la solution à bobinage dentaire avec couplage sur un harmonique de champ. Une étude expérimentale de validation doit aussi être réalisée sur cette structure. Le candidat devra donc s'appuyer sur les résultats de ces travaux antérieurs afin d'avoir une bonne vision de la quantification et de la localisation des pertes générées liées à la haute fréquence. Un travail complémentaire sur l'étude et la caractérisation de matériaux magnétiques à faibles pertes devra être mené. La prise en compte du procédé de découpe des tôles dans le calcul numérique des pertes Fer de la machine sera étudiée afin de modéliser et quantifier à priori l'influence du procédé sur ces pertes. Le travail d'optimisation de la solution précédemment dimensionnée sera réalisé en prenant aussi en compte les contraintes d'électronique de puissance, de capteur d'autopilotage, et la partie thermique afin de mieux maîtriser le refroidissement de la solution. L'idée sera alors, par la suite, d'être plus exhaustif dans le choix de la topologie retenue pour continuer cette montée en fréquence et cette augmentation de la compacité. La fonction « objectif » à minimiser dans le cadre de cette optimisation pourra, en plus d'englober la masse, prendre en compte l'aspect coût. Cette augmentation de la fréquence électrique pourra être abordée par une augmentation du nombre de paires de pôles mais également par une montée en vitesse de la machine. Les limites mécaniques (centrifugation des pièces tournantes et dimensions mini des culasses) et électroniques devront être considérées. Des contraintes plus sévères de températures ambiantes pourront être définies afin de préparer les travaux sur les machines à forte compacité et forte tenue aux températures élevées. Des investigations fines devront alors être menées dans le domaine des bobinages à haute température, le bobinage à barres massives présenté plus haut étant alors un excellent candidat pour ce type de bobinage. Il va de soi qu'une modélisation thermique complète devra être réalisée, car la compacité des machines engendre des densités de pertes importantes. Le dimensionnement et la réalisation d'un prototype sur base d'un cahier des charges transmis par SAFRAN viendront conclure et valider ces travaux. La pluridisciplinarité de ce projet s'appuie tant sur les compétences du groupe SAFRAN dans le domaine de la conversion de puissance que sur le savoir-faire du laboratoire IES dans le domaine de la haute fréquence et de la compacité des convertisseurs électromécaniques.

  • Titre traduit

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


  • Résumé

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