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Niveau: Supérieur
No d'ordre : 2396 Annee 2006 THESE presentee pour obtenir le titre de DOCTEUR DE L'INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE TOULOUSE Specialite : Genie Electrique par Matthieu LEROY DEA Genie Electrique de l'INPT Ingenieur ENSEEIHT Etude et mise au point de motoventilateurs a hautes performances pour l'aeronautique soutenue le 15 Novembre 2006 devant le jury compose de : M. Albert FOGGIA Rapporteur M. Denis NETTER Rapporteur M. Bernard TRANNOY President du jury M. Christophe CESTER Examinateur M. Bertrand NOGAREDE Directeur de these Mme. Carole HENAUX Codirecteur These preparee au Laboratoire d'Electrotechnique et d'Electronique Industrielle de l'ENSEEIHT UMR CNRS No 5828
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No d'ordre : 2396 Annee 2006 THESE presentee pour obtenir le titre de DOCTEUR DE L'INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE TOULOUSE Specialite : Genie Electrique par Matthieu LEROY DEA Genie Electrique de l'INPT Ingenieur ENSEEIHT Etude et mise au point de motoventilateurs a hautes performances pour l'aeronautique soutenue le 15 Novembre 2006 devant le jury compose de : M. Albert FOGGIA Rapporteur M. Denis NETTER Rapporteur M. Bernard TRANNOY President du jury M. Christophe CESTER Examinateur M. Bertrand NOGAREDE Directeur de these Mme. Carole HENAUX Codirecteur These preparee au Laboratoire d'Electrotechnique et d'Electronique Industrielle de l'ENSEEIHT UMR CNRS No 5828
- calcul analytique du champ magnetique
- revue de details des solutions existantes en matieres de motorisation
- structure etudiee susceptible
- induced currents
- magnet engines
- modele analytique
- aimants permanents
- solutions puts
o N d’ordre : 2396
THÈSE
présentée pour obtenir le titre de
Année 2006
DOCTEUR DE L’INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE TOULOUSE Spécialité:GénieÉlectrique
par Matthieu LEROY DEAGénieÉlectriquedel’INPT Ingénieur ENSEEIHT
Etude et mise au point de motoventilateurs à hautes performances pour l’aéronautique
soutenue le 15 Novembre 2006 devant le jury composé de :
M. M. M. M. M. Mme.
Albert Denis Bernard Christophe Bertrand Carole
FOGGIA NETTER TRANNOY CESTER NOGAREDE HENAUX
Rapporteur Rapporteur Président du jury Examinateur Directeur de thèse Codirecteur
ThèsepréparéeauLaboratoired’Électrotechniqueetd’ÉlectroniqueIndustriellede l’ENSEEIHT o UMR CNRS N 5828
Résumé
Ce travail, qui rentre dans le cadre d’un projet industriel à cours terme, concerne l’étude d’actionneurs à aimants permanents dédiés à la ventilation aéronautique. Si les moteurs à aimants permanents semblent très attractifs en terme de puissance massique lorsqu’on envisage des vitesses de rotation relativement élevées, l’analyse approfondie des solutions opérationnelles met en avant des problèmes critiques d’échauffement dans une gamme de haute fréquence. En effet, l’augmentation sub stantielle des vitesses de rotation de la machine et des fréquences de commutation du convertisseur associé, constitue une source non négligeable de pertes engendrées au niveau du rotor dans les parties conductrices (aimant et frette) par le biais de courants induits. Ces pertes qui détériorent fortement le rendement global de l’ac tionneur, et voire dans le pire des cas provoquent une rupture mécanique du rotor, doivent dans ce contexte devenir un élément prépondérant du dimensionnement afin de s’assurer de la viabilité du produit fini. Le travail présenté dans ce mémoire s’inscrit dans cette problématique à deux niveaux distincts. Dans un premier temps, après avoir effectué une revue de détails des solutions existantes en matières de motorisation à aimants permanents adaptables à des applications de motoventilation embarquées, un premier volet concerne la modéli sation des courants induits dans la frette et les aimants permanents constitutifs du rotor. Cette modélisation s’appuie sur le calcul analytique du champ magnétique siégeant dans l’entrefer et les parties conductrices. Un avantage important de la méthode proposée réside dans la possibilité d’estimer rapidement ces courants in duits à partir d’une représentation physique, dans laquelle autant les dimensions de la machine que les propriétés physiques des matériaux sont prises en compte. Exploité au sein d’un plan d’expériences, le modèle analytique met en évidence les paramètres structurels et physiques de la structure étudiée susceptible d’influer favorablement sur les pertes par courants induits. Dans un second temps, conscient que la marge de manoeuvre au sein d’une structure conventionnelle d’actionneur à aimants permanents en terme de dimi nution des pertes par courants induits reste restreinte, une solution alternativ al’applicationcibléedelamotoventilatièonconcerneladéfinitiond’unenouvelle structure d’actionneur. Cette structure repose sur une architecture de type ma chine à réluctance variable à laquelle on ajoute des aimants permanents logés dans l’armature statorique. Ainsi tout en bénéficiant d’une énergie spécifique des ai
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mants qui permet d’obtenir des couples massiques intéressants, on s’affranchit des pertes par courants induits générés au rotor en l’absence de matériaux conducteurs. Après un prédimensionnement, ce concept fait l’objet d’un prototypage et d’une phase de tests afin de valider l’architecture préconisée face à une application haute vitesse.
MOTS CLEFS
Actionneur haute vitesse, pertes par courants induits, plan riences,machine à double saillance et aimants permanents statoriques.
d’expé
Abstract
This work, which returns within the framework of an industrial project to course term, relates to the study of permanent magnet actuators dedicated to aeronautical ventilation. If the permanent magnet engines seem very gravitational in terms of specific power when one considers number of relatively high revolu tions, the thorough analysis of the operational solutions puts forward the critical problems of heating in a high frequency range. Indeed, the substantial increase number of revolutions of the machine and the frequencies of commutation of the associated converter, constitutes a considerable source of losses generated on the level of the rotor in the conducting parts (magnet and hoop) by the means of induced currents. These losses which strongly deteriorate the total output of the actuator, and even in the worst of the cases cause a mechanical rupture of the rotor, must in this context become a dominating element of dimensioning in order to ensure itself of the viability of the finished product. The work presented in this memory falls under these problems on two distinct levels. Initially, after having carried out a review of details of the existing matter solutions of motorization to permanent magnets adaptable to embarked appli cations of fan, a first shutter relates to the modeling of the currents induced in the hoop and the permanent magnets constitutive of the rotor. This modeling is based on the analytical calculation of the magnetic field sitting in the airgap and the conducting parts. An important advantage of the method suggested lies in the possibility of considering quickly these currents induced starting from a physical representation, in which as much dimensions machine that the physical properties of materials are taken into account. Exploited within an experimental design, the analytical model highlights the parameters structural and physical of the studied structure likely to influence favorably the losses by induced currents. In the second time, conscious that the room for manoeuvre within a conven tional structure of permanent magnet actuator in term of reduction in the losses by induced currents remains restricted, an alternative solution with the targeted application of the fan ventilation relates to the definition of a new structure of actuator. This structure rests on an architecture of variable the machine type to reluctance to which one adds permanent magnets placed in the stator reinforce ment. Thus while profiting from a specific energy of the magnets which makes it possible to obtain interesting mass couples, one frees oneself from the losses by
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induced currents generated with the rotor in the absence of conducting materials. After an analytical calculation, this concept is the subject of a prototyping and a phase of tests in order to validate the architecture recommended with regards to an application high speed.
KEY WORDS
High speed Actuator, Eddy current losses, Experimental design, A hybrid Syn chronous Reluctance Motor.
à ma Nanane, et à tout ceux qui m’ont donné envie de faire une Thèse...
Avant
propos
Le travail présenté dans ce mémoire a été réalisé au Laboratoire d’Electro technique et d’Electronique Industrielle (LEEI) de l’Ecole Nationale Supérieure d’Electronique, d’Electrotechnique, d’Informatique , d’Hydraulique et des Télé communications de Toulouse (ENSEEIHT).
Je tiens tout d’abord à remercier M. BertrandNogarede, Professeur à l’ENSEEIHT, pour la confiance qu’il m’a accordée en me proposant de réaliser cette thèse au sein du Groupe de recherches en électrodynamique EM3. De plus, j’ai eu le plaisir de travailler avec un personnage hors du commun, qui donne envie d’apprendre, de comprendre, et de persévérer dans votre recherche. D’autre part, jen’oublieraijamaissafac¸ondepenser,sajoiedevivre,etsagrandehumanité qui rythment l’ambiance de travail de l’équipe.
Je tiens aussi à remercier Mme CaroleHenaux, ma codirectrice de thèse qui m’a suivi de prés tout au long de ces 3 ans de thèse, et qui a toujours été pre sente pour m’aider, me supporter ; il faut dire aussi que je suis son thésard préféré...
Je n’oublierai pas de remercier mon cher collègue, M. ChristopheCester, mon codirecteur de thèse de Technofan, qui m’a apporté son savoir, son expérience de grand motoriste, et qui m’a permis de perfectionner mon apprentissage.
Je souhaite également remercier les membres du jury :
M. AlbertFOGGIAet M. DenisNETTERqui m’ont fait le plaisir d’être mes deux rapporteurs, et qui ont pris le temps de relir mon travail et qui m’ont fait des remarques constructives et très intéressantes.
M. BernardTRANNOY, qui a bien voulu présider mon jury, et animé un débat passionnant.
Je tiens aussi à remercier DominiqueHarribeyet JFRouchonmembres du Groupe de recherches en électrodynamique EM3, avec qui j’ai passé de longs moments, aussi bien dans mon travail, que dans ma vie privée.
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Je remercie toutes les filles de l’administration du LEEI qui m’ont beaucoup distrais, et tout particulièrement FatimaMebrek.
D’autre part je tiens à remercier un certain nombre de thésards du LEEI avec qui j’ai passé 3 ans, Jey, Gianluca, Martin, Loulou, Font, Mat, Nico, Delphine, Fran¸cois,Samer,Anthony,TITOUUUUU...etsûrementpleind’autres.
Je remercie tous mes collègues de Technofan qui m’ont soutenu tout au long de cette thèse, T.Fontalbat, C.Cassagnet, F.Gauharou, N.Hillatet JM.Guimardqui m’a permis de réaliser mon prototype.
Je tiens aussi à remercier M. VincentMazauricavec qui j’ai réalisé mon stage de DEA à Schneider Electric et qui ma donné goût à la recherche.
Et enfin, je remercie ma famille et surtout ma femme, qui m’a supporté tout au long de cette thèse avec patience, qui a eu le courage d’affronter un specimen de laboratoire stressé, et surtout pour tout le travail qu’elle a réalisé dans la relecture de mon mémoire.
Table
des
matières
Introduction générale
1 Enjeux et problématiques de la machine synchrone fonctionnant
à vitesse élevée 1.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2 Vers l’avion ”tout électrique” : enjeux et problématiques . . . . . . . 1.2.1 Généralités . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2.2 Enjeux de l’avion ”tout électrique” . . . . . . . . . . . . . . . 1.2.3 Problématiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3 Etat de l’art des actionneurs électriques embarqués Technofan . . . 1.3.1 Les motoventilateurs Technofan . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3.1.1 Définition des caractéristiques d’un ventilateur . . 1.3.1.2 Type et géométrie des ventilateurs Domaines d’applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3.2 Positionnement et perspectives d’évolutions des motoventi lateurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3.2.1 Les motoventilateurs embarqués Technofan sur l’Airbus A380 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3.2.2 Perspectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3.2.3 Limitations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.4 Les actionneurs électromécaniques dédiés à l’aéronautique et ma chines appropriées à la haute vitesse . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.4.1 Les machines appropriées à la haute vitesse . . . . . . . . . 1.5 Etat de l’art de la machine synchrone à aimants permanents . . . . 1.5.1 Les matériaux magnétiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.5.1.1 Les aimants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.5.1.1.1 Aimants permanents frittés . . . . . . . . 1.5.1.1.2 Aimants liés . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.5.1.2 Des matériaux magnétiques doux . . . . . . . . . . 1.5.1.2.1 Matériaux laminés . . . . . . . . . . . . . 1.5.1.2.2 Matériaux composites . . . . . . . . . . . 1.5.2 Structures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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