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Etude et mise au point de motoventilateurs à hautes performances pour l'aéronautique

Leroy, Matthieu (2006) Etude et mise au point de motoventilateurs à hautes performances pour l'aéronautique. (Study and development of fan motor with high performances for aeronautics.)

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Abstract

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 substantielle 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'actionneur, 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 modélisation 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 induits 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 diminution des pertes par courants induits reste restreinte, une solution alternative à l'application ciblée de la motoventilation concerne la définition d'une nouvelle structure d'actionneur. Cette structure repose sur une architecture de type machine à réluctance variable à laquelle on ajoute des aimants permanents logés dans l'armature statorique. Ainsi tout en bénéficiant d'une énergie spécifique des aimants 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. 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 revolutions, 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 applications 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 air-gap 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 conventional 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 reinforcement. 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 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.

Department:Laboratoire d'Electrotechnique et d'Electronique Industrielle - LEEI (Toulouse, France)
Directeur de thèse:Nogarède, Bertrand
Uncontrolled Keywords:Actionneur haute vitesse - Pertes par courants induits - Plan d'expériences - Machine à double saillance et aimants permanents statoriques. KEYWORDS : High speed Actuator - Eddy current losses - Experimental design - A hybrid Synchronous Reluctance Motor.
Subjects:Electrical engineering
Deposited On:26 March 2007

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