Optimisation des actionneurs électromécaniques de la boucle d’air d’un moteur thermique.

Electromechanical actuators optimization used in thermal engine air flow regulation

• Auteur / Autrice : Christophe Gutfrind
• Direction : Daniel Sadarnac
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Energie (SPI)
• Date : Soutenance le 11/07/2012
• Etablissement(s) : Supélec
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Sciences et Technologies de l'Information, des Télécommunications et des Systèmes (Orsay, Essonne ; 2000-2015)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Supélec Sciences des Systèmes - EA4454 / E3S
• Jury : Président / Présidente : Pascal Brochet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Laurent Dufour, Claude Marchand, Jérôme Migaud, Jean-Claude Vannier, Pierre Vidal
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Hamid Ben Ahmed, Mircea M. Radulescu

Mots clés

Mots clés contrôlés

Moteurs thermiques

Actionneurs

Mots clés libres

Course limitée

Actionneur électromécanique

Machine à courant continu

Réducteur à engrenage à denture droite

Machine sans balais

Modelisation

Optimisation

Méthode élément finis

Limited stroke

Electromechanical actuator

Brushed motor

Spur gear set

Brushless motor

Modeling

Optimization

Finite element method

Résumé

Les travaux de thèse présentent une étude comparative d'actionneurs électromécaniques à course limitée régulant la position d'un obturateur dans une boucle d'air d'un moteur thermique. Les normes européennes sur la limitation des rejets polluants imposent de nouveaux besoins sur les performances dynamiques et mécaniques des actionneurs. Un état de l’art sur la boucle d’air des moteurs thermiques montre que deux topologies d'actionnements sont devenus majoritaires : l’une se compose d’un moteur à courant continu (MCC) à balais et d’une transmission de puissance par engrenage, l’autre est une machine sans balais à entraînement direct sur l’obturateur. La description de ces topologies montre une approche multiphysique utilisant la mécanique, l’électricité, le magnétisme, la thermique et l’automatique. À l'aide d'un cahier des charges, quatre architectures magnétiques de machines à entraînement direct ont été modélisées et optimisées en régime linéaire. Chaque machine est constituée d’aimants permanents au rotor et d’un circuit magnétique à dents polaires bobinées. De ces quatre machines, une d'entre elles est choisie sur le critère de la performance de couple par unité de volume en vu d'être optimiser sur le critère de la consommation minimale de l'énergie électrique. Pour jauger des résultats obtenus, la topologie MCC avec un réducteur à engrenage à deux étages de réduction est paramétrée et optimisée avec les mêmes contraintes et le même objectif. Les méthodes présentées associent les contraintes physiques et dynamiques sur le dimensionnement de l'actionneur et évoluent vers une optimisation de l'ensemble actionneur, électronique de puissance et loi de commande.

The present work deals with the development of limited motion actuators dedicated to the air flow regulation of internal combustion engines. Because of the recent European Standard applied to car manufacturers, new conceptions of internal combustion engines need a new air flow management such as the low pressure exhaust gas recirculation. According to a state of art on electromechanical actuators that manage the combustive flow, there are mainly two electric topologies for rotary movements: the first one is an indirect drive which is composed of a brushed DC motor associated with a reduction spur gear set, the second one is a direct drive with a brushless DC motor. The topologic analysis carried out in order to design these actuators is based on a multi-physics approach involving mechanical, electrical, magnetic, thermal behaviours and control laws. With requirements, four magnetic topologies have been modelized in linear behaviour and optimized to minimize the external volume. Each actuator is composed of two bipolar permanent magnets on the rotor and two polar teeth on the magnetic core. With an attractive criteria per volume unit torque for a limited stroke application, one of them is chosen to minimize the electrical energy consumption. In order to compare the results of this optimized actuator, a brushed motor and a two reduction stage gear set are modelized and optimized with the aim of minimizing the energy consumption with the same required performances. This approach associates physical and dynamical constraints on actuator designs and contributes to realize a global optimization of machine, power electronics and control law.