Définition, conception et expérimentation de structures d’actionneurs électromécaniques innovants incluant par conception des fonctionnalités de sûreté et de sécurité de fonctionnement

Definition, design and testing of novative electromechanical actuator structures including since design safety functionalities

• Auteur / Autrice : Delphine Mami
• Direction : Bertrand Nogarède
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie électrique
• Date : Soutenance le 22/01/2010
• Etablissement(s) : Toulouse, INPT
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Génie électrique, électronique, télécommunications et santé : du système au nanosystème (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Plasma et Conversion d'Energie (Toulouse ; 2007-....)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Claude Vannier
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Jean-Claude Vannier

Mots clés

Mots clés libres

Moteur électrique

Actionneur électromécanique

Poudres magnétiques composites

Sûreté de fonctionnement

Electrical motor

Electromechanical actuator

Soft magneticcomposite powders

Safety

Résumé

Avec l’avènement des nouvelles générations d’avions civils et militaires, la démarche d’électrification des fonctions de commande de vol est aujourd’hui pleinement engagée, depuis les interfaces homme-machine jusqu’aux actionneurs de puissance. En vue de s’affranchir définitivement des inconvénients propres à l’utilisation de l’énergie hydraulique, l’utilisation d’actionneurs purement électromécaniques (EMA) constitue en toute logique une étape clef des évolutions technologiques à venir. Ce projet de recherche a pour objectif de développer l'une des briques technologiques majeures du système d’actionnement - le moteur électrique - pour pouvoir effectuer demain le saut technologique vers l'avion plus électrique, qui est l'électrification complète des systèmes d'actionnement des commandes de vol. Une première partie permet de se familiariser avec le domaine des actionneurs électromécaniques destinés aux applications aéronautiques et plus particulièrement aux commandes de vols. Après avoir rappelé le rôle et les évolutions qu’ont connues les commandes de vol durant la dernière décennie, les technologies hydrauliques et électriques usuelles sont présentées. L’environnement sévère associé au domaine aéronautique implique des contraintes de sûreté de fonctionnement qui sont alors définies plus précisément au niveau des systèmes électromécaniques. Une analyse des défauts électriques susceptibles de se produire au sein des actionneurs électromagnétiques est dans un dernier temps effectuée. Une seconde partie se focalise sur la définition de critères de dimensionnement des actionneurs électromagnétiques qui lui permettent de supporter les défauts électriques précédemment mis en avant. Profitant de l’émergence de matériaux magnétiques composites qui facilitent la définition de pièces magnétiques compressées à structure géométrique complexe, un concept d’actionneur à aimants permanents et stator modulaire est défini et baptisé Aximag. Une troisième partie se concentre sur la réalisation d’un démonstrateur qui réponde à un cahier des charges du type commande de vol. Une étude analytique est réalisée dans le but d’observer les axes de dimensionnement et les possibilités de la machine Aximag. Enfin dans une quatrième et dernière partie sont présentés et analysés les simulations numériques ainsi que les essais de caractérisation des démonstrateurs. Au travers du couple statique, du couple dynamique et aussi de paramètres électriques comme les inductances propres et mutuelles, les démonstrateurs sont étudiés. Une analyse critique de la technologie proposée ainsi que les perspectives d’évolution viennent alors conclure l’ensemble des travaux réalisés.

With the rise up of new civil and military aircraft generations, an electrification process concerning the flight control systems, from the human machine interface to the actuation power, has been engaged. In order to finally suppress faults linked to the hydraulic power use, the development of full electromechanical actuators (EMA) is a critical step concerning next technological evolutions. The purpose of this research project is the development of a major technological element of actuation systems, the electrical motor, in order to enable tomorrow, the technological gap leading to a more electrical aircraft, that is to say the complete electrification of flight control actuation systems. A first part presents generals concerning the electromechanical actuators dedicated to aircraft applications and especially to flying control systems. Once the aim and evolutions that flight control systems have known during the last decade has been reminded, the hydraulic and electric technologies are presented. The drastic environment combined to aircraft field leads to safety and security requirements that are more precisely defined around electromechanical systems. A last step analises electrical faults that can occur within electromagnetic actuators. A second part focuses on the definition of sizing criteria that will enable the actuator to support the previous electrical faults pointed out. With the mergence of magnetic composite materials that make easier the definition of sintered magnetic pieces with complex geometry, a permanent magnet actuator with modular stator has been defined and named Aximag. A third part deals with the realisation of demonstrators that answer specifications associated to a flight control actuation systems. The different parts of the fabrication process are presented. An analytical study is leaded in order to point out the axes for the design and the possibilities of the machine Aximag. Finally, in a fourth and last part numerical analysis and characterisation tests of demonstrators are presented and analysed. Through the static torque, the dynamic torque and electrical parameters like self inductance and mutual inductance, demonstrators are studied. A critical analysis of the proposed technology and the perspectives come to conclude this work.