Contribution à la conception et à l'optimisation multi-physique de batterie mécaniques pour les applications mobiles

contribution to the design and and the multi-physics optimization of flywheels for mobile application

• Auteur / Autrice : Gilles Tonnelier
• Direction : Mohamed Lamine Boubakar, Noureddine Bouhaddi, Marc Berthillier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences pour l'ingénieur
• Date : Soutenance le 18/02/2011
• Etablissement(s) : Besançon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences Physiques pour l'Ingénieur et Microtechniques (Besançon ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : FEMTO-ST : Franche-Comté Electronique Mécanique Thermique et Optique - Sciences et Technologies (Besançon) - Franche-Comté Électronique Mécanique- Thermique et Optique - Sciences et Technologies (UMR 6174) / FEMTO-ST
• Jury : Président / Présidente : Tony Montesin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Mohamed Lamine Boubakar, Noureddine Bouhaddi, Marc Berthillier, Tony Montesin, Abdelkhalak El Hami, Benali Boualem, Christophe Espanet, Pascal Lardeur
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Tony Montesin, Abdelkhalak El Hami

Mots clés

Mots clés contrôlés

Automobiles -- Batteries

Mots clés libres

Batterie mécanique

Volant d’inertie

Conception intégrée

Optimisation multi-physique

Optimisation multi-objectif

Optimisation à étage

Pré-dimensionnement

Résistance des matériaux

Dynamique des rotors

Moteur électrique

Cartes auto-organisatrices de Kohonen.

Mechanical battery

Flywheel

Integrated design

Multidisciplinary design optimization

Staged optimization

Pre-sizing

Strength of materials

Rotordynamics

Electric motor

Kohonen self organising map

Résumé

Pour améliorer son offre de tramway, la société ALSTOM Transport a décidé de développer une batterie mécanique qui assure l’autonomie énergétique d’un véhicule entre deux stations.Mais même si les volants d’inertie existent essentiellement depuis les années 1950 pour les applications mobiles, il n’en existe aucun qui soit conçu pour assurer 100% de l’apport énergétique pour des applications mobiles. La batterie doit donc tenir peu de place, peser le moins possible, être sûr et répondre au cahier des charges.Suite à une analyse des données bibliographiques, nous avons entrepris de développer une méthode de pré-dimensionnement multi-physique des batteries mécaniques en prenant en compte les interactions entre les différents organes majeurs de conception, alors que jusque là, les méthodes consistaient essentiellement à développer les batteries mécaniques partie par partie.Pour cela, nous avons développé un outil de conception intégré qui prend en compte les phénomènes énergétiques (énergie et puissance), mécaniques (résistance des matériaux, dynamique des rotors), électromagnétiques (moteur électrique) et géométriques (gabarit d’intégration,création des volumes). Nous avons également dû développer une méthode de sélection des matériaux pour l’usage des volants d’inertie, à partir de laquelle nous avons dressé une liste de matériaux pertinents.Nous avons montré que la conception intégrée apportait des solutions plus performantes en terme d’intégration et d’équilibre entre la partie mécanique et électromagnétique. Nous avons aussi montré que les matériaux composites ne sont pas forcément le meilleur choix de conception et que les matériaux comme les aciers hautes performances sont de très bons candidats suivant le domaine d’étude qui nous intéresse (la frontière déterminante étant la vitesse de rotation de 30000 tr/min). Nous avons montré qu’il est possible d’atteindre des domaines stables de fonctionnement, même s’il sera sans doute inévitable de passer des vitesses critiques au démarrage. La méthode de conception que nous avons développée, fait en sorte que les seuls modes dynamiques excités soient les modes de paliers, ce qui permet de traiter le problème à l’interface avec le bâti assez facilement. Elle permet également de représenter la configuration du système, de faire une analyse statique des contraintes, d’étudier les phénomènes dynamiques d’une batterie mécanique et enfin, cette stratégie permet de réaliser une optimisation global edu système par la méthode d’organisation des solutions de Kohon en.Les résultats obtenus sont significatifs car la méthode de conception systématique optimisée que nous avons développée, peut s’appliquer à tous les cas de figure. Elle permet de savoir quels matériaux choisir suivant la configuration voulue, présente graphiquement les résultats comportementaux des systèmes étudiés et apporte une connaissance du système en cours de développement. Cela permet notamment d’anticiper les évolutions potentielles de conception.Il s’agit donc d’un outil d’aide à la compréhension et à la décision en conception des batteries mécaniques.Le chemin scientifique que nous avons emprunté est celui préconisé par le Professeur Italien Giancarlo Genta, spécialiste du domaine, à la fin de ses propres études. Cette approche évolutive a permis d’accroître la connaissance des batteries mécaniques et de mieux les concevoir.

To improve its tram offer, ALSTOM Transport has decided to develop a mechanical batterythat provides energy of a vehicle between two stations. But even if the flywheels are essentiallydevelopped since the 1950s for mobile applications, none of them is designed to ensure 100%of energy for mobile applications. The battery must be light, weigh as little as possible, besafe and respect the specifications.Following a bibliographic data analysis, we undertook to develop a method of pre-sizingmechanical battery by taking into account interactions between different major organs, whereaspreviously, methods were concentrated on developing mechanical batteries part by part.For this, we developed an integrated design tool that takes into account the energy (energyand power), mechanic (strength of materials, rotor dynamics), electromagnetic (electric motor)and geometric (template integration, creation of volumes). We also develop a method forselecting the right materials for flywheels, from which we have compiled a list of relevantmaterials.We have shown that the integrated design is more efficient in terms of integration andbalance between the mechanical and electromagnetic.We also showed that composite materialsare not necessarily the best design choices and materials such as high performance steels areexcellent candidates according to the study area of interest (the threshold being the criticalrotational speed 30000 rpm). We have shown that it is possible to achieve stable areas ofoperation, although it will probably be inevitable to pass critical speeds at startup. The designmethod we developed ensures that the only modes excited are the dynamic modes of bearings,which can be treaten quite easily. It can also represent the system configuration, make a staticstress analysis, study the dynamic phenomena of a mechanical battery, and finally, this methodallows an overall system optimization by the Kohonen method.The results are significant because the systematic method we developed can be applied toevery cases. It helps to know what materials to choose, the configuration you want, presentsgraphically the results of behavioral systems studied and brings a knowledge of the systemunder development. This allows us to anticipate potential changes in design. It is therefore atool for understanding and making during the design process.The scientific path that we have taken is the one advocated by Professor Giancarlo Genta,Italian specialist in the field, at the end of his own studies. This evolutionary approach hasled to increased knowledge of batteries and better mechanical design.Keywords