Contributions à l’étude de machines multi-enroulements pour l’aéronautique : machine synchrone à aimants permanents pour la tolérance aux défauts : machine asynchrone pour la traction

Contributions to the study of multi-winding machines for aeronautic : Permanent Magnet synchronous Motor for fault tolerant applications : Asynchronous motor for Taxiing

• Auteur / Autrice : Nicolas Velly
• Direction : Farid Meibody-Tabar, Noureddine Takorabet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie électrique
• Date : Soutenance le 06/04/2011
• Etablissement(s) : Vandoeuvre-les-Nancy, INPL
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale IAEM Lorraine - Informatique, Automatique, Électronique - Électrotechnique, Mathématiques de Lorraine (1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Groupe de recherche en énergie électrique de Nancy (Vandœuvre-lès-Nancy)
• Partenaire(s) de recherche : Entreprise : Messier-Bugatti
• Jury : Président / Présidente : Mohammed El-Hadi Zaïm
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Noureddine Takorabet, Mohammed El-Hadi Zaïm, Christophe Espanet, Éric Semail, Pierre-Yves Liegeois
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Christophe Espanet, Éric Semail

Mots clés

Mots clés contrôlés

Actionneurs

Avions -- Conception et construction

Bobines d'induction

Machines asynchrones

Tolérance aux fautes (ingénierie)

Moteurs à aimants permanents

Mots clés libres

Bobinage concentrique

Tolérance aux défauts

Forces radiales

Découplage magnétique

MSAP double étoile

MAS double étoile

Changement de polarité

Traction

Moteurs à large plage de vitesses

Fault tolerant motors

Double channel topology

Concentrated windings

Magnetic decoupling

Radials forces

Taxiing

, pole changing asynchronous motor

Large speed range asynchronous motors

Résumé

Le projet d'avion électrique vise à remplacer les vecteurs énergétiques que sont les fluides hydrauliques et l'air comprimé par le courant électrique et d'obtenir en conséquence une diminution significative de la consommation en carburant Dans cette thèse, nous proposons deux solutions : la première dans un souci d'accroitre la disponibilités des actionneurs électriques et la seconde pour la traction au sol (taxiage d'avion). Dans la première étude, nous nous plaçons dans le cadre d'un actionneur pour lequel il est demandé une redondance électrique. Ceci peut être le cas d'un actionneur de mode « normal », redondé par un actionneur de type secours, mais où les fiabilités cumulées ne sont pas suffisantes, et où la partie électrique et la commande du système dit normal est redondé. Nous proposons une topologie de moteur synchrone à aimants permanents à bobinage à plots à deux étoiles découplées magnétiquement et à courant de court-circuit limité. Pour les machines à plots, nous avons établi un modèle semi analytique dans le but de prédire l'amplitude de la résultante des forces radiales agissant sur le rotor de cette machine en cas de fonctionnement en modes sain et dégradé. Nous avons établi le modèle de cette machine en vue de la commande et nous avons validé expérimentalement ce principe de conception sur un prototype dimensionné au laboratoire et réalisé par une société du groupe SAFRAN. Dans la seconde étude, nous avons investigué sur l'utilisation de moteurs multi-enroulements permettant de répondre au mieux à un cahier des charges exigeant pour une application de traction d'aéronefs: le « green taxiing ». Le principe est de permettre de faire varier le coefficient de couple d'un moteur de manière à optimiser la masse du moteur mais aussi les contraintes sur le convertisseur qui l'alimente permettant d'atteindre de larges plages de vitesse. Le modèle en vue de l'alimentation a été développé et validé par une comparaison à une résolution par éléments finis en magnétodynamique

The more electrical aircraft project aims at replacing most of current power generation sources by electrical ones. Consequently this replacement might generate a significant decrease of the fuel consumption. Through this thesis we determine two electrical solutions allowing on the one hand the increase of disponibility level of the actuators and on the other handthe aircraft taxiing by electrical means. We firstly focused on electrical actuators that require electrical redundancy. A first mean to achieve this redundancy is to use two actuators. Nevertheless this solution is not relevant under the reliability constraint because the global failure rate is increased. A double star permanent magnet synchronous motor with concentrated winding is proposed in which a special care was taken to the short circuit current limitation and the magnetic decoupling between the two star winding. We established a semi-analytic model for this kind of motors to predict the amplitude of the resultant of the radial forces acting on the rotor of the machine when operating under normal and faulty operation. We established the model of the machine in order to determine the command strategy. We experimentally validated all of the design principles mentioned above through a prototype designed in the laboratory and built by one of the SAFRAN group company. We secondly investigated on the way to apply the multi winding principles to a brand new project linked to the aircraft taxiing called “green taxiing”. The goal is to obtain a motor topology that allows operating on a wide speed range thanks to the command strategy and the change of its torque coefficient. We established the model of the machine and we compared the results given by this ingenious model to the results given by a finite element resolution using a transient magnetic application