Thermal Modeling and Cooling of Electric Motors : Application to the Propulsion of Hybrid Aircraft

par Amal Zeaiter

Thèse de doctorat en Energétique, thermique, combustion

Sous la direction de Matthieu Fénot et de Etienne Videcoq.

Le président du jury était Eva Dorignac.

Le jury était composé de Xavier Roboam.

Les rapporteurs étaient Julien Pelle, Charbel Habchi.

  • Titre traduit

    Modélisation thermique et refroidissement de moteurs électriques : Application à la propulsion d’un avion hybride


  • Résumé

    Le travail présenté dans ce mémoire concerne la modélisation thermique de moteurs électriques de forte densité de puissance. Le but est de trouver les techniques de refroidissement efficaces et adaptées aux moteurs conçus pour application à la propulsion de l’avion hybride du futur. Deux cibles de densité de puissance, 5 kW/kg pour le court terme (année 2025) et 10 kW/kg pour le long terme (année 2035), sont abordées avec leurs propres exigences. Les moteurs électriques étudiés sont de type synchrone à aimants permanents montés en surface du rotor. Ce type de moteur est caractérisé par un rendement élevé et contraint par les températures maximales admissibles relativement faibles de son bobinage et de ses aimants. Une fois atteintes, ces valeurs de température entraînent le dysfonctionnement du moteur ou la limitation de sa durée de vie. En outre, avec un design fermé imposé et des densités élevées de flux de chaleur dissipées dans la machine, une optimisation du refroidissement est incontournable.Pour se familiariser avec le problème, un état de l’art détaillé sur le refroidissement des machines électriques est réalisé. En conséquence, les différentes techniques utilisées et les avancements technologiques récents sont analysés vis-à-vis de notre cas d’application. Ensuite, afin de prédire le comportement thermique du moteur et d’assurer le suivi des températures critiques (surtout au bobinage et aux aimants), un modèle nodal transitoire est mis en place et résolu sous Matlab. Ce dernier est construit en considérant l’intégralité du système moteur avec son circuit de refroidissement. Les conditions externes liées à l’environnement sont prises en compte, en particulier la variation de la température d’air extérieur en fonction de l’altitude et le profil de mission de vol de l’avion. En effet, les pertes dans le moteur, qui constituent les sources de chaleur, varient en fonction de la puissance pendant le vol. Afin d’identifier précisément les paramètres intrinsèques du modèle, une étude par éléments finis a été menée et des corrélations permettant l’estimation de la conductivité thermique du bobinage en sont déduites par interpolation polynomiale. Plusieurs études ont ensuite été menées concernant l’influence des propriétés thermophysiques, de la température extérieure, de la nature du liquide de refroidissement, de son débit ainsi que la surface extérieure de l’échangeur sur les réponses en température du modèle. Plusieurs designs du moteur sont étudiés grâce à ce modèle afin de proposer des solutions de refroidissement adaptées. Pour chacune des cibles, une configuration optimale du moteur avec son système de refroidissement a été adoptée.Par ailleurs, les pertes électromagnétiques et mécaniques étant difficiles à estimer dans ces machines, un chapitre est consacré à leur identification par résolution d’un problème inverse. La technique est séquentielle et utilise la spécification de fonction de Beck comme méthode de régularisation. Trois cas, de complexité croissante, sont étudiés et montrent la fiabilité de la méthode qui permet également d’estimer les températures inaccessibles dans le moteur. C’est finalement ce modèle nodal à faible nombre de degré de liberté qui nous permet d’assurer, en temps réel, le suivi des points chauds.


  • Résumé

    The concern of this thesis is the thermal modeling of high-specific power electric motors. The aim is to allow finding the efficient and adequate cooling solutions of the motors designed for hybrid aircraft propulsion application. Two specific power values, 5 kW/kg for the short-term (year 2025) and 10 kW/kg for the long-term (year 2035), are targeted, each with specific requirements. The investigated type of electric motors is the synchronous machine with surface-mounted permanent magnets. This motor type is constrained by relatively low values of maximum allowed temperatures in windings and magnets. Once reached, these temperature values lead to a failure in motor operation or at least to shortening its lifetime. Moreover, with a closed motor design and high heat fluxes generated, the optimization of the cooling is essential.To become acquainted with the issue, a detailed state of the art on electric machine cooling is elaborated. Then, the commonly used techniques and the recent technological advancements are analyzed with respect to our case study. Afterward, in order to predict motor thermal behavior and ensure the monitoring of critical temperatures (windings and magnets), a nodal transient model is implemented and solved on Matlab software. This latter is built for the whole system of the motor and cooling circuit. Specific conditions of the flight are taken into account, particularly the outside air temperature variation in terms of altitude and the flight mission profile. Actually, the motor losses, generating the heat in the machine, vary depending on the motor power during the mission. For the identification of crucial parameters, a Finite-Element study was conducted and corresponding correlations were elaborated to estimate the windings thermal conductivity through polynomial interpolation.Several studies were carried out involving the influence of the thermo-physical properties, the outside temperature, the coolant nature, its flow rate as well as the exchanger surface, on the temperature response of the model. This model has allowed studying several motor designs and proposing adequate cooling solutions. For each target, a final optimal configuration of the motor with its cooling system was adopted.Besides, since the electromagnetic and mechanical losses are hardly estimated in this machine type, a chapter was dedicated to identifying them through an inverse approach. A sequential technique, that uses Beck’s function specification for regularization, was developed. Three cases of unknown losses, with increasing complexity, were studied, proving the method's reliability. Finally, using the same developed low-order model, the real-time procedure also allows monitoring low-accessibility motor temperatures (specifically hot spots)


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