Méthode de mesure sans contact de la température intégrée au rotor d’une machine électrique tournante au moyen d’une fibre optique à réseaux de Bragg

Non-contact temperature measurement method integrated in the rotor of a rotating machine using fiber Bragg gratings

• Auteur / Autrice : Rita Abboud
• Direction : Frédéric Lamarque, Youssef Zaatar
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécatronique, Photonique et Systèmes : Unité de recherche en Mécanique - Laboratoire Roberval (FRE UTC - CNRS 2012)
• Date : Soutenance le 18/11/2021
• Etablissement(s) : Compiègne en cotutelle avec Université Libanaise
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur (Compiègne)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Unité de recherche en mécanique acoustique et matériaux / Laboratoire Roberval

Mots clés

Mots clés contrôlés

Analyse thermique

Thermométrie

Mesure sans contact

Fibres optiques

Capteurs optiques

Machines électriques

Machines tournantes

Rotors

Réseau de Bragg

Mots clés libres

Fibre à réseau de Bragg

Mesure dynamique de la température

Fiber Bragg grating (FBG)

Dynamical temperature measurement

Rotors

Rotating machine

Optical sensor

Thermometry

Non-contact measurement

Electric machinery

Optical fibers

Thermal analysis

Résumé

Dans le domaine des systèmes de transport, des problèmes de chauffage apparaissent avec l'augmentation de la température dans différents types de machines électriques. Dans la conception classique des machines électriques, l'analyse thermique doit être prise en compte dans la conception initiale, le contrôle et la surveillance des machines électriques. La mesure de la température locale, en particulier dans le rotor, est importante pour plusieurs raisons telles que l'extension de la durée de vie des composants de la machine électrique et la localisation des points chauds à l'intérieur de la machine, ce qui permet de développer des systèmes de refroidissement appropriés et de protéger la machine. De nombreuses approches pour la mesure de la température peuvent être utilisées telles que les thermocouples, les thermistances, les capteurs infrarouges ou les caméras infrarouges. Cette thèse présente une technique sans contact qui mesure la température du rotor d'une machine tournante en utilisant un capteur à réseaux de Bragg (FBGs). La surveillance de la température locale, en particulier à l'intérieur du rotor, est importante afin de détecter le vieillissement thermique précoce de la machine. Les points chauds dans les parties rotatives peuvent être localisés en utilisant cette technique. L'originalité principale du travail proposé est de mesurer des températures élevées (70°C) avec une vitesse de rotation élevée (860 RPM) des machines tournantes et surtout d'intégrer le capteur FBG dans un rotor électrique de véhicules à petite échelle géométrique. La réponse du capteur FBG a été simulée en utilisant la méthode de la matrice de transfert (TMM). Ensuite, le FBG a été calibré en utilisant un four de chauffage fabriqué dans notre laboratoire et la température a été modifiée de 20 °C à 70 °C. Une machine rotative avec un FBG intégré a ensuite été conçue et fabriquée. La température du rotor a été modifiée pendant la rotation de la machine. Les décalages de longueur d'onde dus aux variations de température ont été mesurés expérimentalement jusqu'à 860 RPM. Une sensibilité à la température de 4.7 pm/°C a été atteinte expérimentalement. La capacité de ce capteur à surveiller les variations de température du rotor en temps réel a été validée expérimentalement.

In the transportation system domain, heating problems appear with the temperature increase in different types of electrical machines. In the classical design of electrical machines, thermal analysis should be considered in the initial design, control and monitoring of electrical machines. The measurement of local temperature especially in the rotor is important for several reasons such as extending the lifetime of the electrical machine components, and localizing the hot spots inside the machine which allows the development of appropriate cooling systems and protects the machine. Numerous approaches for temperature measurement can be used such as thermocouples, thermistors, infrared sensors or infra-red cameras. This thesis presents a non-contact technique that measures the temperature of the rotor of a small machine using Fiber Bragg Gratings (FBGs) sensor. Monitoring local temperature especially inside the rotor is important in order to detect early thermal aging of the machine. Hot spot in the rotating parts can be localized by using this technique. The main originality of the proposed work is measuring high temperatures (70°C) with high speed of rotation (860 RPM) of rotating machines and most importantly integrating the FBG sensor into a geometrically small scale electrical rotor of vehicles. The FBG sensor response has been simulated using Transfer matrix method (TMM). After that, the FBG has been calibrated from 20 °C to 70 °C using a heating furnace fabricated at our laboratory. A small rotating machine with embedded FBG has then been designed and fabricated. The temperature of the rotor has been changed while rotating the machine and wavelength shifts due to temperature variations have been experimentally measured up to 860 RPM. A temperature sensitivity of 4.7 pm/°C have been experimentally reached. The ability of this sensor to monitor real time temperature variations of the rotor has been experimentally validated.