Contribution à la modélisation du champ magnétique à vide de moteurs sans fer : applications aux dimensionnements de moteurs à flux axial sans fer pour drones

Contribution to the modelling of the ironless motors open circuit magnetic field : applications to the sizing of ironless axial flux motors for UAVs

• Auteur / Autrice : Maxime Bonnet
• Direction : Yvan Lefèvre, François Defaÿ
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie Electrique
• Date : Soutenance le 22/11/2021
• Etablissement(s) : Toulouse, INPT
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Génie électrique, électronique, télécommunications et santé : du système au nanosystème (Toulouse ; 1999-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Plasma et Conversion d'Energie (Toulouse ; 2007-....)
• Jury : Président / Présidente : Carole Hénaux
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Yvan Lefèvre, François Defaÿ, Frédéric Messine
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Georges Barakat, Jean-Frédéric Charpentier

Mots clés

Mots clés contrôlés

Optimisation mathématique

Drones

Moteurs électriques

Mots clés libres

Moteurs électriques

Moteurs sans fer

Modèles de calculs

Dimensionnements

Optimisation

Drones

Electric motors

Ironless motors

Calculation models

Sizing

Optimisation

Drones

Résumé

Les machines électriques sont généralement composées des trois éléments principaux suivants : aimants, bobines et fer pour les culasses magnétiques. Certains types de moteurs électriques fonctionnent sans aimants (réluctance variable, synchrone à rotor bobiné ou asynchrone à rotor massif). D’autres types de machines peuvent fonctionner sans fer. Les moteurs sans fer présentent des avantages tels que la réduction de masse, un rendement amélioré et moins de vibrations mécaniques (type couple d’encochage). L’utilisation de ces moteurs est donc réservée à des applications tirant pleinement bénéfices de l’absence de fer. L’une de ces applications est la propulsion électrique de drone. Les moteurs sans fer ont pour inconvénients d’avoir des performances électromécaniques inférieurs aux moteurs avec fer. Ce qui peut être atténué par un processus d’optimisation qui s’appuie sur des modèles à définir. Cette thèse présente le dimensionnement d’un moteur à flux axial sans fer, directement connecté à l’hélice d’un drone. Ce dimensionnement s’appuie sur l’élaboration d’un modèle du champ magnétique à vide basé sur les formulations intégrales du champ. À l’aide du formalisme des éléments finis et de la prise en compte des symétries et géométries du moteur, le calcul du champ à vide a été grandement accéléré en vue d’une optimisation. Un modèle de dimensionnement direct est mis en place à partir de ce modèle de champ à vide pour calculer les performances de ce type de moteur. La rapidité et la précision du modèle proposé sont validées par des logiciels de calculs par éléments finis mais aussi par des mesures expérimentales sur prototypes. L’impression 3D est utilisée pour un prototypage rapide. Le modèle développé est implémenté dans un processus d’optimisation paramétrique. Cette implémentation prouve que le modèle développé remplie ses deux principales objectives : précision et rapidité. Cela permet d’améliorer les prototypes et de dimensionner un moteur répondant à un cahier des charges pour une application drone.

Electric machines generally consist of the following three main components: magnets, coils and iron for magnetic yokes. Some types of electric motors operate without magnets (switched reluctance, synchronous with wound rotor or asynchronous with solid rotor). Other types of machines can operate without iron. Ironless motors have advantages such as mass reduction, improved efficiency and less mechanical vibration (cogging torque type). The use of these motors is therefore reserved for applications that take full advantage of the absence of iron. One such application is the electric propulsion of UAVs. One of the main drawback of ironless motors is that their electromechanical performance is inferior to that of motors with iron. This can be mitigated by an optimisation process based on models to be defined. This thesis presents the design of an ironless axial flux motor, directly connected to the propeller of an UAV. This design is based on the development of an open circuit magnetic field model based on integral field formulations. Using the finite element formalism and taking into account the symmetries and geometries of the motor, the calculation of the open circuit field has been greatly accelerated for optimisation. A direct sizing model is implemented from this open circuit field model to calculate the performance of this type of motor. The speed and accuracy of the proposed model are validated by finite element software and experimental measurements on prototypes. 3D printings are used for rapid prototyping. The developed model is implemented in a parametric optimisation process. This implementation shows that the developed model fullfill its two mains goals: accuracy and rapidity. It enables the prototypes to be improved and a motor to be sized to meet the specifications for a drone application.