Amélioration des performances des actionneurs électriques embarqués par une optimisation de la contrainte thermique

Performance Improvement of Embedded Electric Actuators by means of a Thermal Management Optimisation

• Auteur / Autrice : Francesco De Giorgi
• Direction : Marc Budinger, Jean-Charles Maré, Ion Hazyuk
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie mécanique, mécanique des matériaux
• Date : Soutenance le 28/06/2021
• Etablissement(s) : Toulouse, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : ICA - Institut Clément Ader - Institut Clément Ader / ICA
• Jury : Président / Présidente : Christian Ghiaus
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marc Budinger, Jean-Charles Maré, Ion Hazyuk, Lawson Craig, Susan Liscouet-Hanke, Bruno Sareni, Jérôme Pailhes
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Lawson Craig, Susan Liscouet-Hanke

Mots clés

Mots clés contrôlés

Thermique

Mots clés libres

Ema

Mdo

Gestion thermique

Modèles surrogates

Systemes de refroidissement

Moteur électrique

Ema

Mdo

Thermal management

Surrogate models

Cooling system

Electric motor

Résumé

Le problème de la gestion thermique est l'un des derniers verrous à l'utilisation d'actionneurs électriques pour les applications de commandes de vol primaires, car leurs performances et surtout leur fiabilité dépendent fortement de la température de fonctionnement. Jusqu'à présent, les technologies hydrauliques permettaient d'évacuer l'excès de chaleur par le réseau hydraulique. Le problème était délocalisé et des échangeurs de chaleur étaient utilisés pour refroidir le fluide hydraulique. L'électrification croissante des avions pousse à la suppression du réseau hydraulique et, par conséquent, le fluide hydraulique ne sera plus disponible comme moyen de transport et de dissipation de la chaleur générée par les actionneurs. De nouvelles solutions de gestion thermique permettant de traiter la charge thermique des composants à un niveau local sont nécessaires. Plusieurs études se sont spécifiquement penchées sur ce sujet, qui ont fourni des solutions potentielles efficaces pour la gestion thermique des actionneurs électriques embarqués. Cette thèse se concentre principalement sur un sujet qui n'a pas encore été complètement exploré dans la littérature, qui concerne la conception optimale et le couplage de telles solutions avec le système d'actionnement En effet, si ces solutions sont intégrées de manière optimale lors de la phase de conception préliminaire de l'actionneur, elles peuvent apporter non seulement une amélioration des performances du système d'actionnement, mais aussi le développement d'un système plus léger et plus compact, conduisant à des avantages considérables au niveau de l'avion. L'objectif de cette thèse est de fournir des méthodes et des outils efficaces adaptés à la conception préliminaire d'actionneurs électriques, avec une attention particulière à la gestion thermique. La première partie de la thèse concerne l'identification de solutions potentielles de gestion thermique. Les systèmes de gestion thermique tels que les échangeurs de chaleur à ailettes, les caloducs, les bandes thermiques et les matériaux à changement de phase sont étudiés. La deuxième partie de la thèse concerne la mise en œuvre d'une procédure pour la conception préliminaire optimale du système couplé composé de l'actionneur et de son dispositif de gestion thermique associé. Tout d'abord, des modèles d'estimation sont générés afin d'estimer les dimensions et les performances des dispositifs de refroidissement et des composants de l'actionneur. À ce sujet, une nouvelle méthodologie pour obtenir des modèles de substitution plus simples et plus légers est proposée. Ensuite, la procédure de conception préliminaire est définie par le biais d'une optimisation multidisciplinaire de la conception du système en vue de minimiser la masse et de satisfaire les contraintes thermiques. Deux approches différentes pour le dimensionnement du système d'actionnement sont proposées. La première approche consiste à effectuer la conception préliminaire sur la base de spécifications statiques extrapolées à partir du profil de la mission. Cette approche permet une estimation rapide des dimensions et des performances de l'actionneur, mais ne garantit pas une dynamique thermique optimale sur toute la durée du vol. La seconde approche, plus coûteuse d'un point de vue computationnel, consiste à intégrer le profil de mission dans la conception préliminaire, permettant ainsi la réalisation d'un système qui assure une dynamique thermique optimale le long du profil de mission. En se basant sur l'étude de cas d'un Airbus A320 et en se référant à un actionneur électromécanique, les approches proposées sont appliquées ici pour réaliser la conception préliminaire de l'ensemble des gouvernes primaires : Aileron, Rudder et Elevator. Une comparaison quantitative des concepts de gestion thermique les plus appropriés est effectuée pour chacune de ces applications.

Thermal management issue is one of the remaining barriers to the use of electrical actuators for primary flight control applications, as their performance and especially their reliability is highly dependent on the operating temperature. Until now, hydraulic technologies have allowed excess heat to be evacuated through the hydraulic network. The problem was relocated and heat exchangers were used to cool the hydraulic fluid. The increasing electrification of aircraft pushes toward the suppression of the hydraulic network and, as a result, the hydraulic fluid will not be available as a convenient means of transporting and dissipating the heat generated by the actuators. New thermal management solutions for dealing with the component heat load at a local level are needed. Several studies have looked specifically to this purpose, which provided efficient potential solutions for the thermal management of electrical flight actuators. This thesis mainly focuses on a topic that has not yet been fully explored in the literature, which concerns the optimal design and coupling of such solutions with the actuator system. In fact, if these solutions are optimally integrated during the preliminary design phase of the actuator, they can provide not only an improvement in the performance of the actuation system, but also the development of a lighter and more compact system, leading to considerable advantages at aircraft level. The objective of this thesis is to provide effective methods and tools suited for the preliminary design of electrical actuators, with a particular attention to the thermal management. The first part of the thesis concerns the identification of potential thermal management solutions. Thermal management systems such as plate fin heat exchanger, heat pipes, thermal straps and phase change materials are investigated. The second part of the thesis regards the implementation of a procedure to optimally preliminary design the coupled system composed by the actuator and its associated thermal management device. Firstly, estimation models are generated in order to estimate the dimensions and performance of cooling devices and actuator components. To this purpose, a new methodology for obtaining simpler and lighter surrogate models is proposed. Subsequently the preliminary design procedure is defined via a Multidisciplinary System Design Optimization with a view focused on the mass minimization and thermal constraints satisfaction. Two different approaches for sizing the actuation system are proposed. The first approach consists of performing the preliminary design on the basis of static specifications extrapolated from the mission profile. This approach allows a rapid estimation of the actuator dimensions and performance, but does not guarantee optimal thermal dynamics over the entire flight duration. The second approach, more expensive from a computational point of view, consists in integrating the mission profile in the preliminary design, thus allowing the realisation of a system which ensures an optimal thermal dynamic along the mission profile. Based on the case study of an Airbus A320 and referring to an electro-mechanical actuator, the proposed approaches are applied here to conduct the preliminary design for the whole set of primary flight control surfaces: Aileron, Rudder and Elevator. A quantitative comparison of the most suitable thermal management concepts is made for each of these applications.