Après les succès industriels et environnementaux de l'hybridation du transport ferroviaire, l'hybridation du transport aérien est de plus en plus envisagée. Dans ce contexte, l'union européenne, en partenariat avec les industriels aéronautiques a lancé en 2014, un grand programme de recherche intitulé "Clean Sky2" visant à réduire la consommation de carburant et les niveaux de bruit. Plusieurs projets ont été lancés dans ce programme de recherche, parmi eux: Academic reSearch on Thermal & Electric Components & Systems" le projet HASTECS". Dans ce projet, la réduction estimée de la consommation de carburant pour un vol à courte distance serait de 3,5 % si la puissance spécifique des machines électriques et des convertisseurs statiques est augmentée respectivement à 5 kW/kg et 15 kW/kg pour 2025, et pour 2035 à 10 kW/kg et 25 kW/kg. Ces objectifs sont supérieurs à la puissance spécifique actuellement atteinte par les machines électriques industrielles et les convertisseurs de puissance. En effet, la puissance spécifique est limitée par certaines limitations qui dépendent des propriétés des matériaux concernés et des conditions environnementales telles que : les limitations thermiques et le risque de décharges partielles. Pour atteindre les puissances spécifiques visées, par exemple dans les machines électriques, les charges mécaniques, électriques et magnétiques liées aux matériaux et aux technologies de refroidissement doivent être augmentées. Toutefois, compte tenu des limitations et des contraintes environnementales, le choix des charges doit être adéquat. Par conséquent, il est important de développer des modèles et des outils permettant d'évaluer les technologies actuelles et futures qui permettent d'atteindre les objectifs d'HASTECS.La présente thèse se concentre sur le développement de modèles et d'outils permettant de satisfaire les objectifs d'HASTECS concernant uniquement les machines électriques, y compris leurs systèmes de refroidissement. Il existe plusieurs topologies de machines électriques différentes. Réaliser pour chaque topologie de machine électrique un modèle permettant d'identifier les technologies les plus prometteuses est une tâche très complexe et laborieuse. Néanmoins, un modèle analytique de machines électriques à ondes sinusoïdales non saillantes associé à l’utilisation du concept de charges caractérise un grand nombre de topologies de machines électriques. Basé sur ce modèle, un outil de définition d'objectifs est développé pour évaluer les technologies de moteurs électriques en tenant compte les limites et les contraintes sans spécifier la topologie des moteurs électriques. Par conséquent, très peu de données d'entrée sont nécessaires pour faire des compromis rapides sur les performances des moteurs électriques comme la puissance spécifique et l'efficacité, alors que Target Setting Tool est basée sur d'énormes hypothèses. Pour dimensionner et évaluer le poids du système de refroidissement, le dimensionnement d’une structure du moteur électrique bien définie est inévitable. De plus, les études des lots de travail comme le 2ème, le 5ème et le 6ème sont fortement liées à la topologie du moteur électrique. La topologie du moteur synchrone à aimant permanent monté en surface est une topologie qui satisfait le modèle analytique de Target Setting Tool. Un outil de dimensionnement appelé "SM-PMSM" a été réalisé sur la base de la topologie des aimants permanents montés en surface pour fournir plus de détails d’une part et pour vérifier la validité de Target Setting Tool d’une autre part. Deux dimensionnements de moteurs électriques avec leurs systèmes de refroidissement ont été effectués à l'aide de Target Setting Tool, SM-PMSM et d'autres outils développés par le WP3 pour identifier les technologies requises pour les cibles HASTECS à moyen et long terme. Les dimensionnements effectués à l'aide de ces outils ont été vérifié par analyse par éléments finis. |
After the industrial and the environmental successes of hybridization railways transport, the hybridization of aviation transport is acquiring more and more consideration. In this context, the European Union in partnership with the aerospace manufacturers, has launched in 2014, a largest research program Clean Sky 2 aiming to reduce aircraft fuel consumptions and noise levels. Clean Sky2 research program includes several projects among of them: Academic reSearch on Thermal & Electric Components & Systems "HASTECS project" which aims to identify the most promising technologies and to develop for decreasing the weight and increasing efficiency of hybrid propulsion chain. Indeed, the estimated reduction fuel consumptions for a short range flight would be 3.5% if the specific power of electric machines and power converters including their cooling systems is respectively increased to 5kW/kg and 15kW/kg for 2025, and for 2035 respectively increased to 10kW/kg and 25kW/kg. These targets are higher than currently achieved specific power of the industrial electric machines and power converters. Indeed, specific power is limited by some limitations which depending on the involved material properties and by environment conditions such as: thermal limitations and partial discharges risk. For reaching targeted specific powers for instance in electric machines, the mechanical, electrical and the magnetic loads linked to the materials and cooling technologies must be increased. However, considering the limitations and the environment constraints, choice of loads should be adequate. Therefore, it is important to develop models and tools allowing to assess the actual and the future technologies which allow to achieve the HASTECS targets.The present thesis focuses to the development of models and tools for satisfying the HASTECS targets about only the electric machines including their cooling systems. There are several different electric machine topologies. Performing for each electric machine topology a model for identifying the most promising technologies is a very complex and laborious task. Nevertheless, an analytical model of non-salient sinewave electric machines associated to loadability concepts characterizes a quite lot of electric machine topologies. Based on it, a Target Setting Tool is developed for assessing electric motor technologies considering limits and constraints while without specifying the electric motor topology. Therefore, very few input data are required to make quick trade-offs on electric motor performances as specific power and efficiency whereas Target Setting is based on huge assumptions. For assessing cooling system weight, sizing specified structure of electric motor is unavoidable. Moreover, studies of work packages as the 2nd, 5th and 6th are strongly linked to the electric motor structure. Surface Mounted Permanent Magnet Synchronous Motor topology is one of electric motor topology which satisfies the analytical model of Target Setting Tool. A sizing tool called "SM-PMSM" has been carried out based on Surface Mounted Permanent Magnet topology for providing more details and for checking the Target Setting Tool validity. Two sizing electric motors with their cooling systems were carried out using Target Setting Tool, SM-PMSM and others tools performed by WP3 to identify the required technologies for the medium (2025) and long (2035) term HASTECS targets. The sizing using these tools was checked by finite element analysis. |