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 est validé par des logiciels de calculs par éléments finis mais aussi par des mesures expérimentales sur prototypes. Ces derniers utilisent l’impression 3D pour un prototypage rapide. Le modèle développé est utilisé dans un processus d’optimisation paramétrique. 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. The disadvantage 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 is validated by finite element software and experimental measurements on prototypes. The latter use 3D printing for rapid prototyping. The developed model is used in a parametric optimisation process. This enables the prototypes to be improved and an motor to be sized to meet the specifications for a drone application. |