Micro-hybridation de turboréacteur : la solution à réluctance variable

04/10/2018
Publication 3EI 3EI 2018-94
OAI : oai:www.see.asso.fr:1044:2018-94:23555
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Micro-hybridation de turboréacteur : la solution à réluctance variable

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Micro-hybridation de turboréacteur : la solution à réluctance variable La Revue 3EI n°94 Octobre 2018 Thème 39 Micro-hybridation de turboréacteur : la solution à réluctance variable ALEXANDRE GIRAUD1 , IOAV RAMOS1 , BERTRAND NOGAREDE1 1 NOVATEM SAS, Toulouse, France, www.novatem-sas.com 1. Introduction L’électrification des aéronefs et engins volants est un enjeu majeur car elle permet un gain de masse important, induisant donc un gain économique mais également écologique en réduisant la consommation de carburant et l’impact sur l’environnement [1]. L’utilisation de l’énergie électrique permet également une rationalisation de la consommation d’énergie en simplifiant la gestion de la puissance embarquée. C’est dans ce contexte qu’une hybridation de turboréacteur de faible poussée est proposée ici. Hybrider un turboréacteur de vecteur doit tout d’abord permettre de limiter la consommation de carburant, particulièrement lors son démarrage, tout en assurant la disponibilité de la puissance électrique et sa génération via des machines électriques intégrées aux propulseurs [2]. Ainsi, pour répondre à ces deux problématiques, une solution optimale et élégante est proposée : un système électrique à base d’un alterno-démarreur permettant les deux fonctions, démarrage et génération électrique avec une seule machine tournante, entraînant un gain de masse et de coût, et une réduction du nombre de composants. 2. Conception de l’alterno-démarreur 2.1. Choix de topologie de machines électriques Exploitant l’interaction d’une source aimantée de manière permanente, généralement disposée au rotor, avec un champ tournant produit au stator, la machine à aimants permanents constitue une solution largement développée dans le monde aéronautique. Ses principaux avantages tiennent à la compacité de son inducteur (la densité d’énergie magnétique des aimants terres rares est supérieure à 200 kJ.m-3 comparé à une solution bobinée), conduisant à des performances très attractives en termes de couple massique et de rendement notamment. Mise à part la dépendance stratégique qu’introduit cette technologie (la Chine contrôle la production de 15 minerais dont 97% des terres rares [4]), les machines à aimants ne sont pas nécessairement adaptées à l’application à double fonction visée. Il s’agit en effet de concilier, au sein d’une même structure électromagnétique, un besoin en flux élevé à basse vitesse (afin de maximiser le couple disponible pour le démarrage) avec une limitation de la force électromotrice induite à haute vitesse (afin de ne pas trop contraindre le dimensionnement de l’électronique de puissance). En outre, en mode générateur il n’y a aucun moyen d’action simple permettant de couper le courant de défaut engendré par un court-circuit total ou partiel au sein du bobinage statorique en raison du flux magnétique permanent. Basé sur un principe « d’aimantation induite » des plots ferromagnétiques constituant son rotor sous l’effet du champ produit au stator [5], la machine à réluctance variable constitue une alternative tout à fait séduisante à la solution à aimants permanents. En effet, la polarisation à saturation des pôles rotoriques permet d’exploiter un champ d’entrefer sensiblement plus élevé que dans le cas de l’inducteur à aimants terres rares (gain théorique de l’ordre de 30 à 50 %), conduisant à une amélioration sensible des performances en termes de couple massique. S’agissant de l’application ciblée, la simplicité structurelle de son rotor monobloc (aptitude naturelle au fonctionnement à haute vitesse), associée aux fonctionnalités qu’autorise cette technologie en termes de contrôle-commande (par Résumé : Cet article présente l’hybridation électrique d’un turboréacteur de faible poussée à l’aide d’un alterno-démarreur. Ce dernier doit à la fois assurer le démarrage de la machine et la génération de puissance électrique à bord. L’environnement fortement contraint, les besoins en vitesse (>50 000 rpm) ainsi que la réversibilité de la machine électrique ont amené NOVATEM à développer une machine électrique spécifique. Cette machine a été conçue et optimisée avant d’être testée sur banc spécifique. Les principales étapes de son développement sont ici présentées. Abstract: This article presents the electrical hybridization of a low-thrust turbojet engine using a starter- generator. The latter must both ensure the starting of the engine and the generation of the onboard electrical power. The highly constrained environment, the speed requirements (>50 000 rpm) and the reversibility of the electrical machine led NOVATEM to develop a specific electrical machine. This machine was designed and optimized and then tested on a specific test bench. The main stages of the starter-generator development are presented in this article. Mots-clécs : Machine à réluctance variable, hybridation électrique, turboréacteurs, alternateur Micro-hybridation de turboréacteur : la solution à réluctance variable La Revue 3EI n°94 Octobre 2018 Thème 40 réglage des créneaux de courants d’alimentation en amplitude et en phase), s’avèrent particulièrement bien adaptées au double objectif de performance recherché à basse et haute vitesse. 2.2. Développement de l’alterno-démarreur La machine est dimensionnée par la fonction moteur (fonction démarreur) : la machine doit délivrer un couple de 2,5 Nm jusqu’à 10 000 tr/mn, et une puissance d’environ 3 kW jusqu’à 25 000 tr/mn dans un encombrement de 75 mm en diamètre et de moins de 50 mm en longueur. L’encombrement est ici essentiel car cette machine est montée dans le carter d’entrée d’air directement sur l’arbre machine, comme visible en vert sur la Figure 1. Figure 1 : Alterno-démarreur sur l'arbre machine La fonction alternateur doit pourvoir amener la machine jusqu’à 60000 tr/min. La figure 2 présente des photos d’un des prototypes réalisés avec le stator bobiné et enrobé, ainsi que le rotor, directement monté sur l’arbre machine du turboréacteur Figure 2 : Gauche: Stator bobinée et enrobé - Droite : rotor monté sur l'arbre turbomachine 3. La problématique du capteur de position Les contraintes d’intégration de la machine électrique au sein du turboréacteur interdisent le plus souvent de recourir à un capteur de position externe pour l’autopilotage des commutations de la machine électrique. A cette fin, NOVATEM a développé une solution de capteur directement intégré dans le bobinage permettant un contrôle précis et adaptatif des angles de commutation de la machine. La solution développée présente l’avantage de ne pas augmenter le volume des parties actives de la machine électrique, tout en fournissant une information suffisamment précise (< 1°) position du rotor pour piloter la machine à réluctance de la manière la plus performante possible en mode moteur ou alternateur. Ce procédé a fait l’objet d’une protection par brevet [6]. 4. Test et conclusion Des mesures de puissance et de pertes ont été réalisées avec un banc d'essai hautes vitesses (entre 5000 tr/min et 60000 tr/min). Les pertes fer sont déduites des mesures de pertes mécaniques et électriques. Pour un des premiers des prototype (n°1), l’évolution des pertes fer en fonction de la vitesse est illustrée sur la Figure 3. Cette courbe témoigne manifestement d’un défaut au sein de la machine. En effet, les pertes fer atteignent, 690 W à 60000 tr/min ! L’analyse détaillée de ces pertes a conduit à incriminer l’isolement inter-tôles au sein du circuit magnétique rotorique. Ces courts- circuits étaient notamment provoqués par la découpe laser des tôles, entrainant des chemins de conductivité superficielle à la périphérie du rotor. Pour remédier à cela, NOVATEM a mis en œuvre un nouveau procédé de réalisation du basé sur la découpe par électroérosion. Grâce à un paramétrage optimisé de la machine de découpe au fil (réalisé dans les ateliers de NOVATEM), les pertes fer ont été ramenées à des niveaux satisfaisants dans un second prototype (n°2), comme visible sur la Figure 3. Figure 3 : Évolution des pertes fer avec la vitesse selon deux procédés de réalisation Grâce à ces travaux, les derniers prototypes d’alterno- démarreur réalisés par NOVATEM et intégrés au sein des turbomachines, présentent des performances tout à fait prometteuses, alliant une grande compacité (puissance massique 3,3 kW/kg) pour un rendement à faible vitesse supérieur à 80 %. 5. Références [1] Aldo BOGLIETTI, Andrea CAVAGNINO, Alberto TENCONI, Silvio VASCHETTO et Politecnico di TORINO, The safety critical electric machines and drives in the more electric aircraft: A survey. In Industrial Electronics, 2009. IECON’09. 35th Annual Conference of IEEE, pages 2587– 2594. IEEE, 2009. [3] Etienne FOCH : L’avion tout électrique, une rupture technologique crédible. Revue 3 EI, (64):6–9, 2011. [4] David L. An., Critical Rare Earths, National Security, and U.S.-China Interactions: A Portfolio Approach to Dysprosium Policy Design. Santa Monica, CA: RAND Corporation, 2015. [5] Bertrand NOGAREDE, Electrodynamique appliquée, Dunod, 2007. [6] Demande de brevet déposée par BNCE NOVATEM n°PCT/FR2014/052227 du 09/09/2014