Enjeux de la modélisation et de la conception des
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1. SCIENTIFIQUE Actionneurs lectriques pour l entrainement a vitesse variable Dans les actionnements lectriques l organe principal est un moteur lectrique g n ralement associ une alimentation lectronique et un dispositif de commande lectronique Ces moteurs sont utilis s depuis plus d une centaine d ann es dans des applications industrielles tr s diverses Pour faire le choix des moteurs lectriques dans les syst mes embarqu s pour l a ronautique nous allons examiner leurs caract ristiques sp cifiques avec le recul et l exp rience ainsi accumul e Les moteurs les plus utilis s pour les applications industrielles n cessitant un entra nement lectrom canique vitesse variable sont les moteurs courant continu les moteurs asynchrones les moteurs a reluctance variable les moteurs synchrones a rotor bobin les moteurs synchrones a aimants permanents Moteurs a courant continu Ce sont les moteurs courant continu qui ont t les plus utilis s pour les applications n cessitant un entra nement lectrom canique a vitesse variable en raison de la qualit d entrainement qu ils offrent et leur co t de reviens initial tr s bas Le couple est produit par l interaction d un champ inducteur et un champ induit en quadrature les deux champs sont tout le temps d phas s d un angle constant r glable de mani re a produire le couple par ampere maximal Le champ indu2. P les saillants au stator et au rotor Fig 15 Moteur a reluctance variable double saillance de type 6 4 6 Les avantages du MRV sont dus sa construction simple en particulier du fait que son rotor ne comporte ni de bobinage ni d aimants son co t de reviens et son co t de maintenance faibles un rapport couple inertie tr s lev son couple lev a des vitesses mod r es et un temps de r ponse peu lev Il peut tre appliqu dans des applications entra nement direct avec toutefois une alimentation lectronique plus complexe Il a un rendement tr s lev et du fait que son rotor ne comporte pas de bobinage l vacuation des calories dues uniquement aux pertes joules des enroulements statoriques se fait beaucoup mieux que dans les moteurs o le rotor comporte des conducteurs ou des aimants permanents Le moteur reluctance variable s est surtout impos dans le domaine des actionneurs pas pas pilot en boucle ouverte Son champ applicatif est vaste dans le domaine des petites puissances Dans la gamme des moyennes puissances 1l est surtout concern par quelques applications en haute vitesse conditionnement d air centrifugeuse L inconve nient principal est la n cessit de polariser le rotor ce qui n cessite une puissance r active lev et d t riore le facteur de puissance d o un surdimensionnement du convertisseur statique d alimentation C6E2 WP2 ENSEEIHT LAPLACE GR
3. Performances de moteurs synchrone inducteur bobin 6 Pour le rotor deux configurations sont envisag es un rotor p les saillants pour lequel les bobines inductrices sont mont es autour de noyaux polaires massifs ou feuillet s ou un rotor p les lisses pour lequel le bobinage est log dans les encoches pratiqu es dans la masse du rotor Fig 17 Le fait d avoir un rotor bobin offre la possibilit de r gler le flux inducteur ce qui est atout formidable pour certaines applications comme la traction lectrique notamment pour faire tourner le rotor au del de la vitesse nominale Cependant le rotor bobin n cessite pour son alimentation un collecteur et des balais Ceci n cessite comme pour le moteur C6E2 WP2 ENSEEIHT LAPLACE GREM3 14 09 2007 Page 17 37 J CENTRE NATIONAL E DE LA RECHERCHE aplace SCIENTIFIQUE gt J courant continu un entretien r gulier augmente l encombrement et diminue la puissance massique du moteur Les rotors p les lisses sont plut t adapt s pour des applications forte puissance et grande vitesse La machine synchrone est surtout utilis e pour la g n ration d lectricit comme alternateur Elle omnipr sente dans les syst mes embarqu s groupe lectrog nes Le fonctionnement en moteur reste comp titif dans la gamme des hautes puissances et hautes vitesses traction ferroviaire grande vitesse compresseurs Le tableau 5 donne quelques performances d
4. Wi EMZ tee ok My Enjeux de la modelisation et de la conception des actionneurs electromecaniques des commandes de vol electrique Objet Rappeler le concept d avion plus lectrique les technologies et les principaux systemes d actuation envisag s les principales caract ristiques des actionneurs lectrom caniques Faire une comparaison de diff rents syst mes d actuation et des diff rents actionneurs lectrom caniques Faire une bibliographie des travaux de recherche et des tudes de faisabilit publi s dans les principales revues internationales sur l utilisation des actionneurs lectrom caniques dans les commandes de vol lectriques D crire une procedure de conception des actionneurs lectrom caniques de l laboration du cahier l utilisation des m thodes d optimisation Conclure sur les mod les laborer Auteurs Yvan LEFEVRE Carole HENAUX Fr d ric MESSINE Bertrand NOGAREDE Nom du projet SIMPA2 C6E2 Lot WP2 C6E2 WP2 ENSEEIHT LAPLACE GREM3 14 09 2007 Page 1 37 Sommaire Introduction Premi re partie Actionneurs lectrom caniques dans les commandes de vol lectriques Les commandes de vol lectriques Les technologies propos es Les avantages attendus Les probl mes attendus Surfaces de commande de vol Les syst mes d actionnement lectriques Actionneurs Electro M caniques EMA Actionneurs Electro Hydraulique EHA Figure comparant EHA ESPA IAP Figur
5. labor des environnements informatiques mettant disposition du concepteur des m thodes locales d optimisation des mod les analytiques de dimensionnement et des mod les num riques de caract risation ou de validation Ces environnements facilitent le passage d une tape l autre du processus de conception et la possibilit d it rer le processus plusieurs fois 38 39 40 Depuis environ 5 ans un logiciel nomm Pro Design a t d velopp par la soci t Design Processing Technologies de Grenoble Il est enti rement d di a la conception d actionneurs lectrom caniques en associant des mod les analytiques et des m thodes d optimisation locales M thodes locales d optimisation et mod les num riques Certains chercheurs ont d s les ann es 1990 associ s ces m thodes d optimisation locales des mod les num riques de type diff rences finies ou elements finis 41 42 A partir du concept de laboratoire num rique de Muller anc tre des environnements informatiques d di s la conception d actionneur Russenschuck a utilis les m thodes de la PNL associ es un mod le num rique en diff rences finies pour optimiser un moteur aimants permanents 43 Suivant les algorithmes employ s l optimisation a n cessit entre 50 et 120 calculs par diff rences finies Ce type d valuations demandait beaucoup de temps l poque Actuellement avec les capacit s de calculs d un ordinateu
6. 1994 pp 1348 1346 vol 2 8 E Levi Recent development in high performance variable speed induction motor drives 6 International Symposium Nikola Tesle 18 20 October 2006 Belgrade SASA Serbia 9 G M Liaw and F J Linn A Robust Speed Controller for Induction Motor Drives IEEE Transactions on Industrial Electronics vol 41 n 3 June 1994 10 I G Hansen Variable Speed Induction Motor Operating from a 20kHz power bus IECEC 1989 pp 561 565 11 S R MacMinn and J W Sember Control Of a Switched Reluctance Aircraft Engine Starter Generator Over a Very Wide Speed Range IEEE IECEC Record 1989 pp 631 638 12 S R MacMinn and W D Jones A very High Speed Switched Reluctance Starter Generator for Aircraft Engine Application IEEE IECEC Record 1989 pp 1758 764 13 J J Gribble et al Feasibilty study of a large switched reluctance spoiler actuator system IEE Colloquium on All Electric Aircraft London 17 June 1998 14 C Cossar et al The Design of a Switched Reluctance Drive for Aircraft Flight Control Surface Actuation IEE Colloquium Electrical Machines and Systems for the More Electric Aircraft London UK 9 Nov 1999 15 K Atallah et al Comparison of electrical drive technologies for aircraft flight control surface actuation 9 International Conference on Electrical Machine and Drives Conference publication n 468 IEE 1999 16 P M Churn et al Electro
7. S lection du nombre de p les 5 S lection du nombre d encoches stator et du nombre de phases 6 Faire un dimensionnement rapide estimation 7 Calcul de l entrefer et de la reluctance magn tique 8 Calcul des dimensions du rotor et du flux par pole 9 Calcul des dimensions du stator 10 Calcul du nombre de spires et de conducteurs 11 Dimensions du bobinage estimation de la r sistance et de l inductance de chaque phase 12 Estimation des performances 13 Modifier les dimensions jusqu ce que les performances soient atteintes Choix des types des structures et des configurations d actionneur Un cahiers des charges peut contenir jusqu 24 types de sp cifications diff rentes allant des normes en vigueur jusqu au niveau maximal de vibrations ou des types de protection souhait s en passant par la d finition du type d alimentation ou les caract ristiques de la charge m canique 1 Normes nationales internationales ou industrielles US EC 2 Puissance ou couple nominal fonctionnement en continue 3 Puissance ou couple maximale fonctionnement transitoire ou intermittent 4 Vitesse maximale 5 Rotation horaire et ou anti horaire 6 Fonctionnement moteur et freinage 7 Niveau des tensions d alimentation 8 Fr quence des tensions d alimentation 9 Type de r gulation couple vitesse poistion 10 Pr cision et bande passante de la boucle ferm
8. e 11 Programmable profil des mouvements rampe de d marrage et de freinage 12 Sp cification sur les acc l rations d marrage plus ou moins douce 13 Interface RS232 IEEE488 control distance Sp cifications face avant 14 Sp cifications dynamique couple inertie acc l ration d c l rations 15 Avec ou sans r ducteur 16 Caract ristiques du refroidissement T d entr e et de sortie d bit air huile eau C6E2 WP2 ENSEEIHT LAPLACE GREM3 14 09 2007 Page 28 37 Wi EMZ tee ok My 17 Caract ristiques de l environnement poussi re gaz produits chimiques 18 Niveau de bruit acoustique 19 Niveau d harmoniques CEM 20 Sp cifications des garanties 21 Maintenance et pi ces d tach es 22 Manuel d utilisation et de r paration 23 Sp cifications des niveaux de vibration admissibles 24 Protection par rapport aux d fauts protection contre les surtensions ou les surintensit s sous tension l vation de temp rature d fauts de bobinage niveau de vibration A ce stade le concepteur fait appel son expertise et son exp rience pour choisir les diff rents types et structures d actionneur susceptibles d y r pondre On peut ainsi d finir pour un moteur aimants permanents la configuration du moteur un entrefer radial rotor int rieur ou ext rieur ou axial le type d aimants les nombres de phases de p les et d encoc
9. s court circuit s pos s dans les encoches d un empilage de t les ferromagn tiques Il peut tre aussi cage Les enroulements sont alors remplac s par des barres d aluminium ou de cuivre reli s m caniquement et lectriquement a leurs extr mit s par deux anneaux Fig 13 et Fig 14 Anneaux de cortar f Barres de cuivre ou d alumanam s ges des courants duels Fig 14 Photographie d un moteur asynchrone rotor bobin 6 La gamme de puissance des moteurs asynchrones varient de quelques KW quelques MW Les progr s importants en lectronique de puissance et lectronique de commande a permis son d veloppement pour les entra nements vitesse variable Les moteurs asynchrones MA C6E2 WP2 ENSEEIHT LAPLACE GREM3 14 09 2007 Page 13 37 notamment ceux cage se sont impos s dans les applications industrielles n cessitant un entra nement lectrom canique vitesse variable Ils sont consid r s comme robustes bon march et n cessitant tr s peu de maintenance Le principal inconv nient des MA est qu il est impossible d liminer compl tement les pertes au rotor Ceci contribue baisser le rendement global du moteur En particulier les petits moteurs ont un rendement et un facteur de puissance tr s faibles De plus pour ces moteurs la complexit de la commande et le co t des alimentations lectroniques sont des inconv nients en particulier quand des performances dyn
10. Electrohydrostatic Servocontrol A ctuator in normal L EHA in back up operation Servovalv Electrical Accumulator MP Esectronid LL system euer EBHA Motor Electrical Back up Hydraulic dear onan Hydraulic Actuator Fig 4 Probl matique du passage progressif de FBW a PBW en utilisant des EBHA avant les EHA 2 Actionneurs Electro M caniques EMA Les EMA utilisent un embrayage m canique pour actionner une surface de commande de vol Ceci est r alis grace a une boite de vitesse gearbox et selon la m thode d actionnement on peut associer une vis a bille ballscrew pour produire une translation On utilise des entrainements lectriques a vitesse variable compos d un moteur lectrique et d un convertisseur statique Fig 5 Ils peuvent fonctionner directement a partir d une source de tension continue ou moyennant un redresseur a partir d une source de tension alternative Boite de Vitesse Fig 5 Sch ma de principe d un EMA CS Convertisseur statique d alimentation Un EMA peut subir un d faut m canique risque de grippage m canique qui bloque tout son m canisme et qui peut ainsi entra ner des probl mes mettant en danger la s curit de l avion lui m me On peut ajouter des m canismes pour r duire les cons quences d un d faut m canique mais cela entra ne un surplus de masse C est pourquoi dans l tat actuel de la technologie on n envisage pas d
11. du diagnostic en temps r el e l am lioration de la disponibilit et de la fiabilit La distribution de l nergie lectrique est plus simple et permet plus de flexibilit pour reconfigurer le syst me de commande de vol Les MTBF sont am lior s grace la facilit de d lestage des actionneurs d fectueux et de la mise en route des actionneurs lectriques plus disponibles La tol rance aux pannes est am lior e par le concept de dissimilarit hybridation des sources d nergie et des actionneurs La r duction de la masse totale est acquise en rempla ant certains syst mes hydrauliques par des syst mes lectriques 2 Les probl mes attendus Le d veloppement et l adaptation des actionneurs lectriques pour la commande de vol posent un certain nombre de probl mes aux concepteurs de moteur Les sources d nergie lectrique ont une puissance massique plus faible que les sources d nergie hydraulique Ceci est moins important pour des applications n cessitant moins de 2kW Au dessus de 2kW le volume d un g n rateur lectrique peut doubler par rapport son quivalent hydraulique Les actionneurs lectriques modifient d favorablement l environnement thermique dans un avion du fait de l accroissement des sources de chaleur localis es et la r duction du pouvoir de dissipation ou d vacuation thermique Avec l accroissement des utilisateurs d nergie lectrique il sera plus difficile de
12. informatique dans lequel le concepteur trouve les outils de conception tels que les mod les analytiques ou num riques ou les m thodes d optimisation avec une offre de service qui permet de passer d une tape de conception a une autre de mani re quasi instantan e et sans pertes d informations Un effort important a t fait par la communaut lectrotechnique sur la mise au point de mod le analytique de dimensionnement et des mod les num riques ainsi que des passerelles bases sur des m thodes d identification pour d duire les premi res des secondes Plusieurs d lectrotechniciens ont beaucoup investit non seulement dans les m thodes d optimisation d analyses num riques mais aussi dans les outils informatiques tels que la Programmation Orient e Objet pour offrir au concepteur des facilit s lui permettant en un temps de plus en plus r duit de concevoir les actionneurs les plus performants pour une application donn e Cependant 1l reste de r elles difficult s pour automatiser la conception d un actionneur lectrique m me pour des structures d actionneur tr s connu et en apparence peu complexe comme les moteurs aimants permanents la prise en compte de mani re exhaustive des bobinages possibles la prise en compte des pertes par hyst r sis et par courants de Foucault La possibilit d acc der l optimum global avec les mod les les plus s rs c est dire l association des m thodes d optimi
13. maintenir la qualit de l nergie un niveau satisfaisant Les convertisseurs statiques notamment produisent des distorsions dans les courants ou les tensions d alimentation C6E2 WP2 ENSEEIHT LAPLACE GREM3 14 09 2007 Page 4 37 Wi EMZ replace GK My Pour r soudre ces probl mes il faut examiner les avantages et les inconv nients des diff rents syst mes d actionnement lectrique vis a vis de la s curit des performances de la fiabilit et des co ts Actuellement il existe deux principaux syst mes d actionnement EMA et EHA Surfaces de commande de vol Actuellement les avions de ligne civils utilisent l lectricit pour commander les actionneurs hydrauliques Dans le concept d avion plus lectrique les prochaines g n rations d avions civiles embarqueront des actionneurs lectriques associ s des actionneurs hydrauliques classiques Puis progressivement ces actionneurs hydrauliques seront remplac s par des actionneurs lectriques 2 Pour permettre cette volution diff rents progr s ont t faits ces derni res ann es et dont certains sont confirmer la fiabilit et les performances des g n rateurs lectriques la tenue thermique de mat riaux comme les isolants les aimants permanents la qualit des r seaux lectriques embarqu s Au niveau des actionneurs lectriques de progr s importants ont t faits Mais d faut les poursuivre notamment dans la con
14. proche chaque it ration cela occasionne des probl mes de convergence de l algorithme Ces variables enti res peuvent aussi tre impos es par le concepteur ce qui laisse sous entendre qu il y a autant de probl mes d optimisation continus que de combinaisons possibles g n r es par les variables discr tes En g n ral les m thodes locales d optimisation permettent de d terminer les variables continues optimales Le les dimensions quand les variables enti res ou bool ennes Le le type la structure la configuration et la composition sont fix es Ces m thodes sont souvent associ es des mod les analytiques et trouvent g n ralement qu un optimum local partir de la d termination d un dimensionnement initial mais pas uniquement cependant la convergence de la m thode locale choisie d pend fortement de ce point initial Ce dernier peut tre obtenu par exemple partir d une proc dure classique de conception d crite pr c demment Les m thodes d optimisation locales peuvent tre utiles quand le dimensionnement initial peut tre d duit simplement de moteur existant L optimum obtenu d pend du dimensionnement initial choisi et des algorithmes utilis s 37 C6E2 WP2 ENSEEIHT LAPLACE GREM3 14 09 2007 Page 30 37 Wi EM Z Sipati oK Ur Comme un mod le analytique n cessite des hypoth ses simplificatrices 1l faut alors valider le dimensionnement par un mod le num rique Des chercheurs ont
15. une solution r alisable satisfaisant les contraintes 25 Le logiciel a effectu 27 calculs et a fourni 7 solutions faisables ANSYS 9 0 APR 14 2006 16 56 31 OPTIMIZATION xl0 3 Da Di tou wt UH in in en A in 2 BUFFER Set Number Fig 28 Evolution du volume d aimants fonction objective lors des it rations ANSYS 9 0 APR 14 2006 17 00 18 OPTIMIZATION 640 CONTRAIN LOWER 560 UPPER CONTRATN LOWEF UPPEF 480 400 KA 320 XF FE UN ON Il in tn tn 240 ZF amp BUFFER Value 160 3 6 8 8 14 19 2 24 4 set Number Fig 29 Evolution de la contrainte en couple en fonction des it rations Les figures Fig 28 et Fig 29 montrent la convergence de la fonction objectif minimiser et la contrainte de couple abs Cref C lt 0 1 Cref en 27 it rations Cette m thode est sensible au choix de la solution initiale En changeant de 10 les variables de la solution initiale certains variables varient jusqu 20 25 C6E2 WP2 ENSEEIHT LAPLACE GREM3 14 09 2007 Page 33 37 De apnlaee CONCLUSION Le probl me de dimensionnement des actionneurs lectriques s est pos au concepteur d s les d buts de l lectrotechnique 1l y a environ 150 ans Maintenant les proc dures de conception de ces dispositifs sont bien ma tris es Cette ma trise se manifeste ces derni res ann es par les projets d laboration d environnement ou de plate forme
16. EM3 14 09 2007 Page 15 37 nae WE Fig 16 Photographie des composants d un MRV 6 4 Le tableau 4 donne les performances de quelques MRV existant R f rence Puissance Vitesse KW nominale Rocky Mountain 0 46 SR130S ell Rocky Mountain 8 42 SR165L Rocky Mountain SR25L B Tableau 4 Exemples de MRV pour des applications industrielles 6 Moteur synchrone inducteur bobin Le stator d un moteur synchrone est le m me que celui d un moteur asynchrone Le rotor est constitu d un empilement de t les ferromagn tiques qui supporte un bobinage aliment par un courant continu Les courants dans le bobinage statorique cr e un champ tournant Le champ tournant du rotor tourne au synchronisme et avec un d phasage constant par rapport celui du stator Comme ce champ est fixe par rapport au rotor contrairement au cas du moteur asynchrone le rotor tourne au synchronisme C6E2 WP2 ENSEEIHT LAPLACE GREM3 14 09 2007 Page 16 37 ou kof Fig 17 Moteurs synchrones inducteur bobine 6 a rotor p les saillants b rotor p les lisses R f rence Puissance Vitesse Puissance Rendement Application KW nominale massique tr min kW kg General Motors 0 18 0 128 55C4 32S HDY Parker Automation Servomoteur 190J8 150s Parker Automation Usinage grande HWB40HF vitesses 71 85 Leroy Sommer 95 Traction LS315 Leroy Sommer 96 3 Alternateur S12VL85 Tableau 5
17. ES Mat SMN 045224 SMX 1 308 045224 185522 32582 466118 606416 746715 887013 LOA 1 168 1 308 Fig 27 R partition du champ magn tique B Cette m thode d optimisation est une m thode d ordre z ro avanc e car elle utilise seulement les valeurs des variables d pendantes d finissant la fonction objective et les contraintes et non leurs d riv es Ces variables sont remplac es par des approximations au moyen d un ajustement par la m thode des moindres carr s et le probl me d optimisation est alors traduit en un probl me d optimisation sans contrainte utilisant des fonctions de p nalit s La minimisation est alors ex cut e sur la fonction approxim e et p nalis e appel e le sous probl me jusqu ce qu il y ait convergence Puisque cette m thode repose sur l approximation de chaque variable d pendante on peut fournir un certains nombre d chantillons de coupleurs virtuels d finis par 5 variables de dimensionnement Ces donn es pr liminaires peuvent tre automatiquement g n r es partir d une solution initiale fournie par l utilisateur l aide d outils disponibles dans le logiciel Si elles ne sont pas fournies la m thode elle m me les g n rera al atoirement sans beaucoup de garantie quant la C6E2 WP2 ENSEEIHT LAPLACE GREM3 14 09 2007 Page 32 37 INP ENSEEIHT 4 Be oe ern Ken DE LA RECHERCHE E SCIENTIFIQUE SS Laplace d couverte d
18. Environment Modules for Non Specialist Users of EM Software IEEE Transactions on Magnetics vol 30 n 5 September 1994 41 SCHAFER JOTER M MULLER W Optimization of Electrotechnical Devices Using a Numerical Laboratory IEEE Transactions on Magnetics vol 26 n 2 March 1990 42 WATTERSON et al Optimisation of Permanent Magnet Motors Using Field Calculations of Increasing Precision IEEE Transactions on Magnetics vol 28 n 2 March 1992 43 RUSSENSCHUCK S Mathematical Optimization Techniques for the Design of Permanent Magnet Synchronous Machines Based on Numerical Field Calculation IEEE Transactions on Magnetics vol 26 n 2 March 1990 44 BUI X T A Optimisation d actionneurs lectriques l aide d un mod le num rique sous le logiciel ANSYS Multi Physics Rapport de Stage de Master Recherche Universit Paul Sabatier et INP Toulouse Ann e 2005 2006 C6E2 WP2 ENSEEIHT LAPLACE GREM3 14 09 2007 Page 37 37
19. GL ou forte courant grande vitesse pertes excessives dans le rotor et les balais n cessite une source DC courant de demarrage tr s important la r duction de vitesse S d triment du rendement jes pertes posent un d chauffement rotoriques probleme courants de dans les pertes par Foucault aimants co t total plus cher couple a fortes ondulations bruit acoustique lev s mawas facteur de puissance Utilisations en forte puissance 1 100MWY peut tre utilis comme source de puissance r active pour relever le facteur de puissance Servomecamismes des machines outils entrainements de toute sorte applications en traction electrique des moteurs s rie lectrom nager sans r glage de tension par onduleur en traction lectrique TGV Tram des entrainements electriques conomiques a deux vitesses aux faibles puissances appareil enregistreur servomoteur en forte puissance la 2 MW traction lectrique sous marin v hicule dans l lectrom nager accessoires automobiles moteur de traction dans les application de haute vitesse starter g n rateur a bord des avions Tableau 7 Avantages inconv nients et utilisations courantes des moteurs lectriques 6 C6E2 WP2 ENSEEIHT LAPLACE GREM3 14 09 2007 Page 20 37 SE ok Sie E A NT courant continu M s
20. amiques de haut rendement et une large plage de vitesse sont n cessaires Compte tenu des probl mes de tol rance aux fautes les d veloppements r cents concernent les machines asynchrones avec un nombre de phases sup rieur trois Ceci augmente les performances et permet de mieux g rer les pannes du moteur mais complique encore plus la commande et l alimentation lectronique 8 9 10 Le tableau 3 illustre les performances de quelques moteurs asynchrones R f rence Puissance Vitesse Puissance Rendement Application nominale massique kW kg Leroy Sommer FLSOL Sommer LS160M Cantoni SF3115XK2 Cantoni SH560H4C Tableau 3 Moteurs asynchrones pour des applications industrielles 6 Moteurs reluctance variable Le principe des moteurs a reluctance variable repose sur le fait qu un corps ferromagn tique se polarise magn tiquement dans un champ magn tique d origine ext rieur Le corps polaris se comporte alors comme un aimant tant que le champ magn tique persiste Dans un moteur a reluctance variable MRV le champ magn tique externe est g n r par un stator comportant un bobinage polyphase Le corps ferromagn tique en constitue le rotor Il est fait d un empilement de t les ferromagn tiques formant une structure dent e dont l ordre de sym trie est diff rent de celle du stator Fig 15 et Fig 16 C6E2 WP2 ENSEEIHT LAPLACE GREM3 14 09 2007 Page 14 37 3 tante S SS KT
21. ar rapport aux autres moteurs L usure de celui ci et des balais doit tre limit par un entretien r gulier En g n ral un moteur a courant continu est plus lourd et plus encombrant que les autres moteurs de performances quivalentes Les progr s en lectronique de puissance ont permis de munir les C6E2 WP2 ENSEEIHT LAPLACE GREM3 14 09 2007 Page 12 37 CENTRE NATIONAL E DE LA RECHERCHE aplace SCIENTIFIQUE autres moteurs d un commutateur lectronique sans balais brushless beaucoup plus souple et n cessitant moins de maintenance permettant ainsi un couple massique plus important et une fiabilit am lior e Le tableau 1 donne les performances de quelques moteurs industriels existants Moteurs asynchrones Le moteur asynchrone est le plus utilis de tous les moteurs a courants alternatifs en raison de sa r putation de solidit et de robustesse ainsi que de son co t de reviens relativement mod r Les enroulements polyphas s du stator produisent un champ tournant Les courants dans les enroulements mobiles du rotor sont produits par induction lectromagn tique Ces courants leur tour produisent un champ tournant Pour produire un couple 1l faut que ces deux champs soient au synchronisme et tourne avec un d phasage constant Pour cela le rotor tourne une vitesse l g rement inf rieure la vitesse de synchronisme Le rotor peut tre bobin Dans ce cas il est constitu d enroulements polyphas
22. ception et la mod lisation des r seaux embarqu s des actionneurs lectriques et des alimentations par lectronique de puissance Ceci permettra de minimiser leur chauffement am liorer leur tenue en temp rature augmenter leur compatibilit lectromagn tique et leur tol rance aux pannes Au niveau des commandes de vol les actionneurs lectriques sont potentiellement capables d actionner les surfaces suivantes le ou les gouvernails de direction rudders les gouvernes de profondeur elevators les plans horizontaux r glables trimmable horizontal stabilizer les ailerons les volets Flaps ou les becs slats Trimmable Horizontal Stabilizer 2 Rudders Elevators o xe 3 Ailerons es Fig 1 Les surfaces mobiles pour contr ler le vol d un avion de ligne 2 C6E2 WP2 ENSEEIHT LAPLACE GREM3 14 09 2007 Page 5 37 3 Les syst mes d actionnement lectriques La plupart des avions civiles actuels fonctionnent avec des actionneurs hydrauliques command s lectriquement de technologie FBW Fly By Wire Pour la technologie PBW Power By Wire deux principales familles d actionneurs lectriques sont actuellement envisag es les EHA les actionneurs lectro hydrauliques les EMA les actionneurs lectrom caniques Les EMA sont potentiellement plus int ressantes que les EHA car ils ne comportent pas de syst mes hydrauliques Cependant les EHA son
23. cteur est produit par les enroulements fixes du stator Le champ induit est produit par les enroulements mobiles du rotor Fig 11 et Fig 12 Pour garder un d phasage constant entre les deux champs on utilise un commutateur lectrom canique constitu d un collecteur et de balais brush en anglais Les deux armatures sont aliment es par des courants continus L inducteur peut tre remplac par des aimants ete _ bainis DO eCHEL 1 entrelee Fig 11 Sch ma de principe d un moteur courant continu 6 coupe transversale a et coupe longitudinale b C6E2 WP2 ENSEEIHT LAPLACE GREM3 14 09 2007 Page 11 37 INP ENSEEIHT w CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHE aplace a Fig 12 Photographie montrant la structure d un moteur a courant continu de ABB 6 R f rence Puissance Vitesse Puissance Rendement Application kW nominale massique tr min kW kg Servomoteur RX630E ADT5 1050 MC235 519A Robicon traction GH250X ASI Tableau 2 Moteurs a courant continu pour des applications industrielles 6 Le r glage de la vitesse est tr s simple et dans les applications vitesse variable ce moteur constitue la solution conomiquement optimale compte tenu de la simplicit de son alimentation et de sa commande lectroniques Les principaux inconv nients du moteur a courant continu sont dus a son commutateur lectrom canique Le collecteur limite la vitesse du moteur p
24. de la conception des actionneurs lectrom caniques dans un syst me embarqu s Dans la premi re partie les technologies pr conis es pour les commandes de vol lectriques sont d abord pr sent s Ensuite les diff rents syst mes d actionnement lectriques sont analys s Enfin les diff rentes motorisations lectriques possibles actuellement sont compar es L analyse des travaux de recherche r cents va permettre de d gager les besoins en mod lisation et en conception des actionneurs lectrom caniques Dans la deuxi me partie la procedure de conception classique d un actionneur lectrom canique est rappel e L laboration du cahier des charges d un actionneur est analys e comme une collaboration entre le concepteur d un syst me et le concepteur d un composant Les diff rentes tapes d une proc dure de conception sont ensuite tudi es Enfin l apport des m thodes d optimisation est consid r C6E2 WP2 ENSEEIHT LAPLACE GREM3 14 09 2007 Page 3 37 Wi EMZ tee G My Les commandes de vol electriques Les technologies proposees Le concept d avion plus lectrique englobe deux domaines technologiques fly by wire FBW et power by wire PBW La technologie FBW comprend la conception le d veloppement et l impl mentation de l lectronique pour les commandes de vol L lectronique permet de d velopper un syst me de contr le de vol et de commande d actionneurs suivant
25. e monde Fig 21 Structure d un MRV 8 6 15 Des tudes de faisabilit de MRV pour des syst mes d actuation de spoiler ont montr cependant que le point crucial de la conception du moteur a t la minimisation de l chauffement du moteur en particulier lors des phases o le moteur doit d livrer un couple de maintien lev pendant un temps relativement long Ceci peut induire un surdimensionnement du volume et du poids du convertisseur statique d alimentation La mod lisation thermique et les tudes de simulation du comportement dynamique d taill semblent incontournables pour ce type de d veloppement 15 Dans la plupart des travaux de recherche les MRV ont t implant s au sein d un EMA malgr leur risque de blocage C6E2 WP2 ENSEEIHT LAPLACE GREM3 14 09 2007 Page 23 37 Gearbox i SE Input Motion P RH nn d Ballscrew Actuator Motion Fig 22 EMA r alis par TRW associ avec un moteur a reluctance variable 3 Des travaux d tudes et de recherches pour am liorer le comportement thermique des moteurs a reluctance variable sont toujours d actualit notamment par l utilisation des mat riaux magn tiques composites 6 Exemple d utilisation des moteurs aimants permanents Les moteurs synchrones aimants permanents sont les moteurs les plus envisag s pour tre implant s dans des syst mes d actuation en a ronautique Les travaux de recherche dans l
26. e cadre du programme Electrically Powered Actuator Design EPAD ont abouti des moteurs implant s dans des EHA Fig 23 ou EMA Fig 22 et Fig 24 et test s lors de vol d avions militaires 16 Hydraulic pi Hydraulic n Jack Pump Hydraulic Aoocumulator Power Electronics Endosure Fig 23 Illustration d un EHA r alis par TRW associ a un moteur a aimants permanents 3 C6E2 WP2 ENSEEIHT LAPLACE GREM3 14 09 2007 Page 24 37 INP ENSEEIHT w CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHE SSMaplace SCIENTIFIQUE ei Les moteurs aimants permanents sont surtout int ressants pour leur couple et puissance massiques lev s ainsi qu un rendement qui peut tre aussi tr s lev Des travaux de recherche ont montr que pour aboutir un moteur qui satisfait au cahier des charges il fallait consid rer les caract ristiques r elles des mat riaux ainsi que les pertes dues la commutation et les pertes dans les aimants 17 Pour les diff rentes configurations de moteur consid r es sur la figure 25 le tableau 9 donne leurs masses et leurs encombrements relatifs pour l actionnement d un spoiler d un avion militaire avec une EMA Fig 24 Les bobinages particuliers des moteurs de la figure 25 ont t adopt s pour rendre le MAP plus tol rant aux pannes 18 oA en SE T SE KEE EE oe Ur AL a Fig 25 Configurations envisag es pour un MAP implant sur PEMA F A gauche moteur triphas avec t l
27. e comparant EHA EMA Tableau comparant les diff rents syst mes d actionnement Actionneurs lectriques pour l entra nement vitesse variable Moteurs courant continu Moteurs asynchrones Moteurs reluctance variable Moteur synchrone inducteur bobin Moteur synchrone aimants permanents autopilot s Conclusion Tableau comparatifs des diff rents moteurs Domaine de faisabilit des diff rents moteurs Tableau comparatifs des actionneurs pour les commandes de vol Applications des moteurs lectriques dans les commandes de vol Exemples d utilisation de moteurs asynchrones Exemples d utilisation de moteur a reluctance variable Exemple d utilisation des moteurs a aimants permanents Conclusion Deuxi me partie Mod lisation et conception des actionneurs lectrom caniques Introduction Cahier des charges Proc dure classique de conception d un actionneur Choix des types des structures et des configurations d actionneur Dimensionnement par des mod les analytiques Caract risation par des mod les num riques Apport des m thodes d optimisation M thodes locales d optimisation et mod les analytiques M thodes locales d optimisation et mod les num riques Conclusion R f rences C6E2 WP2 ENSEEIHT LAPLACE GREM3 14 09 2007 INP ENSEEIHT 4 i CENTRE NATIONAL dh DE LA RECHERCHE bt SCIENTIFIQUE SSLaplace_ en Page 2 37 Wi EM Z Sipati oK Ur Introduction L Avion tout l
28. e dimensionner un actionneur lectrom canique de mani re interactive A partir d un dimensionnement initial et par interaction successive avec le logiciel le concepteur peut arriver un dimensionnement qui r pond au cahier des charges en un temps relativement court Ce type de logiciels est bas sur des mod les simplifi s de dimensionnement et permet de calculer les formes d ondes id ales de flux de f e m ou de couples statiques et de les pr senter sous forme d une sortie graphique permettant de les visualiser tout moment ainsi qu un dessin du moteur Pour un moteur donn le logiciel doit g rer jusqu 500 param tres 25 Caract risation par des mod les num riques Cependant les mod les utilis s dans l tape de dimensionnement sont bas s sur des hypoth ses simplificatrices dont 1l est difficile de cerner le domaine de validit car 1ls d pendent de beaucoup de param tres Il faut alors proc der l tape de caract risation du moteur dans lequel on utilise des mod les num riques de type l ments finis pour calculer les caract ristiques lectrom caniques magn tiques ou thermiques de l actionneur Les logiciels de calcul du champ lectromagn tique adapt s pour les moteurs peuvent donner les courbes C6E2 WP2 ENSEEIHT LAPLACE GREM3 14 09 2007 Page 29 37 Wi EM Z Sipate oK Ur de flux de f e m ou de couples statiques en fonction de la position du rotor 28 Ces courbes permette
29. e moteurs synchrones inducteur bobin s Moteur synchrone aimants permanents autopilot s Dans ce type de moteur le champ tournant du rotor interagissant avec le champ tournant statorique est produit par des aimants permanents Il est adapt une gamme d applications tr s vaste Le rotor peut tre l ext rieur comme dans la majorit de ventilateurs motoris s par un moteur synchrone La forme la disposition et la polarisation des aimants permanents multiplient le nombre de structures possibles moteurs p les lisses avec aimants mont s en surface moteurs avec aimantes enterr s ou moteurs p les saillants concentration de flux Le moteur aimants permanent est caract ris par un rendement lev et un couple massique tr s important d o sa perc e dans les syst mes embarqu s Par opposition aux moteurs courant continu classique on les appelle moteurs courant continu sans balais BrushLess DC BLDC en anglais Fig 18 Moteurs aimants permanents des applications n cessitant des ondulations de couple tr s faible 6 Le tableau 6 donne un aper u des performances de quelques moteurs aimants permanents existants C6E2 WP2 ENSEEIHT LAPLACE GREM3 14 09 2007 Page 18 37 INP ENSEEIHT CENTRE NATIONAL L DE LA RECHERCHE pen Laplace SSS ee SCIENTIFIQUE R f rence Puissance Vitesse Puissance Rendement application KW nominale massique tr min kW kg Lenze l se
30. ectrique est un concept qui a merg dans les ann es dans les ann es 1970 Ce concept offre la possibilit d une reconfiguration compl te d un avion Les tudes ont montr que ce concept terme peut conduire une r duction de la masse totale une augmentation de la fiabilit la simplification de la maintenance la r duction des co ts de fonctionnement et une augmentation de la s curit Le but principal de ce concept est terme d liminer toute l infrastructure hydraulique et m canique pour la distribution de l nergie dans un a ronef permettant ainsi d optimiser les moteurs uniquement pour la pouss e et la production d nergie lectrique Une tape importante vers l avion tout lectrique est le concept d avion plus lectrique qui contient certaines mais pas toutes les caract ristiques d un avion tout lectrique Les principaux avantages attendus de l utilisation progressive de l nergie lectrique dans l a ronautique sont essentiellement une r duction de la masse totale et une augmentation de l efficacit nerg tique Le probl me principal de cette substitution est de garantir un niveau de s curit compatible avec les exigences de l a ronautique civile Ce rapport comporte deux parties Une premi re partie permet de faire le point sur les enjeux de l utilisation des actionneurs lectrom caniques dans les commandes de vol Une deuxi me partie porte sur le probl me
31. es Sup 2005 24 CAVAREC P E BEN AHMED H MULTON B Actionneurs lectromagn tiques Classification topologique Techniques de l Ing nieur D3412 25 HENDERSHOT J R MILLER TJE Design of brushless permanent magnet motors Magna Physics Publishing Oxford 1996 26 SAINT MICHEL J Bobinage des machines tournantes a courant alternative Techniques de Ing nieur trait Genie Electrique D 3420 27 LIU X SLEMON GR Modeling and design optimiztion of permanent magnet motors Electric Machines and Power Systems pp 131 164 1992 28 SADOWSKI N Mod lisation des machines lectriques a partir de la resolution des equations du champ en tenant compte du movement et du circuit d alimentation Logiciel Efcad These de Doctorat de l INP Toulouse 1993 29 BASTOS JPA SADOWSKI N Electromagnetic modeling by finite element methods Marcel Dekker 2003 30 LEFEVRE Y FONTCHASTAGNER Y MESSINE F Building a CAD System For Educational Purpose Based Only on a Mesh Tool and Finite Element Solver IEEE Transactions on Magnetics vol 42 n 4 April 2006 pp 1483 1486 31 LACOMBE G FOGGIA A MARECHAL Y BRUNOTTE X WENDING P From General Finite Element Simulation Software to Engineering Focused Software Example of Brushless Permanent Magnet Motors Design IEEE Transactions on Magnetics vol 43 Issue 4 April 2007 pp 1657 1660 32 GRIFFITHS D R SYKULSKI JK Automation of finite element aided design of induction motors using mul
32. es diff rentes structures d actionnement possible et explique l effort actuel de recherche pour d velopper les EMA notamment pour r duire leur vuln rabilit aux pannes Enfin la figure 10 compare les structures d un EHA et d un EMA C6E2 WP2 ENSEEIHT LAPLACE GREM3 14 09 2007 Page 8 37 ou RG Variable Displacement Fixed Speed Hydraulic Pump Electric Motor 7 Swash Plate Command Actuator Signals Aircraft Surface Actuator Fig 8 Sch ma de principe d IAP 3 hydraulique ou IAP classique Acc l ration Cen 70 Positionnement et Difficile Difficile Facile contr le Maintenance Beaucoup Beaucoup Tmpact sur sur Fuite d huile Fuite d huile EH l environnement Dur e de vie Selon l effort Selon l effort de de maintenance maintenance Tol rance aux Tr s tol rant Peu tol rant Peu tol rant pannes Tableau 1 Caract ristiques compar es des structures d actuation envisag es C6E2 WP2 ENSEEIHT LAPLACE GREM3 14 09 2007 Page 9 37 nae WE Power Command Command Power Fig 9 Comparaison entre un EHA et un IAP 5 achuaice controllers a Electrohydrostatic Actuator EHA Crive power korn a luator G etrolber Fig 10 Comparaison des structures EHA et EMA 4 C6E2 WP2 ENSEEIHT LAPLACE GREM3 14 09 2007 Page 10 37 INA ENSEEIHT CENTRE NATIONAL Sn ra La DE LA RECHERCHE SK aplace SS
33. es en fer silicium au centre moteur triphas avec t le en acier cobalt droite moteur hexaphas avec t le en acier cobalt Trriphas Triphas 1 Hexaphas Type de t le Poids relatifs Diam tre d al sage Longueur effective 1 16 l 1 21 des t les Tableau 9 Masse et encombrement relatifs des moteurs selon leurs configurations Fig 25 C6E2 WP2 ENSEEIHT LAPLACE GREM3 14 09 2007 Page 25 37 Maplace_ Aa us Les travaux de recherche actuels sur les MAP portent surtout sur les configurations plus tol rantes aux pannes l analyse des diff rentes pertes dans un moteur commutation lectronique les mat riaux magn tiques am liorants la dissipation thermique et minimisant les pertes 19 Conclusion Des travaux de recherche ont montr la faisabilit de l utilisation des moteurs aimants permanents et des moteurs reluctance variable Ils montrent aussi un l ger avantage pour le moteur a reluctance variable compte tenu essentiellement de sa tol rance naturelle aux pannes en raison notamment de l ind pendance des phases du moteur des uns par rapport aux autres Toutefois l adaptation des moteurs reluctance variable passe par un dimensionnement tr s pointu du convertisseur statique d alimentation l aide de mod les prenant en compte de mani re tr s fine l chauffement dans le moteur et son dispositif d alimentation La faisabilit des moteurs aimants permanents pa
34. hes le type d alimentation courants sinuso daux ou trap zo daux Le bobinage peut aussi tre defini ce stade Mais m me un sp cialiste ne peut pas conna tre tous les bobinages possibles d velopp s sur plus de 150 ans d histoire de d veloppement des actionneurs lectriques 26 Il manque une r elle collaboration au niveau international pour rassembler toutes ces connaissances dans un logiciel unique permettant de choisir tr s rapidement le bobinage Les logiciels existants actuellement permettent de faire cela mais avec un choix limit 25 Dimensionnement par des mod les analytiques Ensuite le concepteur proc de au dimensionnement de chaque structure de moteur choisi Pour les moteurs aimants permanents 1ls existent diff rents mod les analytiques de dimensionnement comme par exemple ceux propos s dans 25 et 27 Dans la plupart des cas le concepteur cherche un dimensionnement initial partir de dimensions de moteurs existants dont les performances sont proches de son cahier des charges On peut ainsi proc der au dimensionnement la main en utilisant des valeurs typiques de grandeurs que les sp cialistes connaissent 25 le couple par unit de volume la charge lin ique et la densit efficace de courant suivant le type de refroidissement l induction magn tique moyenne dans l entrefer etc Il existe aussi des logiciels qui sont de v ritables aides la conception des moteurs permettant d
35. hydraulic actuation of primary flight control surfaces IEE Colloquium on All Electric Aircraft Digest No 1998 260 17 June 1998 17 K Atallah et al Permanent Magnet Brushless Drives for Aircraft Flight Control Surface Actuation IEE Colloquium Electrical Machines and Systems for the More Electric Aircraft London UK 9 Nov 1999 18 A G Jack B C Mecrow J A Haylock A Comparative Study of Permanent Magnet and Switched Reluctance Motors for High Performance Fault tolerant Applications IEEE Trans Ind Applicat vol 32 pp 889 895 July Aug 1996 C6E2 WP2 ENSEEIHT LAPLACE GREM3 14 09 2007 Page 35 37 nd AN place d ER D SSES 19 G J Atkinson et al The Analysis of Losses in High Power Fault Tolerant Machines for Aerospace Applications IEEE Transactions on Industry Applications vol 42 n 5 pp 1162 1170 September October 2006 20 NOGAREDE B Conception des dispositifs lectroactifs de la recherche du concept au dimensionnement de la structure Habilitation a Diriger des Recherches INP Toulouse 1997 21 KONE A D Contribution la conception des actionneurs lectriques par formulation en termes d optimisation Th se de Doctorat INP Toulouse 1993 22 NOGAREDE B Machines tournantes principes et constitution Techniques de l Ing nieur Trait G nie Electrique D3411 23 NOGAREDE B L Electrodynamique Appliqu e Editions Dunod Collection Scienc
36. les de l ensemble Selon le composant et les diff rents stades de la conception du syst me ce mod le peut tre tr s grossier repr sentant uniquement les changes d nergies ou de puissance ou plus fins comme des mod les constantes C6E2 WP2 ENSEEIHT LAPLACE GREM3 14 09 2007 Page 27 37 Wi EM Z Sipati oK Ur localis es En conclusion le processus de d finition du cahier des charges d un actionneur lectrom canique n est pas tr s simple et se situe l interface de la vision syst me et composant Proc dure classique de conception d un actionneur Compte tenu de la diversit des domaines d application des efforts consid rables ont t faits ces vingt derni res ann es pour d velopper les moteurs aimants permanents Si bien que dans les ann es 1990 la conception des moteurs aimants permanents est devenue un classique Le livre de J R Hendershot et TJE Miller 25 expose de mani re d taill e les diff rentes tapes de la conception d un moteur aimants permanents A partir de ce livre on peut d terminer les diff rents types de mod les n cessaire dans une proc dure de conception Pour un moteur aimants permanent les diff rentes tapes de la conception sont les suivants 1 Sp cifications de l application 2 Configuration du moteur entrefer radial rotor int rieur ou ext rieur ou entrefer axial 3 S lection des types d aimants permanents 4
37. moteurs asynchrones multi phas s vitesse variable 8 9 101 C6E2 WP2 ENSEEIHT LAPLACE GREM3 14 09 2007 Page 22 37 Exemples d utilisation de moteur reluctance variable Des travaux de recherche effectu s dans les ann es 1990 pour choisir le meilleur systeme d actionnement lectrique pour l avion plus lectrique ont montr que le moteur a reluctance variable est tr s int ressant 11 12 13 14 Les caract ristiques principales des MRV sont Tol rance naturelle aux pannes chaque phase est relativement ind pendant magn tiquement contrairement aux autres moteurs alternatifs asynchrones ou synchrones Tr s peu de pertes au rotor le rotor ne comportant ni bobinage ni d aimants peu de t te de bobine au stator Robustesse le rotor est homog ne le stator est tr s facile bobin Co t de fabrication tr s faible c est le moteur dans le co t de fabrication est le plus faible Alimentation lectronique relativement simple la structure est tr s simple et utilise des composants standard la fr quence de commutation est relativement basse ce qui r duit les pertes par commutation Puissance et couple massiques tr s lev s 1l est tr s adapt aux applications n cessitant un couple massique lev Principal inconv nient c est le bruit et les ondulations de couple L limination de ce dernier point constitue l objet de nombreux travaux de recherche dans l
38. nt de qualifier r ellement les performances du moteur et de d finir les strat gies d alimentation propre au moteur Certains de ces logiciels permettent de simuler directement le comportement de l actionneur avec son alimentation lectronique gr ce au d veloppement des mod les de type champ circuit et d analyser ainsi le comportement dynamique du moteur dans diff rentes situations 29 Dans leur version originale ces logiciels sont tr s lourds a manipuler car il faut proc der un certain nombre d tapes dessin maillage r solution et exploitation des donn es Certaines versions plus r centes de logiciels offrent des facilit s permettant d obtenir automatiquement le dessin de la structure a partir de la donn e des dimensions du moteur Des publications r centes permettent de se passer m me de l tape de maillage ou voire de lancer automatiquement les diff rents calculs 30 31 32 Apport des m thodes d optimisation Les concepteurs de moteurs lectriques ont utilis d s les ann es 1970 des m thodes d optimisation pour la conception optimale de moteurs lectriques 33 On peut classer les probl mes d optimisation suivant la nature des variables qu ils manipulent On dit ainsi qu un probl me est continu si ses variables sont des variables r elles Il est discret quand elles sont toutes enti res bool ennes ou de cat gories On dit qu il est mixte si une partie des variables est continue et l a
39. onception d un actionneur Pour cela 1l faut prendre en compte le fait que les actionneurs lectrom caniques interviennent dans un syst me dans laquelle la gestion de l nergie de l chauffement et la r partition des masses sont importantes Pour cela 1l faut faire coop rer les deux visions syst mes et composants L utilisation des m thodes d optimisation rend caduque d une certaine mani re cette vision classique de la conception d un actionneur lectrom canique r serv jusqu pr sent des sp cialistes Nous allons donc nous int resser l apport des m thodes d optimisation Enfin avec la mont e vertigineuse de la puissance des ordinateurs 1l est maintenant possible d utiliser des codes de calculs num riques de type l ments finis de mani res tr s intensives dans l tude et la conception actionneurs lectrom caniques Ceci offre la possibilit de les associer avec les m thodes d optimisation pour avoir des mod les efficaces et robustes Nous allons donc examiner l int r t d une telle approche Cahier des charges La d marche de conception d un actionneur lectrom canique est initi e par une demande formul e sous forme de sp cifications dans un cahier des charges 20 21 Pendant longtemps les concepteurs d actionneurs ne se sont pas int ress s directement au processus d laboration d un cahier des charges Mais ils se sont aper us que pour bien y r pondre il fallait ret
40. oucher au cahier des charges dans la plupart des cas Certains concepteurs consid raient cette modification du cahier des charges pour l adapter au mieux aux possibilit s d un actionneur comme faisant partie int gralement de la d marche de conception 22 De la est n e la prise de conscience par le concepteur de la n cessit d une d marche plus globale pour mieux d finir le cahier des charges d un actionneur Il s agit de prendre en compte l environnement imm diat de l actionneur et de d finir une m thode qui permet d optimiser les performances du syst me ou du sous syst me auquel appartient l actionneur Cette d marche doit tre men e de concert par le concepteur du syst me et les sp cialistes des diff rents composants A notre sens elle est source d innovations condition toutefois de ne pas d finir a priori les diff rents composants partir de composants pr d finis ou d j existants 23 24 25 Une fois que l architecture d un syst me est d finie 1l faut proc der sa conception au choix des diff rents composants et leurs dimensionnements C est a ce niveau que le cahier des charges de chaque composant peut tre d fini par une d marche descendante et l aide de mod les Les connaissances expertes du sp cialiste du composant peuvent alors tre utiles pour fournir au concepteur du syst me des mod les simplifi s sp cifiques permettant d optimiser les performances globa
41. r personnel cela demande beaucoup moins de temps Certaines des m thodes de la PNL sont disponibles dans le logiciel ANSYS Academic Research Nous avons utilis ce logiciel pour optimiser un coupleur magn tique aimants permanents Les figures Fig 26 et Fig 27 montrent le maillage du domaine d tude du coupleur et le champ magn tique dans la structure initiale Dans ce logiciel l association des mod les par l ments finis et des m thodes d optimisation est facilit par l utilisation d un langage de programmation APDL Ansys Programming Design Langage Cinq variables de dimensionnement ont t d finies Le volume total d aimants a t optimis pour avoir un couple de 110 N m Le couple a t d fini comme une contrainte in galit valant entre 100 N m et 120 N m Le logiciel calcule alors plusieurs solutions Une solution est faisable quand elle satisfait toute les contraintes La meilleure solution est une solution faisable et qui a le plus petit volume d aimant Plusieurs tests avec ce logiciel ont montr que la meilleur m thode pour ce probl me est la m thode d approximations par sous probl mes 25 C6E2 WP2 ENSEEIHT LAPLACE GREM3 14 09 2007 Page 31 37 SCIENTIFIQUE Zi CENTRE NATIONAL er LA DE LA RECHERCHE aplace_ AN APR 21 2006 MAT NUM 10 49 53 ELEMENTS Fig 26 Maillage d un p le du coupleur ANSYS 9 0 APR 21 2006 12 01 08 NODAL SOLUTION AVR
42. rvomoteur MSD KS 036 13 Imperial Electric quipement 4BA01600 Lenze servomoteur MDF kS 071 33 Lenze S i servomoteur MDF Ks 112 Tableau 6 Performances de moteurs synchrones aimants permanents 6 Conclusion Le tableau 7 r sume les avantages les inconv nients et les utilisations usuelles des diff rents moteurs lectriques pour les entra nements vitesse variable La figure 19 donne les limites de faisabilit actuelles de ces diff rents moteurs Pour les applications a ronautiques le moteur courant continu est rarement envisag du fait de l entretien que n cessite le collecteur et les balais ainsi que son encombrement plus important et une puissance massique plus faible que les autres moteur Pour les m mes raisons le moteur synchrone inducteur bobin est aussi rarement envisag Le moteur asynchrone cage ne n cessite pas d alimentation lectrique pour le rotor Il est surtout envisag dans les applications n cessitant une vitesse constante Son principal inconv nient par rapport aux moteurs synchrones aimants permanents et moteur reluctance variable est d aux pertes joules au rotor qui sont relativement difficile vacuer Les moteurs les plus envisag s pour les applications a ronautiques notamment pour les commandes de vol sont les moteurs aimants permanents et les moteurs reluctance variable Le tableau 8 comparent les moteurs alternatifs les plus attendus dans les application
43. s a ronautiques notamment pour les commandes de vol C6E2 WP2 ENSEEIHT LAPLACE GREM3 14 09 2007 Page 19 37 INP ENSEEIHT 4 Oe CENTRE NATIONAL Type d interaction I Courant produit courant produit Machine synchrone a rotor bobine Machine a CC a inducteur bobine 2 Courant produit courant induit Machine asynchrone 3 Courant produit aimantation produite Machine a aimant permanent d Courant produit aimanationt induite Machine a r luctance variable Avantages plus facile a r aliser et plus robuste que la machine a C C SON rendement est proche de 90 possibilite de r glage du tr s bien adapt au fonctionnement a vitesse variable facile a mettre en oeuvre dans les quatre quadrants fort couple de demarrage et d marrage rapide stricture robuste SON rapport co t puissance est le plus faible peut fonctionner en forte puissance a vitesse variable dans un large domaine simple et rendement leve fort couple massique simple commander taux d harmomaques bas la plus simple et la plus conomique possibilite de travail en haute vitesse Inconv nients Un moteur auxiliaire de demarrage est souvent n cessaire deux sources d nergie sont n cessaires probleme d accrochage et d crochage sur le r seau son collecteur constitue l l ment limitatif pour les applications haute tension
44. s Aerospace a d velopp dans les ann es 1980 un actionneur de direction d un train d atterrissage bas sur le concept IAP et utilisant un moteur asynchrone Dans les ann es 1990 le m me concept a t d velopp pour l actionnement des spoilers et des ailerons 7 L IAP contient un servo pompe avec un rendement et une fiabilit lev command par un moteur asynchrone qui tourne a vitesse constante Le changement de direction et le positionnement sont obtenus l aide d un plateau cyclique Fig 8 et 20 Variable Displacement Bypass Actuator Valve Ram Fig 20 Illustration d un IAP r alis par TRW avec des moteurs asynchrones 3 Ces syst mes ont t implant s sur des avions de transport militaire L utilisation du concept IAP avec un moteur asynchrone directement aliment par le r seau alternatif de l avion offre les avantages suivants chauffement du moteur d pend tr s peu de la charge un refroidissement forc continu peut tre adapt si le moteur est tout le temps en marche on vite l utilisation d une alimentation lectronique ce qui am liore la compatibilit lectromagn tique du syst me R cemment 1l y a eu peu d articles sur les moteurs asynchrones appliqu s l avion plus lectrique Les recherches qui s en rapprochent le plus motiv s notamment par des soucis de fiabilit et de rendement portent sur la conception l alimentation et la commande des
45. sation globale avec des mod les n cessitant le minimum d hypoth ses reste des questions ouvertes C6E2 WP2 ENSEEIHT LAPLACE GREM3 14 09 2007 Page 34 37 Wi EM Z Sipati oK Ur R f rences 1 P Janker D van de Bossche Actuator technology Driver of Aerospace Systems Innovation Actuator 2004 9th International Conference on New Actuators 14 16 June 2004 Bremen Germany 2 D van den Bossche More Electric Control Surface Actuation A Standard for the Next Generation for Transport Aircraft Conf rence EPE 2003 2 4 Septembre Toulouse 3 S L Botten C R Whitley and A D King Flight Control Actuation Technology for Next Generation All Electric Aircraft Technology Review Journal Millenum Issue Fall Winter 2000 4 N Robert Performance of an Electrohydrostatic Actuator on the F 18 Systems Research Aircraft NASA TM 97 206224 October 1997 5 J Andersson et al Modelling and Simulation of Heat Generation in Electrohydrostatic Actuation Systems A JHPS International Symposium on Fluid Power Tokyo Japan 15 17 November 1999 6 Y Alhassoun Etude et mise en oeuvre de machines aimantation induite fonctionnant haute vitesse These de l Institut National Polytechnique de Toulouse 2005 7 S Croke J Herrenschmidt More electric initiative Power by Wire Actuation Alternatives Aerospace and electronics conference 1994 NAECON 1994 23 27 Mai
46. sse par l adoption d une configuration syst me de bobinage et mat riaux sp cifiques plus tol rante aux pannes Ces travaux soulignent l importance de la mod lisation des pertes m me dans les aimants et de la mod lisation thermique Ces points sont donc prendre dans l laboration d un logiciel d aide l tude et la conception d actionneurs lectrom caniques pour les commandes de vol C6E2 WP2 ENSEEIHT LAPLACE GREM3 14 09 2007 Page 26 37 Wi EM Z Sipati oK Ur Mod lisation et conception des actionneurs lectrom caniques Pour concevoir un actionneur lectrom canique diff rentes m thodologies sont possibles selon les moyens et l exp rience du concepteur La conception d un actionneur lectrom canique est une d marche de synth se qui est initi e par l existence d un cahier des charges et qui s appuie sur des mod les repr sentant divers niveaux les ph nom nes lectrom caniques et thermiques au sein de l actionneur Dans cet article la lumi re de travaux r cents publi s dans la litt rature et en s appuyant sur notre propre exp rience dans le domaine de la mod lisation et de la conception des moteurs autopilot s aimants permanents nous allons essayer de donner des l ments pour d finir les enjeux de la conception des actionneurs lectrom caniques Nous allons d abord examiner la d finition d un cahier des charges et le processus classique de c
47. t les actionneurs lectriques les mieux adapt s aux architectures actuelles des avions de lignes qui mixent syst mes lectriques et hydrauliques L tat de l art actuel est l utilisation de la technologie Fly by Wire avec essentiellement des actionneurs hydrauliques command s lectriquement Fig 2 Dans l approche d avion plus lectrique on passe progressivement vers le concept Power By Wire utilisant la structure EHA Fig 3 en passant par l utilisation de la structure EBHA Electrical Back up Hydraulic Actuator o l actionneur lectrique est en secours Fig 4 et l actionneur principal reste un actionneur hydraulique Servovalve Accumulator Hydraulic selector gl system Electrical system power selector device Fig 3 Sch ma de principe et photographie d actionneur lectro hydraulique EHA 2 L utilisation des EHA de mani re d finitif passe par une phase de standardisation L utilisation des EMA va tre plus lente car il faut modifier compl tement l architecture du syst me de commande de vol pour profiter pleinement de leurs avantages De plus les EMA pr sentent des risques s curitaires beaucoup plus importants que les EHA C6E2 WP2 ENSEEIHT LAPLACE GREM3 14 09 2007 Page 6 37 SE 3 CO system z o power Accumulator d Accumulator eb ES Mode Hydraulic select Manton system Servovalve power replaced by an z electric motor Pump Ram
48. ti slice 2D models The International Journal for Computation and Mathematics in Electrical and Electronic Engineering vol 25 n 2 2006 pp 309 319 33 RAMARATHNAM R et al A Comparative Study of Minimization Techniques for Optimization of Induction Motor Design IEEE Trans PAS 92 1973 n 5 pp 1448 1453 34 MESSINE F L Optimisation Globale par Intervalles de l Etude Th orique aux Applications Habilitation a Diriger des Recherche INP Toulouse 2006 35 LIU X SLEMON G R An improved Method or Optimization for Electrical Machines IEEE Transactions on Energy Conversion vol 6 n 3 September 1991 pp 492 496 36 KONE A D NOGAREDE B LAJOIE MAZENC M Le dimensionnement des actionneurs lectriques probl me de programmation non lin aire Journal de Physique III France 3 1993 pp 285 301 37 WURTZ F BIGEON J A Methodology and a Tool for the Computer Aided Design with Constraints of Electrical Devices IEEE Transactions on Magnetics vol 32 n 3 May 1996 38 WURTZ F et al Methodological Guidelines for the use of Analytical and Numerical in a Design Process of an Electromagnetic Device EEE Transactions on Magnetics vol 34 n 5 September 1998 C6E2 WP2 ENSEEIHT LAPLACE GREM3 14 09 2007 Page 36 37 l 3 Ssstaplace_ me 39 COLYER B et al Project MIDAS Magnet Integrated Design and Analysis System IEEE Transactions on Magnetics vol 33 n 2 March 1997 40 BIDDLECOMBE et al Design
49. une architecture centralis ou distribu Une architecture distribu e r duit la charge du calculateur central et permet une meilleure flexibilit Cette architecture permet aussi de r duire la masse totale du r seau en r duisant le nombre de connexions et de composants Cette technologie est actuellement arriv e maturit et utilis e dans les avions de ligne comme 1 A320 1 2 La technologie PBW propose la conception et le d veloppement de dispositifs utilisant l nergie lectrique pour actionner les surfaces de commande de vol Ceci inclut l application et l adaptation des technologies de commande de moteur lectrique aux performances ainsi qu des sp cifications particuli res concernant la fiabilit l environnement et la s curit requises pour les commandes de vol 3 Des configurations d actionneurs de moteurs haute efficacit nerg tique and d alimentations lectroniques de fortes puissances ont t d j d velopp s et test s en vol notamment sur des avions de chasse mais ne sont pas encore certifi s pour pouvoir tre install s sur des avions civils 3 Les avantages attendus Beaucoup de d veloppements futurs sont encore faire et sont motiv s par le fait que l utilisation des actionneurs lectriques va permettre e la simplification de la maintenance par la r duction des composants hydrauliques e la r duction des pi ces et des outils de maintenance e l am lioration
50. utiliser les EMA pour les commandes de vol primaire Cependant 1ls peuvent tre appliqu s certain commandes de vol secondaire C6E2 WP2 ENSEEIHT LAPLACE GREM3 14 09 2007 Page 7 37 INP ENSEEIHT AG CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHE aplace SCIENTIFIQUE Actionneurs Electro Hydraulique EHA Contrairement aux EMA la transmission de la puissance m canique dans un EHA se fait a l aide d un syst me hydraulique La figure 7 montre le sch ma de principe d un EHA Motor Control Fixed Displacament Electronics Varable Spoed Ze Electric Motor Himes CN ez Command Flight Signals Control Computer Bypass Signal Fig 7 Sch ma de principe d un EHA 3 Certains quipementiers ont cr une variante de PEHA appel e ESAP Electrohydraulic Servopump Actuator comme l IAP Integrated Actuator Package une marque d pos e par TRW Cette structure est bas e sur les m mes composants qu un EHA sauf que le moteur tourne toujours dans le m me sens avec une vitesse de rotation constante Un m canisme ind pendant est utilis pour changer le sens d coulement du fluide Cette structure vite l utilisation d une alimentation lectronique sophistiqu e pour alimenter le moteur Un simple moteur asynchrone directement reli sur le r seau est parfaitement adapt une telle structure Fig 8 La figure 9 montre la diff rence entre un EHA et un IAP Le tableau 8 r sume les caract ristiques d
51. utre discr te Ces variables sont reli es entre elles par un mod le math matique Dans le cas des actionneurs lectriques les variables sont mixtes et le mod le peut tre analytique ou num rique Les variables continues correspondent presque uniquement aux dimensions de l actionneur Les variables discr tes permettent quant elles de caract riser le type la structure la configuration et la composition de l actionneur Les algorithmes d optimisation pour la r solution de ces probl mes peuvent tre class s en m thodes d optimisation locale ou globale de type stochastiques ou d terministes 34 Chaque type m thode peut tre associ soit des mod les analytiques soit des mod les num riques M thodes locales d optimisation et mod les analytiques Les m thodes locales d optimisation ont t les premi res tre utilis es pour dimensionner les actionneurs lectrom caniques Ces m thodes sont fond es sur les th ories de la Programmation Non Lin aire PNL pour la r solution de probl mes avec contraintes 35 On peut citer par exemple la m thode du Lagrangien Augment appel e encore la M thode des Multiplicateurs ou MOM Methods of Multipliers 36 Ces m thodes ne traitent que des probl mes continus Les variables enti res apparaissant dans un mod le d actionneur sont alors en g n ral rel ch es et trait es comme des variables r elles elles sont ensuite arrondies l entier le plus
52. ynch rotor bobine NT a induction a aut a mE ti E CG of uf Se CL NT areluctance variable M a aimant permanent 10000 100000 vitesse tr min Fig 19 Limite de faisabilit des moteurs lectriques Robustesse et fiabilit Rendement wee SEAnAEA Boucle ouverte fee oe de la emma tel S massique Facteur de eee Encombrement alimentation lectronique Qualit du couple Ondulation Gamme de vitesse Sans capteur a Bruit acoustique o Coit Tableau 8 Comparaison des moteurs asynchrones MAS des moteurs synchrones aimants permanents BLDC des moteurs reluctance variable MRV Avantages Inconv nient o moyen C6E2 WP2 ENSEEIHT LAPLACE GREM3 14 09 2007 Page 21 37 ge WE Applications des moteurs lectriques dans les commandes de vol Le concept d avion plus lectrique est un concept qui date des ann es 1970 et tr s t t des recherches ont t effectu s pour d velopper des syst mes d actuation de type EHA ou EMA Dans ces d veloppements les chercheurs ont utilis s principalement des moteurs asynchrones des moteurs reluctance variable mais surtout des moteurs aimants permanents Exemples d utilisation de moteurs asynchrones Dans les syst mes d actuation de type ESPA ou IAP les moteurs asynchrones sont les mieux adapt s car une vitesse de rotation constante est exig e Ainsi Luca
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