Conception, modélisation et expérimentation de moteurs-freins intégrés à réluctance variable et à courants de Foucault
Résumé
The technological development of thermal engines and of power units in general, has been tending towards increased complexity and now requires fail-safe reliability. Testing equipment must also evolve in order to ensure greater reliability and measurement frequency at a minimal cost. Test benches have become entirely automated and allow operating the thermal engine using pre-bench cycles. The loading benches in use today are primarily of the "static" type and feature eddy current brakes. The research presented herein lies within this study framework and has been mainly shaped through the three following areas of investigation : * Critical analysis of existing brakes. We have conducted several tests on homopolar standard brakes (220 kW); these tests and the analyses performed on their results have allowed us both to focus on the effects of magnetic remanence that generate a residual torque and to propose a power supply along with adequate strategies for minimizing this problem. Moreover, this area of research has enabled us to determine the limitations of the brake and, in particular, of the cooling system currently in place. * Development of reliable magneto-dynamic models for a power range extending from 5 to 750 kW. Concerning this second area of research, we have sought to devise non-linear analytical magneto-dynamic models that take both the armature reaction and 3D effects into account. These models are then validated by finite element calculations and tests conducted on existing brakes. The flexibility of these models has allowed us to perform fast parametric studies and to propose, on the basis of the results obtained, methodologies for sizing homopolar eddy current brakes. * Topological study, design, development and experimentation of dynamic loading test benches presenting the two requisite functions : engine and braking. For this third research topic, we have carried out a non-exhaustive study of the various possible solutions for adding a driving function to current brake configurations. The comparison of two topologies (i.e. integrated and separated) has shown us that the first solution provides an advantage in minimizing the revolving masses and shaft lengths, both of which heavily support the vibration behaviour of test benches. This solution has therefore been selected for developing an original-design, integrated brake-engine with switched reluctance and eddy currents. A 24-Nm model has been created and validation tests have demonstrated the feasibility and technological viability of the proposed solution.
Les développements technologiques des moteurs thermiques et plus généralement des groupes moto-propulseurs vont vers une complexité de plus en plus grande et requièrent une fiabilité sans faille. Ils exigent une évolution des moyens d'essais pour une plus grande fiabilité des mesures, des essais accélérés et à coût minimal. Ainsi, les bancs d'essais sont aujourd'hui complètement automatisés. Ils permettent d'assurer le fonctionnement du moteur thermique suivant des cycles préétablis. Les bancs de charges existants sont surtout de type "statique", utilisant le principe du freinage par courants de Foucault. C'est dans ce cadre que ce travail s'insère. Il s'articule principalement autour de trois axes : * Analyse critique des freins existants. Nous avons réalise plusieurs essais sur des freins standards homopolaires (220 kW). Ces essais et les analyses effectuées nous ont ainsi permis de mettre en évidence les effets de la rémanence magnétique engendrant une traînée en couple et de proposer une alimentation et des stratégies adéquates pour minimiser ce problème. D'autre part, cela nous a permis de montrer les limites du frein et notamment du système de refroidissement actuel. * Elaboration de modèles magneto-dynamiques fiables pour une gamme de puissances allant de 5 a 750 kW. Concernant ce deuxième point, nous avons tenté de développer des modèles magnétodynamiques analytiques non-linéaires prenant en compte aussi bien la réaction magnétique d'induit que les effets 3D. Ces modèles sont validés par des calculs éléments finis et par des essais réalisés sur les freins existants. La souplesse de ces modèles nous a ainsi permis de mener des études paramétriques rapides et de proposer sur la base des résultats obtenus des méthodologies de dimensionnement des freins à courants de Foucault homopolaires. * Etude topologique, conception, réalisation et expérimentation de bancs de charge dynamiques présentant donc les deux fonctions exigées : moteur et frein. Pour ce troisième point, nous avons réalisé une étude non-exhaustive de différentes solutions possibles pour l'adjonction d'une fonction motrice aux freins actuels. La comparaison de deux topologies, intégrée et séparée, nous a montré que la première solution présentait l'avantage de minimiser les masses tournantes et les longueurs d'arbre, ce qui favorise fortement la tenue en vibrations du banc d'essais. C'est donc cette solution que nous avons retenue pour réaliser un moteur-frein intégré à réluctance variable et à courants de Foucault de conception originale. Une maquette de 24 Nm a été réalisée et des essais de validation ont montré la faisabilité et la viabilité technologique de la solution développée.
Domaines
Sciences de l'ingénieur [physics]
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