La course aux performances dans le domaine des moteurs et générateurs électriques conduit à augmenter progressivement la fréquence de travail des convertisseurs électromécaniques. Ainsi, face aux besoins exprimés dans le monde aéronautique (hybridation thermique-électrique des turbomachines, générateurs électriques à faible encombrement…), les développements technologiques prévus dans la prochaine décennie passent par la recherche de machines électriques à haute vitesse (>50 000 tr.min-1) dont la densité de puissance devrait atteindre et dépasser 10 kW.Kg-1.
Cette augmentation de vitesse et de fréquence se heurte aux limites de faisabilité communément admises, s’agissant notamment des problématiques associés à la tenue mécanique des ensembles tournants (vitesse périphériques supérieures à 200 m.s-1), de la maîtrise des pertes à haute fréquence au sein des circuits magnétiques des machines électriques, de l’optimisation des stratégies d’alimentation et de contrôle-commande au sein des modules de pilotage électronique à haute fréquence de découpage (>100 KHz), ou encore de la maîtrise des couplages électromagnétiques (CEM) s’exerçant au sein de l’ensemble machine-câble-convertisseur (à l’origine de surtensions ou de contraintes de dimensionnement encore mal appréhendées).
Dans ce contexte très stimulant d’un point de vue scientifique et technologique, NOVATEM a privilégié, 3 sous-thèmes interdépendants ayant trait à :
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L’analyse et la modélisation des phénomènes de couplages électromagnétiques opérant au sein des ensembles machine-convertisseurs exploités à haute fréquence :
Cette activité consiste en une étude de fond visant à la mise en place des outils méthodologiques et des protocoles expérimentaux nécessaires à l’optimisation et à la caractérisation de systèmes mécatroniques travaillant à haute fréquence, depuis la modélisation des couplages locaux au sein d’un composant donné (tel qu’une bobine élémentaire) jusqu’à la représentation des interactions électromagnétiques globales intervenant à l’échelle de l’ensemble machine-convertisseur complet.
Les travaux réalisés concerne plus particulièrement la confrontation avec l’expérience des modèles et représentations multi-échelles précédemment développées au niveau des bobinages des machines électriques couplées à leur circuit d’alimentation à travers de câbles de liaison également modélisés.
Cette activité a notamment donné lieu à la soutenance de la thèse de M. Ioav RAMOS CHAVEZ (bourse CIFRE NOVATEM), ainsi qu’à plusieurs publications scientifiques.
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La conception et l’expérimentation de topologies de machines électriques innovantes aptes au fonctionnement à haute vitesse :
Il s’agit ici de traiter les spécificités d’ordre technologique permettant d’accroître la fréquence de travail des convertisseurs électromagnétiques tournants, en jouant conjointement sur les caractéristiques des matériaux disponibles, sur l’agencement de ces matériaux au sein de topologies électromagnétiques innovantes, ainsi que sur les procédés d’assemblage et de fabrication associés.
Les travaux menés se focalises sur la conception finalisée et la définition des procédés de fabrication des parties tournantes d’un prototype de machine à induction à haute performance (80 kW – 56 000 tr.min-1) destiné à terme à une application d’hybridation de turbine d’hélicoptère ; le procédé de fabrication du rotor fait l’objet d’une démarche de protection par brevet en collaboration avec le partenaire applicateur.
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La définition de stratégies d’alimentation et de commande électronique spécifiques :
Ce troisième volet a trait à l’optimisation des circuits électroniques de puissance et des stratégies de contrôle-commande exploitables dans le domaine des machines à haute vitesse, en recherchant notamment les compromis à l’échelle globale de l’ensemble mécatronique complet.
Sur la base des résultats très prometteurs obtenus au niveau d’un nouveau concept d’alterno-démarreur à réluctance variable précédemment expérimenté, les activités menées par NOVATEM sur le sujet concerne la mise en œuvre d’une stratégie d’auto-pilotage « hybride » (analogique-numérique) permettant d’optimiser en mode dynamique le contrôle de phase des courants d’alimentation à haute fréquence (fréquence fondamentale à 4 kHz), donnant lieu à un produit inédit que NOVATEM cherche à valoriser pour de nouvelles applications.