Larbi DAHNOUN a le plaisir de vous annoncer sa soutenance de thèse de Docteur de l’Université de Lorraine en Génie Électrique, intitulée : Développement de modèles analytiques multi-physiques pour le dimensionnement de machines électriques haute vitesse en aéronautique.
Elle se déroulera le JEUDI 30 JANVIER 2025 à 09h30 - Présidence Brabois – Salle Gallé devant un jury composé de :
- Mme HENAUX Carole, Professeur, Université de Montpellier, Rapporteur
- M. CHARPENTIER Jean-Frédéric, Professeur, Ecole Navale de Brest, Rapporteur
- Mme SOULARD Juliette, Associate Professor, Université de Warwick, Examinateur
- M. BARAKAT Georges, Professeur, Université du Havre, Examinateur
- M. VIGUIER Christophe, Docteur, Safran Tech, Examinateur
- M. TAKORABET Noureddine, Professeur, GREEN, Directeur de thèse
- M. FONTCHASTAGNER Julien, Maître de Conférences, GREEN, Co-directeur de thèse
- M. LUBIN Thierry, Maître de Conférences, GREEN, Invité
Il serait très heureux que vous l’honoriez de votre présence et vous invite cordialement, après la soutenance, en Salle de réunion du GREEN à l’ENSEM.
Résumé :
Dans un contexte où la recherche d’efficacité énergétique et de réduction de l’empreinte environnementale est une priorité, l’aéronautique explore des solutions innovantes pour améliorer les performances des systèmes embarqués. Parmi ces solutions, la montée en vitesse des machines électriques représente une piste prometteuse. En augmentant la vitesse de rotation des génératrices, il devient possible de réduire leur masse et leur volume, un avantage décisif dans un secteur où chaque kilogramme compte. Cependant, ce gain s’accompagne de défis techniques majeurs, particulièrement dans les environnements exigeants de l’aéronautique. Les génératrices haute-vitesse posent des problématiques spécifiques. Les architectures classiques, bien qu’efficaces, montrent leurs limites face à la demande croissante en puissance électrique. D’une part, les contraintes d’inertie et les vibrations augmentent avec la vitesse, rendant la tenue mécanique critique. D’autre part, la gestion thermique reste complexe pour ces machines à haute densité de puissance, tandis que l’utilisation d’aimants permanents peut entraîner des risques significatifs en cas de court-circuit au stator. Enfin, le poids total du système, incluant l’électronique de puissance, reste un facteur clé. Dans ce travail, nous avons développé des modèles analytiques pour répondre à ces défis et permettre une évaluation rapide des solutions technologiques face à un cahier des charges donné. Trois aspects physiques ont été étudiés en détail : la mécanique, la thermique et l’électromagnétisme. Sur le plan mécanique, des modèles analytiques ont été élaborés pour prédire les contraintes d’inertie et les vibrations en haute vitesse. Ces outils garantissent la tenue structurelle des machines électriques, même dans des conditions extrêmes. Les différentes méthodes d’assemblage des éléments au rotor, telles que le frettage, le collage ou la précontrainte, sont prises en compte pour évaluer leur impact sur les contraintes et assurer la robustesse du système. Concernant les aspects thermiques, des modèles analytiques ont été conçus pour évaluer et optimiser le refroidissement des machines, en prenant en compte les pertes électriques et les échanges thermiques avec l’environnement. Enfin, pour l’électromagnétisme, les modèles analytiques ont été adaptés à la haute vitesse, permettant un calcul rapide et précis des performances des machines et des pertes électromagnétiques. Cette approche analytique rapide constitue un outil décisionnel précieux pour le prédimensionnement et la sélection des architectures en phase de conception préliminaire. L’étude a porté sur deux topologies spécifiques de machines électriques adaptées à la haute vitesse, sélectionnées pour répondre aux besoins uniques de l’aéronautique en termes de puissance, fiabilité et compacité. Chaque machine a été analysée en intégrant les contraintes mécaniques, thermiques et électromagnétiques afin de garantir leur viabilité dans des environnements critiques. Pour compléter cette démarche, les modèles analytiques développés ont été intégrés dans une plateforme de conception multiphysique. Cette intégration permet de relier les différents blocs physiques, grâce à des couplages faibles ou forts selon les besoins. Cela offre une vision globale des performances des machines tout en identifiant les compromis nécessaires entre les différentes physiques. Cette méthodologie a été appliquée à des cas industriels concrets issus de cahiers des charges aéronautiques. Deux applications spécifiques ont été explorées : l’hybridation d’un turboréacteur d’un avion monocouloir régional et celle d’un turboréacteur d’un hélicoptère bimoteur. Ces études illustrent les défis et les opportunités qu’offre la montée en vitesse pour optimiser l’efficacité énergétique et réduire l’impact environnemental des systèmes aéronautiques.
Summary:
In a context where the quest for energy efficiency and a reduced environmental footprint is a priority, the aeronautics industry is exploring innovative solutions to improve the performance of on-board systems. One promising solution is to increase the speed of electrical machines. By increasing the rotational speed of generators, it becomes possible to reduce their weight and volume, a decisive advantage in a sector where every kilogram counts. However, this gain comes with major technical challenges, particularly in the demanding environments of aeronautics. High-speed generators pose specific problems. Conventional architectures, though efficient, are showing their limitations in the face of growing demand for electrical power. On the one hand, inertial stresses and vibrations increase with speed, making mechanical behaviour critical. On the other hand, thermal management remains complex for these high-power-density machines, while the use of permanent magnets can pose significant risks in the case of a stator short-circuit. Finally, the total weight of the system, including power electronics, remains a key factor. In this work, we have developed analytical models to meet these challenges and enable rapid evaluation of technological solutions to a given specification. Three physical aspects were studied in detail: mechanics, thermics and electromagnetism. On the mechanical side, analytical models have been developed to predict inertial stresses and vibrations at high speeds. These tools guarantee the mechanical integrity of electrical machines, even under extreme conditions. The various methods of assembling components to the rotor, such as shrink-fitting, bonding or prestressing, are taken into account to assess their impact on stresses and ensure system robustness. With regard to thermal aspects, analytical models have been designed to evaluate and optimize machine cooling, taking into account electrical losses and heat exchanges with the environment. Finally, for electromagnetism, analytical models have been adapted to high speed, enabling fast and accurate calculation of machine performance and electromagnetic losses. This rapid analytical approach is an invaluable decision-making tool for the pre-sizing and selection of architectures in the preliminary design phase. The study focused on two specific topologies of high-speed electrical machines, selected to meet the unique needs of the aerospace industry in terms of power, reliability and compactness. Each machine was analyzed by integrating mechanical, thermal and electromagnetic constraints to guarantee their viability in critical environments. To complete this approach, the analytical models developed have been integrated into a multiphysics design platform. This integration makes it possible to link the various physical blocks, using weak or strong couplings as required. This provides a global view of machine performance, while identifying the necessary trade-offs between different physics. This methodology was applied to concrete industrial cases based on aeronautical specifications. Two specific applications were explored: the hybridization of a turbojet engine for a regional single-aisle aircraft, and the hybridization of a turbojet engine for a twin-engine helicopter. These studies illustrate the challenges and opportunities offered by increasing speed to optimize energy efficiency and reduce the environmental impact of aeronautical systems.