Système de dégivrage mécanique

CONTEXTE GÉNÉRAL DE L’ÉTUDE

Aujourd’hui, l’utilisation des hélicoptères pour diverses tâches et dans différents domaines est devenue indispensable. Ils prennent une place de plus en plus grande dans la vie moderne. Ils remplissent de nombreuses missions civiles et militaires dans des secteurs variés : le transport aérien, la prospection pétrolière, l’agriculture, la protection, le sauvetage des personnes, la sauvegarde des forêts, etc. L’exemple des régions éloignées est frappant. Dans ces régions, la nécessité d’utiliser les hélicoptères pour diverses missions telles que l’évacuation des blessés, le transport du personnel et de l’équipement de soutien pour l’installation des réseaux de communication, est évidente.

La Garde côtière canadienne (GCC) se sert des hélicoptères pour de multiples tâches, comme; assurer la sécurité de la navigation tout au long de l’année sur les côtes canadiennes, effectuer des opérations de déglaçage, assister les opérations de recherche et de sauvetage et couvrir les interventions environnementales [GCC-2012]. Vu l’envergure que prend l’emploi des hélicoptères, elles doivent être opérationnelles en tout temps quelles que soient les circonstances et les conditions météorologiques. Les conditions climatiques défavorables peuvent causer des problèmes au transport aérien en général et aux hélicoptères en particulier. Les problèmes s’accentuent quand ces conditions génèrent du givrage atmosphérique particulièrement présent dans l’Est canadien, connu pour son climat extrême durant les longs mois d’hiver. Certains appareils sont alors cloués au sol, réduisant grandement les capacités de secourismes et de transport qui en dépendent énormément.

En plus de la diminution du temps de service, les utilisateurs des hélicoptères font face à d’importantes pertes économiques. Selon PIHIPC (International Helicopter Ice Protection Conference), cité par Aubert dans [AUB-2003], les opérations de la marine canadienne, en hiver, diminuent de 25 % au large des côtes de la Nouvelle-Ecosse. Selon la même source, au Royaume-Uni, 7 % des vols d’hélicoptères de formation n’ont pas lieu en raison des conditions givrantes. En hiver, aux États-Unis, New York Airways ferme ses portes un jour par mois à cause de ces conditions [AUB-2003]. Depuis les années 1950, les fabricants et les organismes gouvernementaux mènent des recherches et développements sur les différentes méthodes de protection contre le givre des rotors d’hélicoptères. Les premiers systèmes qui ont vu le jour utilisaient les gaz d’échappement de l’engin pour éviter l’accumulation de glace sur les surfaces aérodynamiques de l’appareil. D’autres systèmes sont apparus par la suite, dont ceux utilisant l’énergie électrique (électrothermique), ceux à base de fluide antigivre ou encore ceux utilisant des forces mécaniques [PAL-2008]. A l’heure actuelle, le système de dégivrage électrothermique est le seul à être utilisé dans les gros hélicoptères militaires ou commerciaux qui ont été certifiés et autorisés à voler dans les conditions givrantes.

Quelques gros hélicoptères, dont les pales sont dégivrées à l’aide de systèmes électrothermiques, sont certifiés pour voler dans des nuages givrants. Par contre, les petits hélicoptères ne le sont pas, car ils ne disposent pas de l’énergie électrique nécessaire au fonctionnement du système de chauffage qui est de l’ordre de 40 kW/m2 [CRI-2006], [FLE- 2003]. Ajoutées à l’insuffisance énergétique, des bagues collectrices sont indispensables pour le transfert de l’énergie de la partie fixe au rotor de l’hélicoptère. L’utilisation de ces bagues est complexe et augmente les coûts d’opération ce qui n’est pas souhaitable. Malgré l’existence de ces systèmes de dégivrage, les petits hélicoptères ne sont pas encore autorisés à voler dans les conditions climatiques givrantes. L’industrie de l’hélicoptère a un besoin réel d’innovation pour contrer les problématiques reliées à ces conditions. Les exploitants et les fabricants d’hélicoptères sont à la recherche de systèmes de protection contre la glace plus rentables.

Les chercheurs continuent de travailler dans ce domaine afin d’améliorer les systèmes existants ou de trouver de nouvelles méthodes pour que les appareils restent opérationnels malgré ces conditions. Dans le but de rendre utilisable le système électrothermique pour protéger les petits hélicoptères contre le givre, les entreprises d’hélicoptères recherchent un nouveau concept pour alimenter les éléments chauffants. L’idée générale proposée dans cette thèse consiste à remplacer la source d’alimentation en puissance des systèmes de protection contre le givre ainsi que les bagues transférant cette puissance par une génératrice électrique montée directement sur le mât de l’hélicoptère. La génératrice, de ce fait, est appelée à fournir plus de puissance avec des poids et des encombrements de plus en plus réduits.

Le sujet de ce travail comporte l’étude et la recherche d’un prototype (génératrice et éléments chauffants) qui sera construit et caractérisé au laboratoire LIMA afin de valider son utilisation pour produire la puissance nécessaire au dégivrage des pales d’hélicoptères. Les génératrices existantes sur le marché, compte tenu de la puissance demandée et de l’espace réservé, doivent être constamment améliorées et surtout remises en cause. C’est dans cette optique de recherche de machines optimales que d’autres structures électrotechniques innovantes sont étudiées. Au fil du temps, plusieurs configurations de génératrices ont été réalisées pour répondre à des besoins bien spécifiques. Elles sont toutes constituées de matériaux magnétiques (fer-silicium, poudre de fer, etc.), d’enroulement de fils (cuivre, aluminium, etc.) ou d’aimants permanents. Selon la façon dont sont montés et alimentés les composants (matériaux magnétiques et cuivre), de multiples types de génératrices sont conçues. On peut les classer en deux principales familles : les génératrices à courant continu et les génératrices à courant alternatif. Ces dernières peuvent aussi être classées en deux différents types : synchrones et asynchrones. Pour l’application visée, le choix entre les types de génératrices existants est limité par des contraintes géométriques, par la valeur de la puissance massique ainsi que par le facteur économique. Dans ce contexte, il est préférable d’utiliser une génératrice polyphasée parce qu’elle produit plus de puissance par rapport à une génératrice monophasée de même encombrement et de même poids.

MÉTHODOLOGIE

La conception des systèmes destinés à des applications embarquées, comme celle visée, doit satisfaire à des exigences spécifiques. En effet, en plus des performances exigées, le poids et l’encombrement doivent être pris en considération lors de la conception. La machine à flux transverse choisie pour cette étude est un convertisseur électromagnétique, dont le principe de fonctionnement obéit aux lois classiques de l’électromagnétisme. Le dimensionnement d’un tel convertisseur passe par la résolution des équations de Maxwell. Pour cela, trois méthodes sont applicables : l’approche analytique, la méthode des éléments finis et la méthode hybride. Afin que la méthode de dimensionnement soit efficace, elle doit être fiable, transposable et rapide. Fiable et transposable de manière à comparer les performances de différentes structures sans limitation de validité, et rapide pour évaluer un grand nombre de variantes dans une optique d’optimisation.

Le principe de la méthode analytique repose sur la mise en équation des sources de flux et ses chemins de circulation, estimés en respectant le théorème d’Ampère et le principe de conservation du flux. Cette méthode est basée sur l’analogie du circuit magnétique et à celle d’un circuit électrique. La méthode des éléments finis s’appuie sur la discrétisation surfacique ou volumique d’un domaine pour résoudre les équations différentielles de Maxwell. En fonction de la nature du problème (2D, 3D, régime transitoire, régime permanent), des logiciels dédiés à cette méthode, tel que « Flux3D », permettent la résolution du problème en plusieurs étapes. Cette méthode exige un temps de calcul considérable. Quant à l’approche hybride, elle se base sur la représentation d’un problème par un réseau de reluctances dont une partie des éléments est calculée en utilisant la méthode des éléments finis. Le but est d’améliorer la précision des modèles analytiques purs tout en conservant leurs performances en optimisation.

Enfin, le principe de la méthode de conception proposée dans ce travail pour la génératrice à flux transverse consiste à associer des modèles analytiques et des modélisations par calcul de champ. En respectant le cahier des charges et dans une première étape du processus de conception, l’estimation des dimensions géométriques de la structure retenue est obtenue en écrivant les équations analytiques qui traduisent les lois d’Ampère et les règles de conservation du flux dans les différentes parties du circuit magnétique de la génératrice. La deuxième étape, quant à elle, consiste à raffiner, jusqu’à la précision souhaitée, les différentes dimensions géométriques retrouvées dans la première partie en maximisant les performances de la structure.

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Table des matières

RÉSUMÉ
ABSTRACT
REMERCIEMENTS
TABLE DES MATIÈRES
LISTE DES FIGURES
LISTE DES TABLEAUX
NOMENCLATURE
CHAPITRE 1 INTRODUCTION GÉNÉRALE
1.1 Contexte général de l’étude
1.2 Problématique
1.3 Objectifs .
1.4 Contributions du travail
1.5 Méthodologie
1.6 Plan de la thèse
CHAPITRE 2 REVUE DE LA LITTÉRATURE SUR LES SYSTÈMES DE DÉGIVRAGE DES AÉRONEFS EN COURS DE VOL ET LEURS SOURCES D’ALIMENTATION
2.1 Introduction ô.
2.2 Description générale des systèmes de dégivrage destinés aux aéronefs
2.2.1 Système de dégivrage mécanique
2.2.2 Système de dégivrage à base de fluide antigivrant
2.2.3 Système de dégivrage thermique
2.2.4 Sommaire des systèmes de dégivrage des aéronefs
2.3 Machines électriques comme sources d’énergie pour le dégivrage électrothermique des aéronefs en cours de vol .
2.3.1 Machine synchrone à aimants permanents
2.3.2 Machine synchrone à rotor bobiné
2.3.3 Machine asynchrone
2.3.4 Machine à reluctance variable
2.3.5 Sommaire des machines électriques
2.4 Conclusion
CHAPITRE 3 ÉTAT DE L’ART DES CONNAISSANCES SUR LA MACHINE À FLUX TRANSVERSE
3.1 Principe de fonctionnement
3.2 Configurations de la machine
3.2.1 Machine à flux transverse à simple face
3.2.2 Machine à flux transverse à double face
3.2.3 Machine à flux transverse à griffes
3.2.4 Machine à flux transverse triphasée
3.3 Avantages des machines à flux transverse
3.4 Matériaux adaptés aux machines électriques à flux transverse
3.4.1 Sources de champ
3.4.2 Circuits magnétiques
3.4.3 Bobinage de la machine
3.5 Conclusion
CHAPITRE 4 MODÈLE ANALYTIQUE D’UNE MSAP À FLUX TRANSVERSE EN VUE DE SON OPTIMISATION
4.1 Introduction
4.1.1 Contraintes pour l’optimisation
4.2 Description de la géométrie de la machine et du trajet de son flux principal
4.2.1 Géométrie de la machine
4.2.2 Trajet du flux principal
4.3 Expression du couple produit par une phase de la machine
4.3.1 Courant électrique dans l’enroulement et déphasage
4.3.2 Force électromotrice
4.3.3 Pertes Joule
4.3.4 Pertes ferromagnétiques
4.3.5 Rendement
4.4 Modélisation du circuit magnétique par réseau de reluctances
4.4.1 Modélisation de l’aimant
4.4.2 Expression analytique des reluctances
4.4.3 Inductance statorique
4.4.4 Point de fonctionnement de l’aimant
4.5 Résolution du réseau de reluctances
4.5.1 Géométrie initiale
4.5.2 Caractéristiques principales de la structure
4.5.3 Etude paramétrique
4.6 Conclusion
CHAPITRE 5 MODÈLE NUMÉRIQUE DE LA MACHINE À FLUX TRANSVERSE EN VUE DE SA CONCEPTION
5.1 Introduction à la modélisation numérique
5.1.1 Modélisation numérique de la machine à flux transverse
5.2 Caractéristiques de la structure retenue et exploitation des résultats
5.2.1 Fonctionnement à vide
5.2.2 Fonctionnement en charge
5.2.3 Inductance synchrone
5.3 Amélioration des performances de la structure
5.3.1 Caractéristiques de la structure améliorée :
5.4 Conclusion
CHAPITRE 6 RÉALISATION DU PROTOTYPE DE LA MSAP À FLUX TRANSVERSE ET CARACTÉRISATION
6.1 Introduction
6.2 Description de la géométrie de la machine
6.3 Choix des matériaux
6.3.1 Stator
6.3.2 Rotor
6.3.3 Aimants
6.3.4 Roulements
6.4 Description du banc d’essai
6.5 Apports de la réalisation
6.5.1 Matériaux
6.5.2 Structure ;
6.5.3 Premières améliorations envisageables
6.6 Résultats expérimentaux
6.6.1 Prototype 1
6.6.2 Prototype II
6.7 La génératrice dans le système de dégivrage
6.8 Conclusion
CHAPITRE 7 ÉTUDE D’UNE NOUVELLE TOPOLOGIE DE LA MACHINE À FLUX TRANSVERSE
7.1 Introduction
7.1.1 Description de la géométrie
7.1.2 Conditions aux limites
7.1.3 Maillage
7.1.4 Matériaux magnétiques et bobinage
7.2 Caractéristiques de la nouvelle structure
7.2.1 Fonctionnement à vide
7.2.2 Fonctionnement en charge
7.3 Conclusion
CHAPITRE 8 CONCLUSIONS ET ReCOMMANDATIONS
8.1 Conclusions
8.2 Recommandations et perspectives
ANNEXE 1 PRINCIPALES CARACTÉRISTIQUES GÉOMÉTRIQUES DES CONDUCTEURS RONDS USUELS
ANNEXE 2 LES CARACTÉRISTIQUES DES DIFFÉRENTS MATÉRIAUX CONSTITUANT LA MACHINE CONÇUE
ANNEXE 3 RÉSULTATS DES DEUX PROTOTYPES FABRIQUÉS AU LIMA