Faculté des sciences et techniques de l'ingénieur STI, Section de microtechnique, Institut de production et robotique IPR

Active magnetic bearing design and characterization for high temperature applications

Burdet, Luc ; Siegwart, Roland (Dir.)

Thèse sciences Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 2006 ; no 3616.

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    Summary
    This thesis is motivated by one of the largest markets: aviation. This market, in which competition and investments are extraordinary, requires constant technical improvements in order to increase its competitiveness. Jet engines have an important influence on fuel consumption and servicing of airplanes, thus on the transportation cost. The present work was supported by the European Community [9]. This thesis investigates the use of active magnetic bearings for jet engines. It is expected that magnetic bearings could considerably reduce losses and service intervals in jet engines. The present work concentrates on the design and characterization an active magnetic bearing for applications at high temperature. The report begins with an introduction locating the accomplished work into the current economic and technical context. The advantages of such system are given, as well as the scientific contribution of the research which has been undertaken. An introduction to magnetic bearings is given, so that the key elements of the dimensioning of such a system are comprehensible for readers of all horizons. The maximum force produced by magnetic bearings is mainly limited by the heating related to the losses in the coils. A thermal model for high temperature magnetic bearings has been implemented. An experimental part allowed the validation of this model for a wide temperature range. The construction of a magnetic bearing requires various types of materials; soft magnetic materials, electrical conductors, electrical insulators as well as several fixation materials. Tests have been carried out and a catalogue lists the materials available for high temperature magnetic bearings. Position sensors are usually used in magnetic bearings. Eddy current position sensors have been developed. They were realized with coils printed on a ceramics substrate by using thick-film technology. Measurements done at high temperature show the great characteristics of these sensors. Problems of silver migration between the wires welding have been encountered during tests carried out at high temperature. Various solutions have been tested with the aim of avoiding the silver migration. The materials exposed at high temperature have unfortunately sometimes a limited lifespan. Studies of failures related to an exposure at high temperature have been done. Some failures are detectable by the magnetic bearing. An example of detection of possible short-circuits in the actuator coils is presented. Finally a prototype of an active magnetic bearing system with five degrees of freedom has been built. A furnace especially developed, makes it possible to create environments at high temperature. The characteristics of the active magnetic bearing have been measured during levitation at ambient temperatures from 25°C up to 550°C.
    Résumé
    Cette thèse est née d'un des plus grands marchés actuels: l'aviation. En effet, ce marché dans lequel la concurrence et les sommes mises en jeu sont extraordinaires, nécessite un besoin constant d'améliorations notamment techniques pour augmenter sa compétitivité. Les turbines d'avion ont une influence non négligeable sur la consommation de kérosène et sur la maintenance des avions, donc sur les coûts du transport aérien. La thèse présentée ici traite du sujet et est supportée par la communauté européenne [9]. Cette thèse débute par une introduction situant ce travail dans les mondes économique et technique actuels. Les avantages d'un tel système sont donnés, ainsi que la contribution scientifique des recherches qui ont été menées. Une introduction sur les paliers magnétiques est donnée, de manière à ce que les éléments clefs du dimensionnement d'un tel système soient compréhensibles pour des lecteurs de tous horizons. La force maximale pouvant être produite par des paliers magnétiques est en grande partie limitée par l'échauffement lié aux pertes du système. Un modèle thermique du palier valide pour les hautes températures a été implémenté. Une partie expérimentale a permis la validation de ce modèle sur une large gamme de températures. La construction d'un palier magnétique nécessite différents types de matériaux; des matériaux magnétiques doux, des conducteurs électriques, des isolants électriques ainsi que plusieurs matériaux de fixation. Des tests ont été menés et un catalogue répertorie les matériaux disponibles pour la conception de systèmes électro-magnétiques fonctionnant à haute température. Les paliers magnétiques fonctionnent pour la majorité des cas avec des capteurs de position. Des capteurs de position à courants de Foucault ont été développés. Ils ont été réalisés avec des bobines imprimées sur un substrat en céramique, en utilisant la technologie des couches épaisses. Des mesures pratiquées à haute température montrent les propriétés de ces capteurs. Des problèmes de migration d'argent ont [été*] rencontrés entre les soudures de fils, lors de tests effectués à haute température. Diverses solutions ont été testées dans le but de stopper cette migration de l'argent. Les matériaux exposés à haute température ont malheureusement une durée de vie parfois limitée. Une étude des problèmes menant aux dysfonctionnements liés à une exposition à la haute température est présentée. Certains dysfonctionnements provoquent des détériorations détectables par le palier magnétique. Un exemple de détection d'éventuels courts-circuits dans les bobines d'actuateur est développé. Finalement un prototype de palier magnétique comprenant cinq degrés de liberté a été construit. Un four développé pour l'occasion permet de créer un environnement à haute température. Les caractéristiques du palier pendant la lévitation ont été mesurées à partir de la température ambiante jusqu'à 550°C. *[NdE: ajouté par l'Editeur]