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H3X expédie des entraînements électriques avancés pour les essais des clients

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La start-up américaine H3X commence à livrer un moteur électrique à haute densité de puissance à des clients pour des essais dans des applications aérospatiales et de défense, y compris des avions électriques.

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L'entraînement moteur intégré HPDM-30 pèse 4,1 kg (9 lb) et a été testé à une puissance continue allant jusqu'à 33 kW, ce qui convient à une utilisation dans les avions sans équipage et les petits véhicules.

Basée à Denver, H3X développe des moteurs avancés à aimant permanent à flux radial qui utilisent des matériaux et des procédés de fabrication novateurs pour maximiser la densité de puissance. La start-up vise une puissance de 10 kW/kg pour le moteur intégré et le convertisseur/contrôleur. En comparaison, la densité de puissance des moteurs électriques d'avion existants peut atteindre 5 kW/kg.

H3X travaille dans le cadre de la première phase d'un contrat de recherche sur l'innovation pour les petites entreprises de la NASA afin de concevoir un moteur pour alimenter un modèle à l'échelle de 25 % du concept de moteur arrière unique subsonique (SUSAN). SUSAN est un concept d'avion de 180 places avec une portée économique de 750 m et un groupe motopropulseur hybride-électrique comprenant une seule turbosoufflante arrière produisant la poussée et générant de l'énergie électrique pour les moteurs distribués montés sur les ailes.

La start-up travaille également avec le bras d'innovation AFWerx de l'armée de l'air américaine pour caractériser les performances de son démonstrateur de moteur intégré HPDM-250. Celui-ci produit une puissance de pointe de 250 kW avec une densité de puissance pouvant atteindre 15 kW/kg en configuration d'entraînement direct. L'objectif est de tester le moteur en vol, en remplaçant l'un des groupes motopropulseurs d'un avion bimoteur existant, explique Max Liben, cofondateur et directeur technique de H3X.

Le premier produit de H3X, le HPDM-30, utilise la même technologie de moteur de base que le démonstrateur HPDM-250 mais dispose d'un onduleur différent. L'entraînement du moteur est conçu pour être évolutif jusqu'à 120 kW, le convertisseur à commutation rapide au carbure de silicium couvrant toute la gamme de puissance, explique M. Liben. "Nous avions initialement prévu de ne pas descendre en dessous de 250 kW, mais la demande de divers secteurs pour un entraînement moteur plus petit était si forte."

Dans le moteur de H3X, le noyau magnétique est constitué de tôles d'acier laminées qui sont embouties, empilées et collées ensemble pour produire le rotor et le stator. "Nous obtenons un facteur d'empilement élevé de plus de 98 %, ce qui signifie que le noyau fini est composé de 98 % d'acier et de 2 % de colle", précise-t-il.

La startup obtient également un facteur de remplissage élevé en cuivre et une conductivité thermique élevée dans les enroulements du moteur, ce qui permet d'obtenir des densités de courant élevées qui produisent plus de force. "Nous remplissons les fentes avec autant de cuivre que nous le pouvons physiquement. La conductivité thermique à l'intérieur du cuivre est cinq à dix fois supérieure à celle de l'état de l'art", explique M. Liben. "L'air est un mauvais conducteur, nous en retirons donc autant que possible et le remplaçons par un bon conducteur. C'est un problème de matériaux difficile à résoudre." Le moteur et le variateur sont dotés d'un système de refroidissement liquide intégré.

Au-delà du HPDM-30, H3X prévoit de développer un moteur d'entraînement de 200 kW pour des applications aérospatiales, ainsi qu'une conception multisectorielle qui sera disponible dans des configurations de deux à douze segments produisant jusqu'à 2,8 mégawatts de puissance continue avec une densité de puissance de plus de 12 kW/kg.

Dans la conception multisectorielle, le moteur de 200 kW est "déroulé" en un segment d'arc qui est ensuite reproduit : quatre segments produiront 800 kW de puissance continue. Selon M. Liben, cette conception offre une grande tolérance aux pannes. Chaque secteur dispose d'un onduleur triphasé et d'un enroulement indépendants. Après une seule défaillance de l'onduleur ou de l'enroulement, un moteur à deux secteurs produira encore la moitié de sa puissance ; un moteur à 12 secteurs ne perdra qu'un douzième de sa puissance, précise-t-il.

Au fur et à mesure que l'on augmente la puissance du moteur, sa vitesse de sortie diminue. Un moteur de 200 kW tournera à 20 000 tr/min et nécessitera un réducteur. Un moteur de 800 kW fonctionnera à 5 000 tr/min sans réducteur. "Les systèmes de classe mégawatt destinés à alimenter les avions seront probablement directement couplés au propulseur", explique M. Liben, ajoutant que les moteurs d'entraînement peuvent ensuite être empilés sur le même arbre pour produire des systèmes multi-mégawatts capables d'alimenter des avions commerciaux à couloir unique.