Brevet FR2976421A1 — publié le 20121214

Arrière-plan de l'invention La présente invention se rapporte à la sécurité d'une machine électrique. L'invention concerne notamment une machine électrique à bord d'un aéronef, sécurisée contre les risques de surchauffe. La solution généralement utilisée pour la génération d'électricité à bord d'un aéronef est une machine synchrone à inducteur bobiné, à deux ou trois étages. Cette solution présente plusieurs avantages, notamment la qualité de la tension alternative générée et la facilité de régulation en tension. Un autre avantage de ce type de machine est l'aspect sécuritaire. En effet, en cas de défaut électrique, par exemple de court-circuit, il suffit de couper l'alimentation de l'inducteur bobiné pour désexciter la machine. On évite ainsi les risques de surchauffe et les hautes tensions inacceptables. Cependant, cette solution implique généralement un volume, une masse, et un coût importants. Ainsi, on envisage l'utilisation d'autres types de machine électrique pour générer de l'électricité à bord d'un aéronef. Notamment, on envisage l'utilisation d'une machine à aimants permanents. Les solutions connues pour sécuriser une machine à aimants permanents contre les risques de surchauffe sont l'utilisation d'un embrayage commandé et la conception d'une machine à faible courant de court-circuit (également appelé courant de défaut). Un embrayage commandé permet d'arrêter la rotation du rotor en cas de défaut électrique détecté. Cette solution a toutefois un impact négatif sur le coût, le volume, la masse et la fiabilité de la machine électrique. La conception d'une machine à faible courant de court-circuit se traduit par une impédance interne importante. Il en résulte l'exigence d'avoir soit une charge constante, soit une charge qui tolère de fortes variations de tension d'alimentation. Il existe donc un besoin pour l'amélioration des solutions permettant de sécuriser une machine à aimants permanents contre les risques de surchauffe. Objet et résumé de l'invention L'invention propose de répondre à ce besoin en proposant une machine électrique comprenant un premier ensemble et un deuxième ensemble aptes à être entrainés en rotation l'un par rapport à l'autre, le premier ensemble incluant un circuit magnétique et un circuit électrique, une variation de flux magnétique dans le circuit magnétique induisant une force électromotrice dans le circuit électrique, le deuxième ensemble incluant au moins un aimant permanent. Cette machine est remarquable en ce que le circuit magnétique est réalisé au moins en partie en matériau ferromagnétique présentant une température de Curie inférieure ou égale à 300°C. Dans la cadre de la présente description, un matériau dont la température de Curie est inférieure ou égale à 300°C est considéré comme un matériau à faible température de Curie. L'invention propose donc d'utiliser un matériau à faible température de Curie dans le circuit magnétique d'une machine électrique. En cas de défaut électrique, par exemple en cas de court-circuit, le courant électrique circulant dans le circuit électrique peut augmenter et provoquer une augmentation de la température. Lorsque la température de Curie du matériau à faible température de Curie est atteinte, une partie du circuit magnétique devient paramagnétique. Il y a donc une réduction de la surface magnétique équivalente du circuit magnétique, ce qui entraine une augmentation sensible de la reluctance et une baisse du flux magnétique. Ceci a pour effet direct de diminuer le courant de défaut. On constate qu'en cas de défaut électrique, le courant de défaut est limité et la température de la machine électrique ne dépasse pas (ou ne dépasse pas sensiblement) la température de Curie du matériau à faible température de Curie. Ainsi, en choisissant un matériau dont la température de Curie est inférieure ou égale à la température maximale de fonctionnement admissible de la machine électrique, il est possible de sécuriser la machine électrique contre les risques de surchauffe. Il n'est pas nécessaire de prévoir un embrayage commandé ni de concevoir la machine pour un faible courant de défaut. Le premier ensemble peut être un stator et le deuxième ensemble peut être un rotor. Une configuration inverse est également possible. Le circuit magnétique peut être réalisé par un empilage de tôles, au moins certaines desdites tôles étant réalisées en matériau présentant une température de Curie inférieure ou égale à 300°C. Dans un mode de réalisation, le circuit magnétique comprend des barres longitudinales présentant une température de Curie inférieure ou égale à 300°C. Dans un mode de réalisation, le circuit magnétique comprend un cylindre présentant une température de Curie inférieure ou égale à 300°C. Le matériau ferromagnétique peut être par exemple du Gadolinium ou un alliage de fer et de nickel. La température de Curie du matériau ferromagnétique peut être inférieure ou égale à 250°C, inférieure ou égale à 200°C, inférieure ou égale à 150°C. En particulier, on peut choisir un matériau dont la température de Curie est inférieure ou égale à la température de fonctionnement admissible maximale de la machine électrique. L'invention propose aussi un aéronef comprenant une machine électrique conforme à l'invention. Brève description des dessins D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description faite ci-dessous, en référence aux dessins annexés qui en illustrent des exemples de réalisation dépourvus de tout caractère limitatif. Sur les figures : - la figure 1 est un graphe qui illustre la température de Curie d'un matériau, - la figure 2 est une vue en coupe schématique d'une machine électrique selon un premier mode de réalisation de l'invention, - les figures 3 et 4 sont des vues similaires à la figure 2, représentant d'autres modes de réalisations, et - les figures 5A et 5B sont des vues schématiques en perspective, illustrant encore un autre mode de réalisation de l'invention. Description détaillée de modes de réalisation Dans un matériau ferromagnétique, la température de Curie est la température Tc à laquelle le matériau perd son aimantation spontanée. Au-dessus de cette température, le matériau est dans un état désordonné dit paramagnétique. La figure 1 illustre la température de Curie Tc d'un matériau donné. La figure 1 est un graphe sur lequel la courbe 1 représente l'évolution du flux magnétique B en fonction de la température T. La tangente au point d'inflexion 2 coupe l'axe B = 0 à la température Tc. Dans le cadre de la présente description, on entend par « matériau à faible température de Curie » un matériau dont la température de Curie est inférieure ou égale à 300°C. La présente invention propose de réaliser au moins une partie du circuit magnétique d'une machine électrique en matériau à faible température de Curie. Un exemple de matériau à faible température de Curie est le Gadolinium. Un autre exemple de matériau à faible température de Curie est un alliage de fer et de nickel (70% / 30%) ayant subi un traitement visant à abaisser sa température de Curie entre 20°C et 260°C. La figure 2 est une vue schématique, en coupe, d'une machine électrique 3 selon un premier mode de réalisation de l'invention. La machine électrique 3 est une machine à aimants permanents et comprend un stator 4 et un rotor 5. Le stator 4 comprend un circuit magnétique 6 et un circuit électrique 7. Le circuit magnétique 6 présente une portion périphérique 8 globalement cylindrique et des pôles 9 s'étendant vers le rotor 5. Sur la figure 2, le circuit électrique 7 est représenté partiellement. Ainsi, même si la figure 2 représente le circuit électrique 7 bobiné autour d'un seul pôle 9, il faut comprendre qu'il peut être bobiné autour de plusieurs pôles 9 du circuit magnétique 6. D'autres formes de bobinage sont également envisageables. Dans la machine électrique 3 de la figure 2, le circuit magnétique 6 est réalisé par un empilage de tôles, dont certaines sont réalisées en matériau à faible température de Curie. Le rotor 5 portes des aimants permanents 10. Lorsque le rotor 5 est entrainé en rotation par rapport au stator 4, le flux magnétique dans le circuit magnétique 6 varie et induit donc une force électromotrice dans le circuit électrique 7. En cas de défaut électrique, par exemple en cas de court-circuit, le courant électrique circulant dans le circuit électrique 7 peut augmenter et provoquer une augmentation de la température de la machine électrique 3. Lorsque la température de Curie du matériau à faible température de Curie est atteinte, une partie du circuit magnétique 6 devient paramagnétique. Il y a donc une réduction de la surface magnétique équivalente du circuit magnétique 6, ce qui entraine une augmentation sensible de la reluctance et une baisse du flux magnétique. Ceci a pour effet direct de diminuer le courant de défaut. En pratique, le courant de défaut va se stabiliser à une valeur correspondant à la température de Curie. On constate qu'en cas de défaut électrique, le courant de défaut est limité et la température de la machine électrique 3 ne dépasse pas (ou ne dépasse pas sensiblement) la température de Curie du matériau à faible température de Curie. Ainsi, en choisissant un matériau dont la température de Curie est inférieure ou égale à la température maximale de fonctionnement admissible de la machine électrique 3, il est possible de sécuriser la machine électrique 3 contre les risques de surchauffe. La figure 3 représente une machine électrique selon un deuxième mode de réalisation de l'invention. Les éléments identiques ou similaires à des éléments du mode de réalisation de la figure 2 sont désignés par les mêmes références. Dans la machine électrique 3 de la figure 3, le circuit magnétique 6 est réalisé par un empilage de tôles, et par des barres longitudinales 11 logées dans la portion périphérique 8. Les barres longitudinales 11 sont réalisées en matériau à faible température de Curie. De manière similaire au mode de réalisation de la figure 2, un défaut électrique entrainant une augmentation de température jusqu'à la température de Curie des barres longitudinales 11 conduit à une réduction de la surface magnétique équivalente du circuit magnétique 6, ce qui entraine une augmentation sensible de la reluctance et une baisse du flux magnétique. La figure 4 représente une machine électrique selon un troisième mode de réalisation de l'invention. Les éléments identiques ou similaires à des éléments du mode de réalisation de la figure 2 sont désignés par les mêmes références. Dans la machine électrique 3 de la figure 4, le circuit magnétique 6 est réalisé par un empilage de tôles, et par un cylindre 12 qui entoure la portion périphérique 8. Le cylindre 12 est réalisé en matériau à faible température de Curie. De manière similaire au mode de réalisation de la figure 2, un défaut électrique entrainant une augmentation de température jusqu'à la température de Curie du cylindre 12 conduit à une réduction de la surface magnétique équivalente du circuit magnétique 6, ce qui entraine une augmentation sensible de la reluctance et une baisse du flux magnétique. Les figures 5A et 5B représentent le circuit magnétique 6 d'une machine électrique selon un quatrième mode de réalisation de l'invention, respectivement en vue éclatée et en perspective. Par rapport au mode de réalisation de la figure 2, les pôles 9 sont remplacés par des dents réalisées séparément de la portion périphérique 8. Dans la machine électrique des figures 5A et 5B, la partie périphérique 8 du circuit magnétique 6 est réalisé par un empilage de tôles, dont au moins certaines sont réalisées en matériau à faible température de Curie. Ici également, un défaut électrique entrainant une augmentation de température jusqu'à la température de Curie du matériau à faible température de Curie conduit à une réduction de la surface magnétique équivalente du circuit magnétique 6, ce qui entraine une augmentation sensible de la reluctance et une baisse du flux magnétique. On a décrit des modes de réalisation dans lequel le stator comprend un circuit magnétique et le rotor porte des aimants permanents. L'invention concerne toutefois une configuration inverse, c'est-à-dire une machine électrique dans laquelle le rotor comprend un circuit magnétique et le stator porte des aimants permanents. La machine électrique étant sécurisée contre les risques de surchauffe, elle ne doit pas être conçu pour un faible courant de défaut et ne doit donc pas présenter une impédance interne élevée. Une machine électrique conforme à l'invention peut donc être utilisée dans les applications dans laquelle la charge requiert une tension relativement constante en fonction de la puissance, et dans laquelle la vitesse de rotation est relativement constante. La machine électrique conforme à l'invention peut être utilisée en moteur ou en générateur. Par exemple, des applications possibles sont l'alimentation d'un circuit de dégivrage d'un aéronef et un moteur pour actionneur électrique d'un moteur d'aéronef. L'invention n'est toutefois pas limitée au domaine aéronautique et peut concerner toute machine tournante dans laquelle il est nécessaire de limiter la température. En complément à l'utilisation de matériau à faible température de Curie, une machine électrique conforme à l'invention peut être conçue pour présenter un faible courant de court-circuit, selon les techniques connues. REVENDICATIONS1. Machine électrique (3) comprenant un premier ensemble (4) et un deuxième ensemble (5) aptes à être entrainés en rotation l'un par rapport à l'autre, le premier ensemble (4) incluant un circuit magnétique (6) et un circuit électrique (7), une variation de flux magnétique dans le circuit magnétique (6) induisant une force électromotrice dans le circuit électrique (7), le deuxième ensemble (5) incluant au moins un aimant permanent (10), caractérisée en ce que le circuit magnétique (6) est réalisé au moins en partie en matériau ferromagnétique présentant une température de Curie inférieure ou égale à 300°C. 2. Machine électrique selon la revendication 1, dans laquelle ledit premier ensemble (4) est un stator et le deuxième ensemble (5) est un rotor. 3. Machine électrique selon l'une des revendications 1 et 2, dans laquelle le circuit magnétique (6) est réalisé par un empilage de tôles, au moins certaines desdites tôles étant réalisées en matériau présentant une température de Curie inférieure ou égale à 300°C. 4. Machine électrique selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel le circuit magnétique (6) comprend des barres (11) longitudinales présentant une température de Curie inférieure ou égale à 300°C. 5. Machine électrique selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel le circuit magnétique (6) comprend un cylindre (12) présentant une température de Curie inférieure ou égale à 300°C. 6. Machine électrique selon l'une des revendications 1 à 5, dans lequel ledit matériau ferromagnétique est du Gadolinium. 7. Machine électrique selon l'une des revendications 1 à 5, dans 35 lequel ledit matériau ferromagnétique est un alliage de fer et de nickel. 5 8. Machine électrique selon la revendication 1, dans laquelle la température de Curie du matériau ferromagnétique est inférieure ou égale à 250°C, de préférence inférieure ou égale à 200°C, de préférence inférieure ou égale à 150°C. 9. Aéronef comprenant une machine électrique (3) selon l'une des revendications 1 à 8. 10