Brevet FR3025665A1 — publié le 20160311

Moteur électrique de forte puissance à refroidissement par flux gazeux inversable La présente invention concerne un moteur électrique, comprenant : - un carter dans lequel est logé un rotor et un stator, le rotor étant lié en rotation avec un arbre du moteur autour d'un axe de rotation, - une roue à pales, solidaire en rotation avec l'arbre, comportant une pluralité de pales réparties circonférentiellement sur cette roue à pales, et destinée à générer un flux gazeux le long du carter dans une direction parallèle à l'axe de rotation de l'arbre, en vue de refroidir le moteur, - une enveloppe entourant au moins partiellement le carter de manière à délimiter avec ce carter un conduit de guidage du flux gazeux. Un moteur électrique comporte de manière classique un stator et un rotor agencé en regard du stator. Le rotor est solidaire d'un arbre du moteur et entraine cet arbre en rotation lorsque le moteur électrique est alimenté électriquement. Dans certains types de moteurs, l'arbre peut tourner dans un sens horaire ou antihoraire en fonction du mode de fonctionnement de ce moteur. Ainsi, le moteur permet de manière classique de transformer une énergie électrique en énergie mécanique. Cette transformation d'énergie génère une énergie thermique parasite devant être évacuée afin d'assurer un bon rendement du moteur. A cet effet, un moteur électrique de forte puissance, par exemple tel que ceux utilisés embarqués sur des aéronefs, est généralement équipé avec un système de refroidissement. Ce système de refroidissement comporte par exemple une roue à pales solidaire en rotation avec l'arbre du moteur. La roue à pales a généralement une forme particulièrement aérodynamique pour générer un flux gazeux de refroidissement avec un débit important. Du fait de cette forme aérodynamique de la roue à pales, le débit du flux gazeux est optimisé dans un seul sens de rotation de la roue à pales. Ainsi, lorsque la roue à pales tourne dans le sens inverse, le débit du flux gazeux est très faible par rapport au flux gazeux optimisé et ne permet pas de refroidir suffisamment le moteur. Par conséquent, la performance du moteur est réduite, et le moteur peut en outre être endommagé. Pour cette raison, les moteurs électriques de forte puissance équipés avec une roue à pales sur leur arbre sont limités à un fonctionnement unidirectionnel. L'invention a pour but de proposer un moteur électrique, notamment de forte puissance, configuré pour fonctionner dans deux sens de rotation avec les mêmes performances, équipé avec un système refroidissement optimisé dans les deux sens de rotation. 3025665 2 A cet effet, l'invention a notamment pour objet un dispositif du type précité, dans lequel chaque pale de la roue à pales est symétrique par rapport à un axe de symétrie respectif, perpendiculaire à l'axe de rotation de l'arbre et passant par cette pale. Le dispositif selon l'invention peut comprendre une ou plusieurs des 5 caractéristiques suivantes, prise(s) isolément ou suivant toute combinaison techniquement possible : - chaque pale de la roue à pales s'étend le long d'un axe longitudinal perpendiculaire à l'axe de symétrie et présente une section rectangulaire ou trapézoïdale dans un plan transversal défini par l'axe de symétrie et un axe transversal perpendiculaire 10 à l'axe longitudinal ; - chaque pale de la roue à pales s'étend le long d'un axe longitudinal perpendiculaire à l'axe de symétrie et est symétrique selon un plan médian défini par l'axe longitudinal et l'axe de symétrie ; - chaque pale présente une section transversale en forme de S dans un plan 15 perpendiculaire à l'axe de symétrie ; - la roue à pales présente une première face tournée vers l'ensemble de rotor et stator, et une seconde face opposée à la première, ladite seconde face comportant un rebord périphérique circulaire, convergent vers l'axe de rotation dans une direction parallèle à l'axe de rotation ; 20 - l'arbre s'étend entre une première extrémité, à laquelle est connectée une roue à pales, et une seconde extrémité destinée à être connectée un consommateur d'énergie ; - l'arbre transmet à la roue à pales une puissance inférieure à 1/20 de la puissance nominale du moteur ; - l'enveloppe extérieure entoure latéralement la roue à pales ; 25 - des moyens de refroidissement additionnels, portés par le carter ; - la puissance électrique est comprise entre 10 et 100kW. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple, et faite en se référant aux dessins annexés, sur lesquels : 30 - la figure 1 est une vue en perspective d'une coupe, suivant un plan médian, d'un moteur électrique de forte puissance selon un premier exemple de mode de réalisation de l'invention, dans un premier mode de fonctionnement ; - la figure 2 montre la même vue du moteur que la figure 1, dans un second mode de fonctionnement ; 35 - la figure 3 est une vue en perspective d'une roue à pales équipant le moteur de la figure 1 et 2 ; 3025665 3 - la figure 4 est un détail d'une pale de la roue à pale de la figure 3 ; - la figure 5 est une vue similaire à la figure 4, montrant un détail d'une pale selon un autre mode de réalisation. Un moteur électrique 10 de forte puissance selon l'invention est illustré sur les 5 figures 1 et 2. Le moteur électrique 10 comporte un carter 12, dans lequel sont logés de manière classique un rotor 14 et un stator 16. Le stator 16 est solidaire avec le carter 12, et le rotor 14 est mobile en rotation autour d'un axe de rotation X-X'. Le rotor 14 est solidaire en rotation avec un arbre 18 du moteur 10 pour entrainer 10 cet arbre 18 autour de l'axe de rotation X-X'. De manière optionnelle, l'arbre 18 comporte un alésage axial à chaque extrémité, permettant de réduire le poids de cet arbre 18. Le moteur électrique 10 est alimenté électriquement au moyen d'un circuit électronique classique (non représenté) contrôlant l'alimentation électrique du moteur 15 pour une transformation d'énergie électrique en énergie mécanique. A cet effet, le circuit électronique règle une tension électrique d'alimentation du moteur 10 influençant la vitesse de rotation de l'arbre 18 ainsi que son sens de rotation. Au cours du fonctionnement du moteur 10, une énergie thermique parasite est produite. Cette énergie thermique est principalement dissipée par la surface extérieure du 20 carter 12. Le carter 12 comporte à cet effet des moyens de refroidissement 20. Les moyens de refroidissement 20 comportent par exemple des lamelles disposées parallèlement à l'axe de rotation X-X' L'arbre 18 du moteur 10 s'étend entre une première et une deuxième extrémité. La première extrémité de l'arbre 18 est destinée à recevoir une transmission 25 mécanique, afin d'alimenter un consommateur principal de l'énergie mécanique produite par le moteur 10. Conformément à un exemple non limitatif, un tel consommateur principal peut être un engrenage relié avec un train d'atterrissage d'un aéronef. La deuxième extrémité de l'arbre 18 est monté solidaire en rotation avec une roue 30 à pales 22 formant un consommateur d'énergie secondaire. La roue à pales 22 est destinée à refroidir le moteur 10 de manière optimale lorsque ce dernier fonctionne à une puissance nominale prédéterminée. Ce refroidissement du moteur garantit un bon rendement du moteur 10 et le protège du sur chauffage. 3025665 4 A cet effet, la roue à pales 22, lorsqu'elle est entraînée en rotation, génère un flux gazeux F parallèle à l'axe de rotation X-X'. Le flux gazeux F peut être un flux de quelconque de gaz, généralement d'air. Lorsque la roue à pales 22 est entraînée par l'arbre 18 du moteur 10 dans un sens 5 antihoraire autour de l'axe de rotation X'X', un premier flux gazeux F1, présentant une première orientation, est généré. Ce premier flux gazeux F1 est représenté sur la figure 1. En revanche, lorsque la roue 22 est entraînée dans un sens horaire, un second flux d'air F2, représenté sur la figure 2, présentant une seconde orientation opposée à la première orientation du premier flux gazeux F1, est généré. 10 Comme cela est visible sur la figure 3, la roue à pales 22 comporte un disque 24 circulaire, présentant une ouverture centrale pour sa fixation sur l'arbre 18 du moteur 10. La roue à pales 22 présente une première face, tournée vers le carter 12, et une seconde face opposée à la première. La roue à pales 22 comporte sur sa première face une extension centrale de forme 15 tubulaire s'étendant en saillie du disque, entourant partiellement l'arbre 18, optimisant ainsi la stabilité de la roue 22 sur l'arbre 18. Le disque 24 comporte, à sa périphérie, un rebord 26 s'étendant en saillie depuis les deux faces du disque 24, parallèlement à l'axe de rotation X-X'. Le diamètre du disque 24 avec le rebord 26 est sensiblement égal au diamètre du carter 12. 20 Le rebord 26 périphérique circulaire de la seconde face converge vers l'axe de rotation X-X' parallèlement à l'axe de rotation X-X' pour former une lame circulaire. Cette forme conique en section transversale du rebord 26 présente un aérodynamisme avantageux pour le flux gazeux F1 ou F2 généré par la roue à pales 22. Des pales 28 sont agencées sur le rebord 26 périphérique du disque 24, 25 s'étendant radialement depuis ce rebord 26. Plus particulièrement, la roue 22 comporte une pluralité de pales 28 réparties circonférentiellement autour de ce rebord 26. Par ailleurs, chaque pale 28 s'étend radialement, suivant l'axe de symétrie W-W', entre un bord inférieur, solidarisé au rebord 26, et un bord supérieur libre. Avantageusement, les bords inférieur et supérieur sont parallèles entre eux. 30 Chaque pale 28 de la roue 22 présente une hauteur radiale, définie comme la distance entre les bords inférieur et supérieur, cette hauteur radiale étant inférieure au rayon du disque 24. Plus précisément, la hauteur radiale de chaque pale 28 est telle qu'il y a un jeu minimal, nécessaire au fonctionnement, entre les pales 28 et l'enveloppe extérieure 30. 3025665 5 Préférentiellement, les moyens de refroidissement 20 du carter 12 sont disposés dans le flux gazeux F généré par les pales 28 de la roue à pales 22. Ainsi, les moyens de refroidissement 20 forment un passage d'admission ou d'éjection d'air. Chaque pale 28 s'étend principalement le long d'un axe longitudinal U-U' respectif. 5 Cet axe longitudinal U-U' est incliné d'un angle différent de 90° par rapport à l'axe de rotation X-X', si bien qu'il n'est ni parallèle ni perpendiculaire à l'axe de rotation X-X'. Préférentiellement, l'axe U-U' est incliné envers l'axe de rotation X-X' selon un angle permettant une incidence sur les pales 28 compatibles avec la théorie de la plaque plane. La théorie de la plaque plane est connue par l'homme du métier, notamment d'après 10 Gosse J., Mécanique des fluides, Technique de l'ingénieur, A 1870, §7.5. Chaque pale 28 est symétrique par rapport à un axe de symétrie W-W' respectif. L'axe de symétrie W-W' s'étend perpendiculairement à l'axe de rotation X-X', et il est perpendiculaire à l'axe longitudinal U-U'. Une telle forme de pale 28 symétrique permet de générer sensiblement le même débit de flux gazeux F indépendamment du sens de 15 rotation de la roue à pales 22. Ainsi, les débits des flux gazeux F1 et F2 sont sensiblement identiques, à une tolérance près de 15%. Ainsi, un refroidissement optimal du moteur 10 peut être garanti pour les deux sens de rotation de l'arbre 18 du moteur 10. Chaque pale 28 présente une section transversale rectangulaire ou trapézoïdale 20 dans un plan défini par l'axe de symétrie W-W' et un axe transversal V-V', respectif à chaque pale 28, perpendiculaire à l'axe de symétrie W-W' et à l'axe longitudinal U-U'. Conformément à un mode de réalisation préféré, chaque pale 28, présente une symétrie par rapport à un plan médian de cette pale 28, défini par les axes longitudinal U-U' et de symétrie W-W'. Un avantage de cette forme est qu'elle est très facile à fabriquer 25 et donne une très bonne stabilité à la pale 28. Chaque pale 28 s'étend longitudinalement entre deux bords d'extrémité sensiblement parallèles à l'axe de symétrie W-W'. L'épaisseur de la pale 28 est réduite à proximité de chacun de ses bords d'extrémité parallèles à l'axe de symétrie W-W', et notamment inférieure à son épaisseur centrale à proximité de l'axe de symétrie W-W', de 30 sorte que la pale 28 présente une forme générale de lame. Cette forme de lame optimise l'aérodynamisme de la pale 28. En variante, les deux bords d'extrémité de chaque pale 28 ne sont pas parallèles entre eux, mais convergent par exemple en direction de l'axe de rotation. Du fait de sa forme, la roue à pales 22 consomme avantageusement une 35 puissance inférieure à 1/20 de la puissance nominale du moteur 10. 3025665 6 Une enveloppe extérieure 30 enveloppe radialement la roue à pales 22, ainsi que au moins en partie le carter 12 du moteur 10, pour protéger la roue 22 et le carter 12. L'enveloppe extérieure 30 forme avec le carter 12 des canaux latéraux le long de la surface extérieure du carter 12, pour le guidage du flux gazeux F généré par la roue à 5 pales 22. Le diamètre intérieur de l'enveloppe 30 est légèrement supérieur au diamètre extérieur de la roue à pales 22. Les moyens de refroidissement 20 du carter 12 sont au moins partiellement entourés par l'enveloppe extérieure 30. L'enveloppe 30 présente par exemple une forme tubulaire. 10 Sur une extrémité de l'enveloppe extérieure 30 à proximité de la roue à pales 22, est formé un rebord 32 de réception périphérique circulaire, en saillie radialement de l'enveloppe 30 dans une direction détournée de l'axe X-X'. Ainsi l'enveloppe extérieure 30 peut recevoir sur le rebord 32, par exemple, un élément de protection de la roue à pales 22. 15 Le moteur électrique 10 de forte puissance selon l'invention est configuré pour être refroidi de manière optimale, indépendamment du sens de rotation de l'arbre 18 du moteur 10 grâce à la roue à pales 22 prévu à cet effet. La roue à pales 22 est capable de créer un flux gazeux de débit quasi-égal dans une première ou une deuxième direction, du fait de la forme spécifique des pales 28. 20 Un autre avantage de la roue à pales 22 est que le fabricant du moteur 10 peut utiliser un seul type de roue à pales 22 pour les moteurs électriques 10 destinés à travailler dans un seul sens de rotation de l'arbre 18 du moteur 10. Ainsi, les moteurs 10 électriques destinés à tourner dans un sens horaire et antihoraires peuvent être équipés du même type de roue à pales 22. De cette manière, la fabrication et le stockage des 25 roues à pales 22 est simplifiées. Dans un mode de réalisation alternatif représenté sur la figure 5, des pales 28' de la roue à pales 22 présentent une forme en S dans un plan perpendiculaire à l'axe de symétrie W-W'. Cette forme en S a l'avantage d'un meilleur aérodynamisme et d'une meilleure stabilité par rapport à la forme droite précédemment décrite, mais la forme 30 droite est plus simple à réaliser. Additionnement, cette forme a l'avantage de permettre de générer un débit de flux gazeux F plus important qu'avec une pale 28 telle que décrite précédemment. On notera que l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation précédemment décrits, mais pourrait présenter diverses variantes. 35 Par exemple, dans un autre mode de réalisation, le disque 24 de la roue à pale 22 est symétrique par rapport à un plan perpendiculaire à l'axe de rotation X-X', ce qui 3025665 7 permet un montage de la roue 22 sur l'arbre 18 du moteur 10 en tournant indifféremment la première face ou la seconde face du disque 24 vers le carter 12. 5 REVENDICATIONS1.- Moteur électrique (10), comprenant : - un carter (12) dans lequel est logé un rotor (14) et un stator (16), le rotor (14) étant lié en rotation avec un arbre (18) du moteur (10) autour d'un axe de rotation (X-X'), - une roue à pales (22), solidaire en rotation avec l'arbre (18), comportant une pluralité de pales (28) réparties circonférentiellement sur cette roue à pales (22), et destinée à générer un flux gazeux (F) le long du carter (12) dans une direction parallèle à l'axe de rotation (X-X') de l'arbre (18), en vue de refroidir le moteur (10), - une enveloppe (30) entourant au moins partiellement le carter (12) de manière à délimiter avec ce carter (12) un conduit de guidage du flux gazeux (F), caractérisé en ce que chaque pale (28) de la roue à pales (22) est symétrique par rapport à un axe de symétrie (W-W') respectif, perpendiculaire à l'axe de rotation (X-X') de l'arbre (18) et passant par cette pale (28). 2.- Moteur électrique (10) selon la revendication 1, dans lequel chaque pale (28) de la roue à pales (22) s'étend le long d'un axe longitudinal (U-U') perpendiculaire à l'axe de symétrie (W, W') et présente une section rectangulaire ou trapézoïdale dans un plan transversal défini par l'axe de symétrie (W-W') et un axe transversal (V-V') perpendiculaire à l'axe longitudinal (U-U'). 3.- Moteur électrique (10) selon la revendication 1 ou 2, dans lequel chaque pale (28) de la roue à pales (22) s'étend le long d'un axe longitudinal (U-U') perpendiculaire à l'axe de symétrie (W, W') et est symétrique selon un plan médian défini par l'axe longitudinal (U-U') et l'axe de symétrie (W-W'). 4.- Moteur électrique (10) selon la revendication 1, dans lequel chaque pale (28) présente une section transversale en forme de S dans un plan perpendiculaire à l'axe de symétrie (W-W'). 5.- Moteur électrique (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la roue à pales (28) présente une première face tournée vers l'ensemble de rotor et stator, et une seconde face opposée à la première, ladite seconde face comportant un rebord (26) périphérique circulaire, convergent vers l'axe de rotation (X-X') dans une direction parallèle à l'axe de rotation (X-X'). 3025665 9 6.- Moteur électrique (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'arbre (18) s'étend entre une première extrémité, à laquelle est connectée une roue à pales (22), et une seconde extrémité destinée à être connectée un consommateur d'énergie. 5 7.- Moteur électrique (10) selon la revendication 6, dans lequel l'arbre (18) transmet à la roue à pales (22) une puissance inférieure à 1/20 de la puissance nominale du moteur (10). 10 8.- Moteur électrique (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'enveloppe extérieure (30) entoure latéralement la roue à pales (22). 9.- Moteur électrique (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, comportant des moyens de refroidissement (20) additionnels, portés par le carter (12). 15 10.- Moteur électrique (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dont la puissance électrique est comprise entre 10 et 100kW.