Brevet FR3063403A1 — publié le 20180831

DOMAINE DE L'INVENTION L'invention concerne de manière générale le domaine des moteurs d'aviation pour propulser un aéronef comprenant un moteur électrique. Plus précisément, l'invention concerne l'intégration et le refroidissement de tels moteurs électriques. ARRIERE-PLAN TECHNOLOGIQUE Il est connu de recourir à une propulsion électrique ou hybride pour un aéronef. On pourra notamment se référer aux documents US 4 605 185 et US 2 462 201 pour plus d'informations dans ce domaine. Toutefois, le refroidissement de tels moteurs et de l'électro-puissance associée reste problématique. Il a donc été proposé dans le document US 5 703 421 un système de refroidissement intrinsèque du rotor d'un moteur électrique. Ce système de refroidissement permet effectivement de refroidir le rotor. Toutefois, il permet difficilement de respecter les contraintes d'encombrement et de masse imposés actuellement par les avionneurs. RESUME DE L'INVENTION Un objectif de l'invention est donc de proposer un système de refroidissement d'un moteur comprenant un moteur électrique, une électronique de puissance et une électronique de contrôle, notamment pour un aéronef, qui soit capable de refroidir suffisamment et uniformément le moteur quelle que soit la phase de vol, qui permette en outre de réduire la masse du moteur sans pour autant augmenter son encombrement. Pour cela, l'invention propose un moteur, notamment pour un aéronef, comprenant un rotor et un stator formant un moteur électrique, le moteur étant caractérisé en ce qu'il comprend en outre un système de refroidissement comprenant : 3063403 2 - un carter fixé sur le stator, ledit carter logeant le rotor et le stator et étant configuré pour définir avec le stator un canal sensiblement annulaire afin de permettre le passage d'un écoulement fluidique, et - une série d'ailettes fixées sur le stator et s'étendant dans le canal. 5 Certaines caractéristiques préférées mais non limitatives du moteur décrit ci-dessus sont les suivantes, prises individuellement ou en combinaison : - des ailettes sont en outre fixées sur le carter et s'étendent dans le 10 canal, - le moteur comprend en outre une bride de reprise d'efforts, ladite bride de reprise d'efforts étant formée intégralement et en une seule pièce avec le stator, - le moteur comprend en outre une électronique de puissance, ladite 15 électronique de puissance étant logée dans un moyeu, le moyeu étant logé dans le carter, - le moteur comprend en outre une série supplémentaire d'ailettes fixées sur le moyeu et s'étendant radialement dans le canal, la série supplémentaire d'ailettes du moyeu s'étendant dans le prolongement de la 20 série d'ailettes du stator, - des ailettes supplémentaires sont en outre fixées sur le carter et s'étendent dans le canal. - le moteur comprend en outre : un premier cône, mobile en rotation et sur lequel est fixée une soufflante ou hélice, un deuxième cône, fixe en 25 rotation, le carter étant disposé entre le premier cône et le deuxième cône et une électronique de contrôle, ladite électronique de contrôle étant logée dans le deuxième cône, et/ou - les ailettes sont formées intégralement et en une seule pièce avec le stator. 30 3063403 3 Selon un deuxième aspect, l'invention propose également un aéronef comprenant un moteur tel que décrit ci-dessus. Le moteur peut en outre comprendre une bride de reprise d'efforts formée intégralement avec le carter, le moteur étant est fixé à un pylône de l'aéronef par l'intermédiaire de 5 ladite bride de reprise d'effort. BREVE DESCRIPTION DES DESSINS D'autres caractéristiques, buts et avantages de la présente invention apparaîtront mieux à la lecture de la description détaillée qui va suivre, et au 10 regard des dessins annexés donnés à titre d'exemples non limitatifs et sur lesquels : La figure la est un schéma représentant un exemple de réalisation d'un moteur conforme à l'invention en configuration dite « pusher » sur lequel un écoulement fluidique a été représenté, 15 La figure 1 b est un schéma représentant un exemple de réalisation d'un moteur conforme à l'invention en configuration dite « puller » sur lequel un écoulement fluidique a été représenté, La figure 2 est une vue éclatée d'un exemple de réalisation d'un moteur conforme à un mode de réalisation de l'invention, fixé sur le pylône zo d'un aéronef, La figure 3 est une vue de côté partielle d'un exemple de stator d'un moteur conforme à un mode de réalisation de l'invention, et La figure 4a est une vue de profil d'un premier exemple de réalisation d'un stator conforme à l'invention dans lequel les ailettes s'étendent 25 radialement depuis le stator La figure 4b est une vue de profil d'un deuxième exemple de réalisation d'un stator conforme à l'invention dans lequel les ailettes sont regroupées par secteurs et s'étendent parallèles deux à deux au sein d'un même secteur et La figure 5 est une vue en coupe partielle d'un exemple de réalisation 30 d'un stator et d'un carter d'un moteur conforme à l'invention. 3063403 4 DESCRIPTION DETAILLEE D'UN MODE DE REALISATION Un moteur 1 d'aviation comprend, d'amont en aval dans le sens d'écoulement des gaz le long dudit moteur 1, un cône d'entrée 2, un moteur électrique 10 et un cône de sortie 3. 5 Le moteur électrique 10 comprend, de manière connue en soi, un rotor 12 logé dans un stator 14. Le stator est ici assimilé à sa structure mécanique, il comprend en son sein des enroulements qui entrainent le rotor. C'est la structure du stator qui est la structure principale du moteur 1. Le rotor 12 quant à lui est monté sur des paliers portés par le stator 14. 10 Le moteur 1 comprend en outre une soufflante 4 (ou une hélice), fixée sur l'un parmi le cône d'entrée 2 ou le cône de sortie 3. Lorsque la soufflante 4 est fixée sur le cône d'entrée 2, le moteur 1 est en configuration dite « puller » (de tirer en anglais), tandis que lorsqu'elle est fixée sur le cône de sortie 3, le moteur 1 est en configuration dite « pusher » (de pousser en 15 anglais). La soufflante 4 peut être carénée (c'est-à-dire être logée dans une nacelle) ou non carénée. Dans ce qui suit, l'invention sera plus particulièrement être décrite dans le cas d'un moteur 1 en configuration pusher non caréné. Le cône d'entrée 2 est donc fixe tandis que le cône de sortie 3, sur lequel est montée 20 la soufflante 4, est mobile en rotation autour d'un axe X de rotation du moteur 1. L'invention s'applique cependant mutatis mutandis à un moteur 1 en configuration puller (soufflante 4 ou hélice montée sur le cône d'entrée 3 qui est mobile et cône de sortie 3 fixe) ainsi qu'aux moteur 1 avec ou sans carénage. 25 Le moteur 1 comporte également, de manière connue en soi, des équipements électroniques et notamment une électronique de puissance 30 et une électronique de contrôle 40. L'électronique de puissance 30 ainsi que le moteur électrique 10 dissipent beaucoup de chaleur et doivent donc être 30 associés à un système de refroidissement efficace afin de ne pas endommager le reste du moteur 1. 3063403 5 Pour cela, l'invention propose un système de refroidissement comprenant : - un carter 20 fixé sur le stator 14, ledit carter 20 entourant le stator 14 qui loge le rotor 12, ledit carter 20 étant configuré pour définir avec le stator 5 14 un canal 16 sensiblement annulaire afin de permettre le passage d'un écoulement fluidique, et - une série d'ailettes 22 fixées sur le stator 14 et s'étendant dans le canal 16. 10 Le carter 20 peut être réalisé dans un matériau composite comprenant un renfort fibreux densifié par une matrice organique. La matrice présente une température limite pour garantir son intégrité comprise entre 90° et 120°. Le cas échéant, le carter 20 peut en outre comprendre un revêtement en aluminium. Ce revêtement permet ainsi d'harmoniser la température le 15 long du carter 20 pour éviter des déformations localisées sur des zones soumises à des pics de température. Les zones particulièrement problématiques sont situées axialement au milieu de l'électronique de puissance 30. 20 Les ailettes 22 peuvent s'étendre radialement depuis le stator 14 (figure 4a). Dans cette configuration, les ailettes 22 présentent globalement une même hauteur. En variante, le stator 14 peut être sectorisé, les ailettes 22 au sein de chaque secteur s'étendant parallèlement deux à deux. Dans ce cas, la 25 longueur des ailettes 22 peut être différente de sorte que leur extrémité libre s'étende à une distance fixe du centre du stator. Par exemple, dans l'exemple de la figure 4b, le stator 14 peut être divisé en quatre secteurs de même dimension angulaire, les ailettes de chaque secteur s'étendant parallèlement entre elles suivant une direction orthogonale à la direction d'extension des 30 ailettes 22 des deux secteurs adjacents. Cette configuration permet ainsi de dissiper les calories générées par le stator 14 d'abord par conduction (les calories transitant par les ailettes 22), 3063403 6 puis par convection (grâce à l'écoulement fluidique). Le carter 20 quant à lui permet de diriger l'écoulement fluidique sur les ailettes 22 du stator 14 afin de refroidir le stator 14 par convection. Les ailettes 22 du système de refroidissement sont positionnées de 5 manière équidistante sur le stator 14, le long de la périphérie dudit stator 14. Afin de réduire l'encombrement et la masse du moteur 1, les ailettes 22 peuvent notamment être formées intégralement et en une seule pièce avec le stator 14 (c'est-à-dire être monobloc avec le stator 14). Pour cela, les ailettes 22 peuvent par exemple être venues de fonderie avec le stator 14, 10 être usinées dans la masse du stator 14 ou être réalisées par fabrication additive avec le stator 14. En variante, comme illustré sur la figure 5, une deuxième série d'ailettes 23 peut également être fixée sur le carter 20 et s'étendre depuis le 15 carter 20 en direction du stator 14 de sorte que les ailettes 23 s'étendant depuis le carter 20 s'alternent avec les ailettes 22 s'étendant depuis le stator 14. Les ailettes 23 du carter 20 s'étendent alors sur la périphérie interne du carter 20 en étant positionnée de manière équidistante et peuvent être venues de fonderie, par fabrication additive ou usinées dans la masse du 20 carter 20. Par ailleurs, les ailettes 23 peuvent s'étendre radialement depuis le carter 20 ou en variante le carter 20 peut être sectorisé, les ailettes 23 d'un secteur donné du carter 20 étant parallèles entre elles. Chaque ailette 22 s'étend sensiblement parallèlement à l'axe X du 25 moteur 1. Les ailettes 22 peuvent être sensiblement droites (c'est-à-dire présenter une section rectiligne) ou courbes. Une hauteur (suivant une section radiale de l'ailette 22, c'est-à-dire parallèlement à une direction radiale par rapport à l'axe X du moteur 1) de chaque ailette 22 est de l'ordre de 10% du diamètre du moteur 1. Par exemple, la hauteur de chaque ailette 30 22 peut être comprise entre 10 mm et 30 mm pour un moteur 1 ayant un diamètre compris entre 100 mm et 300 mm. Une épaisseur (suivant une section tangentielle de l'ailette 22, c'est-à-dire dans une direction 3063403 7 perpendiculaire à la direction radiale par rapport à l'axe X du moteur 1) de chaque ailette 22 est comprise entre 1 mm et 3 mm. Le moteur peut comprendre entre 30 et 100 ailettes, réparties autour du stator 14 ou du carter 20. Un espacement entre deux ailettes 22 adjacentes peut être compris entre 5 5 mm et 20 mm. Les ailettes 22 sont de préférence de hauteur et d'épaisseur identique. La hauteur, l'épaisseur et l'espacement des ailettes 22 sont choisis de manière à permettre obtenir un transfert thermique suffisant pour évacuer la chaleur générée par le moteur 1. L'espacement entre les ailettes 22 peut par 10 exemple être choisi de sorte qu'il corresponde à entre 3 et 10 fois l'épaisseur de chaque ailette 22 et entre 0.5 et 2 fois la hauteur de chaque ailette 22. Le canal 16 formé entre le stator 14 et le carter 20 est en communication fluidique avec le cône d'entrée 2. Ainsi, en fonctionnement, 15 l'air s'écoule le long ou dans le cône d'entrée 2, pénètre dans le canal 16 et ressort par ou autour du cône de sortie 3. Dans le canal 16, l'air lèche les ailettes 22, permettant ainsi de refroidir le stator 14 par convection. Dans le cas d'un moteur 1 en configuration pusher (figure la), l'air est donc aspiré par la soufflante 4 et passe dans le canal 16 avant d'atteindre 20 ladite soufflante 4 en aval du moteur électrique 10, permettant ainsi la propulsion du moteur 1. A l'inverse, dans le cas d'un moteur 1 en configuration puller, l'air est aspiré par la soufflante 4 qui est montée sur le cône d'entrée 2, qui est mobile, puis passe dans le canal 16 avant d'atteindre le cône de sortie 3, qui est fixe (figure 1b). 25 Ici, l'électronique de contrôle 40 est logée dans le cône fixe, c'est-à-dire le cône d'entrée 2 dans le cas d'un moteur 1 en configuration pusher et le cône de sortie 3 dans le cas d'un moteur 1 en configuration puller. L'électronique de puissance 30 quant à elle est logée dans un moyeu 30 42, qui est lui-même logé dans le carter 20. Dans une forme de réalisation, l'électronique de contrôle 40 est positionnée en amont du rotor 12 et du stator 3063403 8 14, l'amont et l'aval étant définis dans le sens de l'écoulement des gaz le long du moteur électrique 10. Le moyeu 42 de l'électronique de contrôle 40 est alors fixé sur le stator 14, par exemple par emboîtement et frettage, de manière à former une 5 continuité de surface limitant les risques de pertes de charge dans le canal 16. La surface radialement externe du moyeu 42 et la surface radialement externe du stator 14 sont donc continues. En variante, le moyeu 42 peut être fixé sur le stator 14 par l'intermédiaire d'une virole de connexion, tout en assurant une continuité de surface. 10 De manière optionnelle, une série d'ailettes 44 peut également être fixée sur le moyeu 42 en s'étendant dans le canal 16. De manière analogue aux ailettes 22, les ailettes 44 peuvent s'étendre radialement depuis le moyeu 42 ou en variante, le moyeu 42 peut être sectorisé, les ailettes 44 au sein de chaque secteur s'étendant parallèlement deux à deux. 15 En variante, une deuxième série d'ailettes peut également être fixée sur le carter 20 et s'étendre depuis le carter 20 en direction du moyeu 42 de sorte que les ailettes s'étendant depuis le carter 20 s'alternent avec les ailettes 44 s'étendant depuis le moyeu 42. Les ailettes supplémentaires du carter 20 s'étendent alors sur la périphérie interne du carter 20 en étant 20 positionnée de manière équidistante et peuvent être venues de fonderie, par fabrication additive ou usinées dans la masse du carter 20. Par ailleurs, les ailettes supplémentaires peuvent s'étendre radialement depuis le carter 20 ou en variante le carter 20 peut être sectorisé, les ailettes d'un secteur donné du carter 20 étant parallèles entre elles. 25 De préférence, les ailettes 44 sont fixées sur le moyeu 42 et le stator 14, et éventuellement également sur le carter 20. La forme, les dimensions, l'orientation et le nombre d'ailettes 44 au niveau du moyeu 42 sont sensiblement identiques à la forme, aux dimensions et au nombre d'ailettes 30 22 au niveau du stator 14. Les ailettes 22 au niveau du stator 14 s'étendent en outre dans la continuité des ailettes 44 au niveau du moyeu 42 afin de 3063403 9 former ensemble des couloirs de refroidissement pour l'écoulement fluidique et améliorer ainsi la dissipation des calories. Dans une forme de réalisation, le moteur 1 comprend en outre une 5 bride de reprise d'efforts 18 s'étendant depuis le stator 14 et configurée pour être fixée sur un pylône 5 d'un aéronef, par exemple par l'intermédiaire de bielles 19, afin de faire transiter les efforts provenant du moteur électrique 10 vers l'aéronef. La position proche du stator 14 est privilégiée par souci d'équilibrage dans la mesure où le moteur électrique 10 est plus lourd que 10 l'électronique de contrôle 40. Afin de réduire l'encombrement et la masse du moteur 1, la bride de reprise d'efforts 18 peut être formée intégralement et en une seule pièce avec le stator 14. Pour cela, la bride de reprise d'efforts 18 peut par exemple être venue de fonderie avec le stator 14, être usinée dans la masse du stator 14 15 ou être réalisée par fabrication additive avec le stator 14. La bride de reprise d'efforts 18 est dépourvue d'ailettes et forme une masse métallique importante créant un point chaud dans le stator 14. Afin de permettre son refroidissement, des trous de ventilation 17 peuvent donc être formés dans la bride de reprise d'efforts 18 et dans le pylône 5 afin de refroidir 20 spécifiquement ce point chaud. Le carter 20 peut être fixé sur le cône fixe du moteur 1, c'est-à-dire sur le cône d'entrée 2 dans le cas d'un moteur 1 en configuration pusher ou sur le cône de sortie 3 dans le cas d'un moteur 1 en configuration puller. Pour 25 cela, le cône fixe peut présenter par exemple une ou plusieurs portées s'étendant radialement par rapport à l'axe X du moteur 1. Le carter 20 est alors positionné de manière à prendre appui sur les portées en étant fixé sur lesdites portées à l'aide de moyens de fixation conventionnels tels que des vis. 30 En variante, le carter 20 peut être fixé sur le moyeu 42 et/ou le stator 14. Dans ce cas, le moyeu 42 et/ou le stator 14 peut également comporter 3063403 10 des portées, afin de fixer le carter 20 de manière analogue à ce qui a été décrit pour le cône 2, 3. Dans une forme de réalisation, le carter 20 comprend au moins deux secteurs. Ces secteurs sont alors assemblés de manière à former le carter 5 20. On a par exemple illustré en figure 2 le cas d'un carter comprenant deux secteurs 24, 26 formant chacun une demi coquille, ce qui permet de faciliter l'assemblage et la fixation du carter 20 sur le stator 14 et le moyeu 42. De manière optionnelle, les secteurs du carter 20 peuvent également être fixés sur la bride de reprise d'effort 18. 10 Le stator 14, le moyeu 42 et/ou le carter 20 peuvent être réalisés dans un matériau métallique à forte conductivité thermique, par exemple en alliage d'aluminium. Typiquement, le stator 14, le moyeu 42 et le carter 20 peuvent être réalisé dans un alliage d'aluminium du type 6063 T6. 15 De manière optionnelle, le moteur 1 peut en outre comprendre un compresseur axial ou un compresseur centrifuge en aval de la soufflante 4. Dans le mode de réalisation de la figure la on a représenté un compresseur axial composé d'un étage d'aubes mobiles 60 et d'un étage d'aubes fixes 62. 20 L'étage d'aubes mobiles 60 est composé d'un disque sur lequel sont rapportées des aubes, ou monobloc avec des aubes. L'étage d'aubes fixes 62 peut comprendre une couronne d'aubes fixes disposées entre une virole interne et une virole externe. La virole externe est de préférence fixée solidairement au carter 20. 25 En variante, dans le mode de réalisation de la figure lb on a représenté un compresseur centrifuge composé d'un rouet centrifuge 64 et d'un étage d'aubes fixes 66. L'objectif de ce compresseur axial ou de ce compresseur centrifuge est de forcer un écoulement dans le canal 16. Dans le cas d'un moteur en 30 configuration pusher (figure la), l'entrée d'air 67 (correspondant à la partie amont du canal 16) présente une section annulaire selon un plan perpendiculaire à l'axe X du moteur 1. En variante, dans le cas d'une 3063403 11 configuration pu lier (figure lb), l'entrée d'air 67 comprend une série d'orifices circulaires formant ensemble un anneau centré sur l'axe X. Ces entrées d'air passent à travers les pales ou les fixations des pales. Quelle que soit la configuration du moteur, l'entrée d'air 67 bénéficie ainsi de la pression 5 dynamique du flux due à la vitesse de l'air autour du carter 20. La forme en goutte d'eau de la lèvre d'entrée d'air 68 (voir figure 1 a) permet de limiter les pertes de charge à l'intérieur et à l'extérieur du carter 20 tout en créant une légère compression du flux à l'intérieur du carter 20. On notera que les moteurs des figures la et lb sont représentés 10 schématiquement et que d'autres modes de réalisation sont possibles, notamment concernant la forme des entrées d'air 67. En pied de soufflante 4, il est également possible de créer une différence de pression qui a le même objectif comme visible sur la figure 1 a. Pour ce faire le pied de la soufflante est préférentiellement aligné radialement 15 avec le canal 16 à l'extrémité amont ou à l'extrémité avale de ce canal. En régime transitoire, la température maximale atteinte par la paroi du stator 14 peut ainsi être inférieure à 95°C, ce qui permet de garantir l'intégrité du moteur 1 et de l'électronique de puissance 30 et notamment d'éviter de 20 brûler le carter lorsque celui-ci est en en matériau composite. REVENDICATIONS1. Moteur (1), notamment pour un aéronef, comprenant un rotor (12) et un stator (14) formant un moteur électrique (10), le moteur (1) étant caractérisé en ce qu'il comprend en outre un système de refroidissement (20, 22, 44) comprenant : - un carter (20) fixé sur le stator (14), ledit carter (20) logeant le rotor (12) et le stator (14) et étant configure pour définir avec le stator (14) un canal (16) sensiblement annulaire afin de permettre le passage d'un écoulement fluidique, et - une série d'ailettes (22) fixées sur le stator (14) et s'étendant dans le canal (16). 2. Moteur (1) selon la revendication 1, dans lequel des ailettes (22) sont en outre fixées sur le carter (20) et s'étendent dans le canal (16). 3. Moteur (1) selon l'une des revendications 1 ou 2, comprenant en outre une bride de reprise d'efforts (18), ladite bride de reprise d'efforts (18) étant formée intégralement et en une seule pièce avec le stator (14). 4. Moteur (1) selon l'une des revendications 1 à 3, comprenant en outre une électronique de puissance (30), ladite électronique de puissance (30) étant logée dans un moyeu (42), le moyeu (42) étant logé dans le carter (20). 5. Moteur (1) selon la revendication 4, comprenant en outre une série supplémentaire d'ailettes (44) fixées sur le moyeu (42) et s'étendant radialement dans le canal (16), la série supplémentaire d'ailettes (44) du moyeu (42) s'étendant dans le prolongement de la série d'ailettes (22) du stator (14). 3063403 13 6. Moteur (1) selon la revendication 5, dans lequel des ailettes supplémentaires sont en outre fixées sur le carter (20) et s'étendent dans le canal (16). 5 7. Moteur (1) selon l'une des revendications 1 à 6, comprenant en outre : - un premier cône (2, 3), mobile en rotation et sur lequel est fixée une soufflante ou hélice (4), - un deuxième cône (3, 2), fixe en rotation, le carter (20) étant disposé 10 entre le premier cône (2, 3) et le deuxième cône (3, 2), et - une électronique de contrôle (40), ladite électronique de contrôle étant logée dans le deuxième cône (3, 2). 8. Moteur (1) selon l'une des revendications 1 à 7, dans lequel les 15 ailettes (22) sont formées intégralement et en une seule pièce avec le stator (14). 9. Aéronef comprenant un moteur (1) selon l'une des revendications 1 10. Aéronef selon la revendication 9, dans lequel le moteur (1) comprend en outre une bride de reprise d'efforts (18) formée intégralement avec le stator (14), le moteur (1) étant fixé à un pylône (5) de l'aéronef par l'intermédiaire de ladite bride de reprise d'effort (18). 25 à 8. 20