Brevet FR3066053A1 — publié le 20181109

DOMAINE TECHNIQUE GENERAL L'invention concerne les moteurs d'aÃ©ronef en particulier ceux d'un hÃ©licoptÃ¨re. Elle concerne particuliÃ¨rement les machines Ã©lectriques installÃ©es sur les moteurs d'hÃ©licoptÃ¨res rÃ©alisant la fonction de gÃ©nÃ©ration d'Ã©nergie Ã©lectrique, et /ou de motorisation Ã©lectrique de certains organes mÃ©caniques. Ces machines Ã©lectriques peuvent Ãªtre des gÃ©nÃ©rateurs-dÃ©marreurs, des dÃ©marreurs, des alternateurs ou des pompes Ã©lectriques qui sont soit des machines Ã courant continu ou Ã courant alternatif. ETAT DE LA TECHNIQUE Un moteur d'un aÃ©ronef comprend des machines Ã©lectriques comprenant un rotor (partie tournante) et un stator (partie fixe), le stator comprend un circuit magnÃ©tique et un circuit Ã©lectrique constituÃ© par un ensemble de bobinages composÃ©s de fils conducteurs. De maniÃ¨re connue, de telles machines Ã©lectriques prÃ©sentent des phases transitoires de fonctionnement rencontrÃ©es principalement lors des sÃ©quences de dÃ©marrage ou d'accÃ©lÃ©ration du moteur de l'aÃ©ronef ou de certains Ã©quipements que comprend le moteur de l'aÃ©ronef. Au cours de ces phases transitoires, la machine Ã©lectrique ainsi fortement sollicitÃ©e, dissipe une quantitÃ© de chaleur qui peut s'avÃ©rer dommageable pour elle- mÃªme, chaleur principalement dissipÃ©e dans les circuits Ã©lectriques et/ou sur les aimants permanents si la machine en comprend. De maniÃ¨re connue, pour favoriser la dissipation de la chaleur et ainsi garantir l'intÃ©gritÃ© de la machine Ã©lectrique, on surdimensionne les Ã©lÃ©ments qui la 25 composent ce qui pÃ©nalise sa masse et son encombrement. En effet, la structure et le dimensionnement d'une machine Ã©lectrique sont guidÃ©s par sa tenue en thermique et cela est principalement fonction de l'amplitude des courants Ã©lectriques qu'elle supporte au sein de ces bobinages conducteurs (par exemple, une machine Ã©lectrique fonctionnant sous une tension rÃ©seau de 28Vdc, 30 sous une puissance de plusieurs kW ou kVA donnera des courants Ã©lectriques d'intensitÃ© Ã©levÃ©es pouvant atteindre plusieurs centaines d'ampÃ¨res). 3066053 2 Afin d'optimiser la dissipation thermique de la machine Ã©lectrique, plusieurs solutions sont d'ores et dÃ©jÃ connues et exploitÃ©es. Une premiÃ¨re solution utilise la convection naturelle avec refroidissement par dissipateur Ã ailettes en pÃ©riphÃ©rie de la machine Ã©lectrique pour avoir une surface 5 d'Ã©change importante avec le milieu environnant. Toutefois, cette solution est encombrante et massive et nÃ©cessite souvent un flux d'air en pÃ©riphÃ©rie de la machine. Une seconde solution utilise la convection forcÃ©e par l'ajout d'un ventilateur connectÃ© Ã l'arbre rotor de la machine Ã©lectrique, dont le flux d'air ainsi produit 10 Ã©changera avec les parties externes et/ou internes de celle-ci. Toutefois, cette solution est encombrante et peut gÃ©nÃ©rer des sources de pannes supplÃ©mentaires. Une troisiÃ¨me autre solution utilise un refroidissement forcÃ© en injectant un liquide circulant dans des canaux dÃ©diÃ©s Ã l'intÃ©rieur de la machine Ã©lectrique ou en pÃ©riphÃ©rie (eau, huile, carburant, etc.) et nÃ©cessite le plus souvent la prÃ©sence d'un 15 Ã©changeur supplÃ©mentaire pour assurer le refroidissement de ce liquide. Toutefois, cette solution est aussi encombrante, massive et intrusive, et nÃ©cessite des pas de maintenance assez courts (i.e. gestion des Ã©tanchÃ©itÃ©s). Une quatriÃ¨me solution utilise un refroidissement par module thermoÃ©lectrique (effet Peltier). Toutefois, avec cette solution le refroidissement est zo rÃ©alisÃ© uniquement sur des zones localisÃ©es et nÃ©cessite Ã©galement une alimentation stabilisÃ©e permettant l'alimentation thermoÃ©lectrique. Ainsi, dans une application aÃ©ronautique, c'est-Ã -dire dans le cadre d'un systÃ¨me embarquÃ© exigeant de fortes contraintes en termes de compacitÃ©, masse et fiabilitÃ©, les solutions existantes ne sont pas satisfaisantes. PRESENTATION DE L'INVENTION L'invention permet de rÃ©duire la masse et la taille d'une machine Ã©lectrique d'un moteur d'un aÃ©ronef et permet d'en amÃ©liorer ces performances Ã©lectromagnÃ©tiques. A cet effet, l'invention propose une Ã©lectrique comprenant un stator et un rotor configurÃ©s pour Ãªtre entrainÃ©s en rotation l'un par rapport Ã l'autre, le rotor comprenant une pluralitÃ© d'aimants permanents, le stator comprenant en outre un circuit magnÃ©tique comprenant des pÃ´les s'Ã©tendant vers le rotor, la machine 3066053 3 comprenant des bobinages d'Ã©lÃ©ments conducteurs autour de chaque pÃ´le et au moins un dissipateur de chaleur disposÃ© Ã l'intÃ©rieur d'un Ã©lÃ©ment conducteur et/ou entre les Ã©lÃ©ments conducteurs, le dissipateur de chaleur comprenant un matÃ©riau Ã changement de phase. 5 L'invention est avantageusement complÃ©tÃ©e par les caractÃ©ristiques suivantes, prises seules ou en une quelconque de leur combinaison techniquement possible. Le bobinage est un ensemble de fil cylindrique creux. Le bobinage est un bobinage barre creux. 10 Le bobinage est monobloc et de prÃ©fÃ©rence obtenu selon un procÃ©dÃ© de fabrication additive. Le matÃ©riau Ã changement de phase est sous forme de sels ou sous forme de composÃ©s organiques ou eutectiques ayant des tempÃ©ratures de changement de phase solide-liquide, adaptÃ©s en fonction des contraintes d'utilisation de la machine 15 Ã©lectrique, supÃ©rieures Ã une centaine de degrÃ© Celsius, typiquement entre 100 Â°C et 300Â°C. Le dissipateur de chaleur comprend, outre le matÃ©riau Ã changement de phase, au moins un Ã©lÃ©ment qui est conducteur Ã©lectrique de maniÃ¨re Ã ne pas perturber la circulation des lignes de champ magnÃ©tiques dans ladite machine. 20 Le matÃ©riau Ã changement de phase est contenu dans une enveloppe mÃ©tallique Ã©tanche, l'enveloppe Ã©tant conducteur Ã©lectrique ou non, et conducteur thermique. L'invention concerne en outre une machine Ã courant continu ou Ã courant alternatif tel qu'un gÃ©nÃ©rateur-dÃ©marreur, un alternateur, une pompe comprenant 25 une machine Ã©lectrique selon l'invention. Et l'invention concerne Ã©galement un moteur d'un aÃ©ronef, tel qu'un hÃ©licoptÃ¨re, comprenant un dÃ©marreur-gÃ©nÃ©rateur selon l'invention. L'utilisation de matÃ©riaux Ã changement de phase permet un refroidissement au plus prÃ¨s des Ã©lÃ©ments chauffants. En effet en atteignant sa tempÃ©rature de 30 fusion donc en passant de l'Ã©tat solide Ã l'Ã©tat liquide, le matÃ©riau Ã changement de phase absorbe une quantitÃ© de chaleur. En consÃ©quence, un transfert thermique va s'opÃ©rer entre les Ã©lÃ©ments chauffants et le matÃ©riau Ã changement de phase. 3066053 4 L'invention permet de rÃ©duire la masse globale d'un moteur d'un aÃ©ronef en diminuant la masse de la machine Ã©lectrique. En particulier, sont diminuÃ©es les masses des constituants ferromagnÃ©tiques (utilisÃ© dans le circuit magnÃ©tique de la machine) et du Cuivre (utilisÃ© pour le bobinage du circuit Ã©lectrique) Ã l'intÃ©rieur de 5 la machine. En effet, en optimisant les transferts thermiques au plus prÃ¨s des Ã©lÃ©ments soumis aux plus fortes Ã©lÃ©vations de tempÃ©rature on peut rÃ©duire la masse et l'encombrement des machines Ã©lectriques. En outre, il n'y pas d'ajout de systÃ¨mes supplÃ©mentaires (i.e. Ã©changeur, 10 ailettes, ...) pÃ©nalisant le bilan masse, l'encombrement et la fiabilitÃ© de la machine Ã©lectrique. PRESENTATION DES FIGURES D'autres caractÃ©ristiques, buts et avantages de l'invention ressortiront de la 15 description qui suit, qui est purement illustrative et non limitative, et qui doit Ãªtre lue en regard des dessins annexÃ©s sur lesquels : - la figure 1 illustre une vue en coupe schÃ©matique d'une machine Ã©lectrique selon un mode de rÃ©alisation de l'invention ; - les figures 2a et 2b illustrent des vues d'Ã©lÃ©ments conducteurs d'une 20 machine Ã©lectrique selon l'invention ; - la figure 3a, 3b, 3c illustrent des vues en coupe de fils constituant le bobinage d'une machine Ã©lectrique selon l'invention ; - les figures 4 et 5 illustrent une vue d'un bobinage barre creux, selon deux variantes, d'une machine Ã©lectrique selon l'invention ; 25 - la figure 6 illustre des courbes d'Ã©lÃ©vation de la tempÃ©rature au sein de l'encoche du stator contenant le bobinage et le matÃ©riau Ã changement de phase, en fonction de la durÃ©e de la sollicitation thermique (i.e., transitoires de la machine Ã©lectrique liÃ© au dÃ©marrage du moteur de l'aÃ©ronef). 30 Sur l'ensemble des figures les Ã©lÃ©ments similaires portent des rÃ©fÃ©rences identiques. 3066053 5 DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION Dans ce qui suit, on entend par Â« matÃ©riau Ã changement de phase Â» un matÃ©riau capable de changer d'Ã©tat physique dans une plage de tempÃ©rature donnÃ©e et qui 5 va absorber une grande quantitÃ© d'Ã©nergie calorifique venant de son environnement proche pour passer de l'Ã©tat solide Ã liquide et qui restitue une partie de l'Ã©nergie calorifique quand le matÃ©riau se refroidit en passant de l'Ã©tat liquide Ã l'Ã©tat solide. Ces matÃ©riaux Ã changement de phase sont des sels qui peuvent Ãªtre composÃ©s de nitrate ou d'hydroxyde. Le changement de phase solide Ã liquide du matÃ©riau se fait 10 Ã une tempÃ©rature dÃ©passant la centaine de degrÃ© Celsius jusqu'Ã une tempÃ©rature de l'ordre de 300 Â°C. On a illustrÃ© sur la figure 1, une machine Ã©lectrique selon un mode de rÃ©alisation de l'invention. Une telle machine Ã©lectrique est notamment utilisÃ©e dans un moteur d'aÃ©ronef. 15 La machine Ã©lectrique de la figure 1 est une machine Ã aimants permanents et comprend un stator 1 et un rotor 2. Le stator 1 comprend un circuit magnÃ©tique 3. Le circuit magnÃ©tique 3 comprend une portion pÃ©riphÃ©rique 6 de forme gÃ©nÃ©rale cylindrique et des pÃ´les 7 s'Ã©tendant vers le rotor 2 et le stator 1 comprend un circuit Ã©lectrique 4 constituÃ© 20 d'un bobinage de N Ã©lÃ©ments 41 conducteur autour de chaque pÃ´le 7 du circuit magnÃ©tique 3. Sur cette figure, les Ã©lÃ©ments 41 conducteurs sont de section cylindrique mais d'autres sections peuvent Ãªtre envisagÃ©es. Le rotor 2 supporte des aimants permanents 5. Sur la figure 1, la machine Ã©lectrique comprend six aimants permanents 5 mais un nombre diffÃ©rent peut Ãªtre 25 envisagÃ©. Ce type de topologie de machine Ã©lectrique permet de fonctionner soit en mode gÃ©nÃ©rateur (i.e., le rotor 2 tourne grÃ¢ce Ã l'application d'un couple mÃ©canique externe et la variation de flux magnÃ©tique dans le circuit Ã©lectrique 4 induit un courant Ã©lectrique) ou en mode moteur (i.e. l'alimentation du circuit Ã©lectrique 4 30 engendre un flux magnÃ©tique Ã travers le circuit magnÃ©tique 3 et l'interaction avec le flux magnÃ©tique issu des aimants 5 engendre une rotation du rotor 2 donc un couple mÃ©canique vers l'extÃ©rieur). 3066053 6 Afin de favoriser la dissipation de la chaleur de la machine Ã©lectrique au cours notamment des phases transitoires prÃ©sentÃ©es prÃ©cÃ©demment, on prÃ©voit des Ã©lÃ©ments conducteurs creux pour le bobinage et au moins un dissipateur 8 de chaleur logÃ© Ã l'intÃ©rieur d'au moins un Ã©lÃ©ment conducteur et/ou disposÃ© entre les 5 Ã©lÃ©ments conducteurs (voir les figures 2a et 2b illustrant des dissipateurs de chaleur entre les Ã©lÃ©ments 41 conducteurs avec ou sans dissipateur 8 de chaleur Ã l'intÃ©rieur des Ã©lÃ©ments conducteurs). Comme illustrÃ© sur les figure 3a, 3h, 3c, un dissipateur 8, 8', 8" de chaleur est constituÃ© d'une enveloppe 81, 81', 81" contenant un matÃ©riau 82 Ã changement 10 de phase. L'enveloppe 81, 81, 81', 82" est Ã©tanche pour maintenir et confiner le matÃ©riau Ã l'Ã©tat liquide. De maniÃ¨re non limitative, sur la figure 3a, le dissipateur de chaleur est cylindrique pour s'adapter Ã des fils conducteurs du bobinage Ã©galement cylindrique. Bien entendu, d'autres formes sont envisageables et dÃ©pendent de la 15 forme de l'Ã©lÃ©ment conducteur : en losange sur la figure 3b, en Ã©toile sur la figure 3c. Selon l'application, et plus particuliÃ¨rement dans le cadre des moteurs Ã©lectriques fortes puissances pour les applications plus Ã©lectriques pour aÃ©ronef, le bobinage statorique (i.e., du stator : circuit Ã©lectrique) peut Ãªtre avantageusement 20 de topologie appelÃ© Â« bobinage barre Â» ; c'est-Ã -dire que les bobines de fils cylindriques sont remplacÃ©es par du bobinage massif, homogÃ¨ne et rigide afin d'avoir un meilleur taux de remplissage des encoches (i.e., Ã©gale au rapport surface effective de cuivre / surface totale d'encoche) et donc d'avoir la possibilitÃ© soit d'augmenter puissance Ã©lectrique de la machine Ã©lectrique pour une mÃªme masse, 25 soit de minimiser la masse de cuivre pour un besoin de puissance constant. Le problÃ¨me de la dissipation de chaleur est dans ce cas bien plus important qu'avec un bobinage constituÃ© de N fils cylindriques, car lorsque ces bobinages barres sont alimentÃ©s par des courants alternatifs de frÃ©quences relativement Ã©levÃ©es au-delÃ du kHz, les pertes Joules sont augmentÃ©s par Â« l'effet de peau Â» 30 (i.e., rÃ©duction de la rÃ©sistance apparente du conducteur car les courants Ã©lectriques se concentrent de plus en plus en pÃ©riphÃ©rie lors d'une augmentation de la frÃ©quence d'alimentation). 3066053 7 La figure 4 illustre un bobinage 50 barre constituÃ© de deux conducteurs massifs 50a, 50b plaquÃ©s ensemble. La forme des deux conducteurs 50a, 50b est telle que les deux conducteurs 50a, 50b dÃ©finissent un logement 51 permettant de loger Ã l'intÃ©rieur un dissipateur de chaleur (non reprÃ©sentÃ©). Sur cette figure, le 5 logement 51 a une forme en Â« Ã©toile Â» mais peut avoir une autre forme. De maniÃ¨re avantageuse, comme illustrÃ© sur la figure 5, le bobinage barre est monobloc et est constituÃ© d'une ou plusieurs barres(s). De plus, sur cette figure, le bobinage barre comprend un logement ayant une forme de Â« losange Â». De maniÃ¨re avantageuse, le bobinage barre est monobloc ou composÃ© d'un 10 ensemble de barres unitaires et est obtenu au moyen d'un procÃ©dÃ© de fabrication additive (i.e. type SLM, en anglais, Â« Selective Laser Melting Â» ou autres ...) qui permet de rÃ©aliser des formes complexes Ã l'intÃ©rieur du bobinage, favorisant l'optimisation des transferts thermiques (i.e., surface d'Ã©change augmentÃ©e entre le matÃ©riaux Ã changement de phase et le conducteur), le logement 51 contient donc 15 un dissipateur de chaleur et permet donc limiter la montÃ©e en tempÃ©rature et donc assurer un niveau de fiabilitÃ© Ã©levÃ©e (i.e., tenue de l'isolant du bobinage en particulier). Dans le cas oÃ¹ on prÃ©voit un dissipateur de chaleur Ã l'intÃ©rieur des Ã©lÃ©ments conducteurs, l'enveloppe et le matÃ©riau Ã changement de phase devant perturber le 20 moins possible la circulation des lignes de champ dans le circuit magnÃ©tique, l'enveloppe est elle-mÃªme mÃ©tallique et est un bon conducteur Ã©lectrique. Toujours dans ce cas, un matÃ©riau Ã changement de phase Ã©tant par dÃ©finition un isolant Ã©lectrique, le dissipateur de chaleur peut comprendre, outre le matÃ©riau Ã changement de phase, des Ã©lÃ©ments conducteurs tels que des 25 nanotubes de carbone pour permettre Ã©galement la libre circulation des lignes de champs dans le circuit magnÃ©tique de la machine. En revanche, dans le cas oÃ¹ on prÃ©voit un dissipateur de chaleur entre les Ã©lÃ©ments conducteurs, l'enveloppe est isolante pour ne pas contribuer Ã la transmission des courants Ã©lectriques 30 Le matÃ©riau Ã changement de phase est sous forme de sels ou sous forme de composÃ©s organiques ou eutectiques ayant des tempÃ©ratures de changement de phase solide-liquide supÃ©rieures Ã une centaine de degrÃ© Celsius, typiquement entre 3066053 8 100Â°C et 300Â°C de prÃ©fÃ©rence. Il peut s'agir par exemple de nitrates ou des hydroxydes (LiNO3, NaNO3, Li2CO3 ...) prÃ©fÃ©rablement avec du graphite. La figure 6 illustre l'Ã©lÃ©vation de la tempÃ©rature en fonction de la durÃ©e : la courbe A correspond Ã l'Ã©lÃ©vation de la tempÃ©rature du bobinage sans 5 dissipateur de chaleur ; les courbes en traits pointillÃ©s correspondent Ã l'Ã©lÃ©vation de la tempÃ©rature du dissipateur de chaleur ; les courbes en traits pleins correspondent Ã l'Ã©lÃ©vation de la tempÃ©rature du bobinage avec dissipateur de chaleur. lo Le rÃ©seau de courbe correspond Ã plusieurs rÃ©sistances thermiques nommÃ© Â« Rth Â» sur la figure 6. Cette rÃ©sistance reprÃ©sente l'efficacitÃ© des transferts thermiques d'un milieu vers un autre. Plus cette valeur de Rth est faible plus les transferts de chaleur s'opÃ¨re efficacement. Sur la figure 6, de A Ã C la rÃ©sistante thermique Rth va croissante. 15 On constate que la tempÃ©rature atteinte sans dissipateur de chaleur peut Ãªtre au-delÃ de 200Â°C ce qui a comme consÃ©quence par exemple la dÃ©gradation de l'isolant du bobinage. En ajoutant des dissipateurs de chaleurs et en prenant en considÃ©ration une rÃ©sistance thermique optimisÃ©e entre le dissipateur de chaleur et le support la tempÃ©rature maximale atteinte sur le composant sensible reste en- 20 dessous de sa tempÃ©rature limite. De maniÃ¨re complÃ©mentaire, en plus de loger le dissipateur de chaleur que reprÃ©sente le matÃ©riau Ã changement de phase, Ã l'intÃ©rieur du bobinage barre, on peut disposer des dissipateurs de chaleur Ã d'autres endroits de la machine Ã©lectrique comme dÃ©crit dans le document FR 3 012 698 au nom de la 25 Demanderesse. On a dÃ©crit ici une machine Ã©lectrique avec un bobinage statorique. Bien entendu, l'invention s'applique aussi Ã une machine Ã©lectrique avec un bobinage rotorique, que constitue par exemple la machine Ã©lectrique dite synchrone Ã rotor bobinÃ©s (i.e. dans ce cas les aimants permanents sont remplacÃ©s avantageusement 30 par un Ã©lectroaimant pour gÃ©nÃ©rer le flux magnÃ©tique). 3066053 9 L'invention concerne Ã©galement une machine Ã courant continu ou Ã courant alternatif tel qu'un gÃ©nÃ©rateur-dÃ©marreur, un alternateur, une pompe comprenant une machine Ã©lectrique telle que dÃ©crite ci-dessus. Et l'invention concerne Ã©galement un moteur d'un aÃ©ronef, tel qu'un 5 hÃ©licoptÃ¨re, comprenant une machine Ã©lectrique selon l'invention. REVENDICATIONS1. Machine Ã©lectrique comprenant un stator (1) et un rotor (2) configurÃ©s pour Ãªtre entrainÃ©s en rotation l'un par rapport Ã l'autre, le rotor (2) comprenant une pluralitÃ© d'aimants permanents (5), le stator comprenant en outre un circuit magnÃ©tique (3) comprenant des pÃ´les (7) s'Ã©tendant vers le rotor (2), la machine comprenant des bobinages (4, 50, 50') d'Ã©lÃ©ments conducteurs autour de chaque pÃ´le (7) et au moins un dissipateur (8, 8', 8") de chaleur disposÃ© Ã l'intÃ©rieur d'un Ã©lÃ©ment conducteur et/ou entre les Ã©lÃ©ments conducteurs, le dissipateur de chaleur comprenant un matÃ©riau (82) Ã changement de phase. 2. Machine Ã©lectrique selon la revendication 1, dans laquelle le bobinage est un ensemble de fil cylindrique creux. 3. Machine Ã©lectrique selon la revendication 1, dans laquelle le bobinage est un bobinage barre creux. 4. Machine Ã©lectrique selon la revendication 3, dans laquelle le bobinage est zo monobloc et de prÃ©fÃ©rence obtenu selon un procÃ©dÃ© de fabrication additive. 5. Machine Ã©lectrique selon l'une des revendications 1 Ã 4, dans laquelle le matÃ©riau (82) Ã changement de phase est sous forme de sels ou sous forme de composÃ©s organiques ou eutectiques ayant des tempÃ©ratures de changement de phase solide- 25 liquide, adaptÃ©s en fonction des contraintes d'utilisation de la machine Ã©lectrique, supÃ©rieures Ã une centaine de degrÃ© Celsius, typiquement entre 100 Â°C et 300Â°C. 6. Machine Ã©lectrique selon l'une des revendications prÃ©cÃ©dentes, dans laquelle le dissipateur de chaleur comprend, outre le matÃ©riau (82) Ã changement de phase, 30 au moins un Ã©lÃ©ment qui est conducteur Ã©lectrique de maniÃ¨re Ã ne pas perturber la circulation des lignes de champ magnÃ©tiques dans ladite machine. 3066053 11 7. Machine Ã©lectrique selon l'une des revendications prÃ©cÃ©dentes, dans laquelle le matÃ©riau (11) Ã changement de phase est contenu dans une enveloppe (81) mÃ©tallique Ã©tanche, l'enveloppe Ã©tant conducteur Ã©lectrique ou non, et conducteur thermique. 5 8. Machine Ã courant continu ou Ã courant alternatif tel qu'un gÃ©nÃ©rateur-dÃ©marreur, un alternateur, une pompe comprenant une machine Ã©lectrique selon l'une des revendications prÃ©cÃ©dentes. 10 9. Moteur d'un aÃ©ronef, tel qu'un hÃ©licoptÃ¨re, comprenant un dÃ©marreur-gÃ©nÃ©rateur selon la revendication prÃ©cÃ©dente.