Brevet FR3084786A1 — publié le 20200207

MACHINE ELECTRIQUE A AIMANTS PERMANENTS POUR TURBOMACHINE DOMAINE [1] La présente invention concerne les machines électriques à aimants permanents pour turbomachine, et en particulier, les aimants constitutifs de telles machines. CONTEXTE [2] Avec le développement de travaux sur l'hybridation des aéronefs, les machines électriques à aimants sont envisagées pour être utilisées dans de tels aéronefs, par exemple en tant que source de puissance électrique, c'est- à-dire pour fournir de la puissance au réseau électrique propulsif ou non propulsif lors des phases de vol. [3] Classiquement, une machine électrique à aimants permanents 2 telle qu'illustrée en figure 1 et comporte un stator 4 et un rotor 6 comportant un arbre central 8. [4] L'arbre 8 s'étend selon un premier axe X, de rotation et porte par exemple quatre aimants 10 permanents disposés sur une pièce de support 12, assemblée frettée sur l'arbre 8. La pièce de support 12 est un pavé droit comprenant un trou débouchant à section circulaire dont les dimensions sont adaptées pour que la pièce de support 12 soit assemblée frettée sur l'axe 8. [5] Les aimants 10, constitués de matériau ferromagnétiques, sont des cylindres à section sem i-ovale s'étendant selon l'axe X. La surface plane 14 est ainsi disposée et fixée sur les faces de la pièce de support 12. [6] Le stator 4 est une pièce tubulaire, de forme cylindrique annulaire, fixé à un carter de l'aéronef et entourant le rotor. [7] Un bobinage 16 est monté sur le stator 4 à l'intérieur de logements 18 aménagés sur le stator 4. Comme cela est visible sur la figure 2, les logements 18 sont des rainures à section générale trapézoïdale, dans 2 lesquels sont logées des parties du bobinage 16. Les logements 18 sont régulièrement répartis circonférentiellement radialement à l'intérieur du stator 4. [8] Ainsi, lorsque le rotor 6 est monté à l'intérieur du stator 4 portant le 5 bobinage 16, la surface arrondie convexe 20 des aimants est en vis-à-vis radial avec le bobinage 16, comme illustré sur les figures 1 et 2. [9] L'intégration des telles machines électriques à aimants permanents 2 dans les aéronefs nécessite que ces machines 2 soient le plus compact possible tout en fonctionnant de manière optimale. 10 [010] L'analyse du rendement des machines électriques actuellement utilisées fait ressortir que de nombreuses pertes s'opèrent en fonctionnement. Ces pertes se distinguent en trois catégories : Les pertes par effet joule ; Les pertes fer ; et 15 Les pertes mécaniques et aérauliques. [11] La figure 2 illustre la cartographie de la densité des pertes (en W/m3) observées sur un des aimants de la machine électrique à aimants permanents 2 décrite en référence à la figure 1. Comme on peut l'observer, des pertes élevées ont lieu au niveau des zones délimitées par des encadrés 20 pointillées. [12] Par ailleurs, il apparait également que la propagation de ces pertes a lieu essentiellement dans l'épaisseur de peau 22 de l'aimant 10. En particulier, 70% des pertes ont lieu dans l'épaisseur de peau de l'aimant, c'est-à-dire la partie annulaire de chaque segment annulaire qui est 25 radialement externe, ces pertes étant majoritairement des pertes par courant de Foucault. [13] Les pertes fer résultent en partie des pertes liées au courant de Foucault crée par le champ magnétique en surface des aimants des machines électriques. En effet, ces courants se propagent en surface de l'aimant, dans son épaisseur de peau, réduisent le rendement des machines électriques à aimants permanents mais contribuent également à la 3 dégradation des performances magnétiques des aimants. Concernant ce dernier point, le passage des courants de Foucault peut contribuer à augmenter la température des aimants jusqu'à une température critique au-delà de laquelle les propriétés magnétiques de l'aimant se dégradent de 5 manière irréversible. [14] L'invention a notamment pour but d'apporter une solution simple, efficace et économique au problème précité. RESUME DE L'INVENTION [15] La présente invention concerne tout d'abord une machine électrique 10 à aimants permanents pour turbomachine comprenant - un rotor mobile en rotation selon un premier axe sur lequel au moins deux aimants sont montés ; - un stator, s'étendant autour du rotor selon le premier axe, sur lequel un bobinage est monté ; 15 caractérisée en ce que lesdits aimants, agencés entre le rotor et le stator, comprennent chacun au moins une surface en vis-à-vis radial avec au moins une partie dudit bobinage, ladite surface comprenant au moins une rainure. [016] La présence d'une ou plusieurs rainures en surface de l'aimant permet d'augmenter la résistance surfacique de l'aimant, et donc de réduire 20 l'intensité du courant de Foucault se formant dans l'épaisseur de peau de l'aimant. En équipant une machine électrique à aimants permanents comprenant de telles rainures sur leur surface positionnée en vis-à-vis avec le bobinage monté sur le stator, le rendement de la machine électrique en est amélioré. 25 [017] Selon une autre caractéristique, ladite au moins une rainure peut s'étendre selon le premier axe. [018] Ladite au moins une rainure peut également s'étendre circonférentiellement, son orientation dépendant du nombre de pôle de la 4 machine électrique, ainsi que du nombre de logements aménagés sur le stator. [019] Également, ladite au moins une rainure peut comprendre au moins une composante selon le premier axe. 5 [020] De plus, ladite au moins une rainure peut comprendre au moins une composante circonférentielle. [21] En pratique, ladite au moins une rainure peut être à section trapézoïdale. [22] Une telle forme permet un démoulage aisé de l'aimant lors de sa 10 fabrication par moulage par injection de poudres (an anglais Powder Injection Molding, PIM). L'aimant peut également être fabriqué par fusion sélective laser (en anglais Selective Laser Melting, SLM). [23] En outre, ladite au moins une rainure peut comprendre entre 1 et 100 rainures. 15 [024] En effet, en augmentant le nombre de rainures, la résistance surfacique est de fait augmentée, permettant ainsi de réduire d'autant plus les courants de Foucault se formant dans l'épaisseur de peau de l'aimant. [25] Selon une caractéristique supplémentaire, la distance circonférentielle entre deux rainures consécutives peut être comprise entre 20 300 pm et 700 dam. [26] Par ailleurs, la profondeur de ladite au moins une rainure peut être inférieure à 1 mm. [27] En effet, les courants de Foucault ne se propageant que dans l'épaisseur de peau des aimants, il suffit donc d'augmenter surfaciquement 25 la résistance de l'aimant, en particulier uniquement dans l'épaisseur de peau. [28] Ladite au moins une rainure peut s'étendre sur toute la dimension des aimants selon le premier axe. [29] Selon une autre caractéristique, chaque segment d'aimant peut comprendre une pluralité de rainures sensiblement régulièrement répartie 30 sur toute la dimension de l'aimant. 5 [030] Dans ce cas, la résistance surfacique est ainsi augmentée sur toute la surface des aimants en vis-à-vis avec le bobinage porté par le stator, cela permettant ainsi de réduire l'intensité des courants de Foucault se formant dans leurs épaisseurs de peau. 5 [031] Selon une autre caractéristique, ladite au moins une rainure peut présenter une paroi de fond ayant une longueur comprise entre 300 pm et 500 pm, de préférence entre 350 pm et 450 pm. [032] De plus, ladite au moins une rainure peut être sensiblement parallèle audit premier axe. 10 [033] L'invention concerne également un procédé de fabrication d'une machine électrique telle que décrite précédemment comprenant l'étape suivante : - fabriquer au moins deux aimants par fabrication additive, chacun des aimants ayant au moins une surface comprenant au moins une rainure. 15 [034] L'invention concerne de plus un aéronef comprenant une machine électrique telle que décrite précédemment. [035] L'invention sera mieux comprise et d'autres détails, caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante faite à titre d'exemple non limitatif en référence aux dessins annexés. 20 BREVE DESCRIPTION DES FIGURES - la figure 1 est une vue en perspective d'une machine électrique à aimants permanents selon l'art antérieur ; - la figure 2 est une vue schématique en coupe de la machine électrique à aimants permanents de la figure 1 ; 25 - la figure 3 est une illustration d'un aimant d'une machine électrique à aimants permanents selon l'invention ; - la figure 4 est une vue schématique d'un exemple d'aimant d'une machine électrique à aimants permanents selon l'invention ; 6 - les figures 5A et 5B illustre les mesures de pertes réalisées respectivement sur un aimant sans rainures et avec rainures. DESCRIPTION DETAILLEE [36] On se réfère aux figures 3 et 4 en relation avec l'invention, les figures 5 1 et 2 ayant déjà été décrites précédemment et concernant la technique antérieure connue. [37] La figure 3 illustre un exemple d'aimant 24 intégré dans la machine électrique à aimants permanents 2 selon l'invention. La machine électrique à aimants permanents 2 est similaire à celle de la technique antérieure 10 présenté précédemment, en ce qu'elle comprend : - un rotor 6 mobile en rotation selon un premier axe, l'axe X, sur lequel au moins deux aimants 24 sont montés ; - un stator 4, s'étendant autour du rotor 6 selon le premier axe, l'axe X, sur lequel un bobinage 16 est monté ; 15 [038] La machine 2 se distingue néanmoins de par les aimants 24 du rotor 6. L'aimant 24 visible sur la figure 3, destiné à être agencé entre le rotor 6 et le stator 4, est un exemple d'aimant 24 compris d'une machine électrique 2 selon l'invention. [39] L'aimant 24, un cylindre à section semi-ovale, comprend des rainures 20 26 sur sa surface convexe 20 destinées à être disposée en vis-à-vis radial avec au moins une partie dudit bobinage 16 lorsque l'aimant est monté dans la machine électrique à aimants permanents 2. [40] Les rainures 26, sont formées à la surface convexe 20 de l'aimant 24. Comme on peut le voir sur la figure 3, les rainures 26 se situent dans la zone 25 radialement extérieure de l'épaisseur de peau 22 de l'aimant 24. L'épaisseur de peau 22 se calcule de manière générique avec la formule suivante : 2 coma 2p 1 toli o-iurf 7 - épaisseur de peau [ - p perméabilité ma ne que [I-I.m-1] - co pulsation [racl.s-1] (w = Ziff) - p résistivité en [0 m] - f . fréquence du courant [Hz] - conductivité électrique [S.m-1] [41] Dans le cas spécifique de la machine électrique 2 considérée ici, des fréquences dentaires et polaires sont également à prendre en compte dans 5 le calcul de l'épaisseur de peau. Par fréquence dentaire et polaire, on entend le nombre de dents situées en face d'un pôle. [42] Les rainures 26 visibles sur la figure 3 s'étendent selon l'axe X sur toute la dimension 28 de l'aimant 24 selon l'axe X. En outre, les rainures 26 sont sensiblement parallèles à l'axe X. 10 [043] Ainsi, avec de telles rainures 26 présentes dans la partie radialement extérieure de l'épaisseur de peau 22 de l'aimant 24, la résistance de l'épaisseur de peau 22 de l'aimant 24 se retrouve augmentée. En augmentant la résistance dans l'épaisseur de peau 22 de l'aimant 24, selon le principe de la loi d'Ohm, l'intensité du courant de Foucault induit s'en 15 retrouve réduite. [44] Comme on peut le voir sur les figures 5A et 5B, illustrant les densités de pertes d'un même aimant respectivement sans rainures 30 et avec rainures 32, l'effet des rainures est bien visible. Dans cet exemple un aimant 30, 32 avec les caractéristiques suivantes est utilisé 20 Induction rémanente Perméabilité relative Résistivité électrique de l'aimant permanent de l'aimant permanent de l'aimant permanent, [T] Pra H Pra [O-mi 1.1 1.12 0.9.10-6 [45] La densité des pertes surfaciques est réduite, de sorte qu'en moyenne en un même point sur les deux aimants 30, 32, les rainures 26 permettent de réduire les pertes de 122,6 W à 120,7 W en moyenne sur une période de 25 800 las d'utilisation. 8 [46] Ainsi, il apparait que les rainures 26 peuvent permettre une réduction des pertes allant de 2,5% à 5%. [47] Un aimant 24, 32 d'une machine électrique à aimants permanents 2 selon l'invention comprend entre 1 et 100 rainures. 5 [048] En pratique, la distance circonférentielle entre deux rainures 26 consécutives est comprise entre 300 pm et 700pm. [49] Dans un cas idéal, comme visible sur la figure 3, les rainures 26 présentent une profondeur 34 équivalente à l'épaisseur de peau 22 de l'aimant 24,32, pour optimiser l'augmentation de la résistivité dans 10 l'épaisseur de peau 22. Néanmoins, en pratique, les rainures 26 présentent une profondeur 34 permettant à la fois une augmentation de la résistivité en surface de l'aimant 24,32, dans l'épaisseur de peau 22, mais également pouvant être aisément réalisées par les procédés de fabrication de l'aimant permanent 24,32, c'est-à-dire le moulage par injection de poudres (PIM) ou 15 la fusion sélective laser (SLM). Ainsi, les profondeurs 34 des rainures 26 sont inférieures à 1 mm. De préférence, les rainures 26 présentent des profondeurs 34 d'environ 400 pm. [50] En outre, les rainures 26 présentent une paroi de fond 30 ayant une longueur comprise entre 300 pm et 500 pm, de préférence entre 350 pm et 20 450 pm. [51] Les rainures 26 sont espacées d'une distance 36 comprise entre environ 300 pm et 700 pm. Cet espacement est limité en particulier par les procédés de fabrication de l'aimant 24,32. [52] Les rainures 26 présentent en outre un angle de dépouille a d'environ 25 25°. [53] Comme on peut mieux le voir sur la figure 4, les rainures 26 présentent une forme à section trapézoïdale. Une telle forme se révèle avantageuse en particulier pour la fabrication de l'aimant permanent 24,32 en terres rares, en samarium-cobalt (SmCo) par exemple, par injection de poudres (PIM). En 30 particulier, la forme trapézoïdale de la rainure 26 est caractérisée par l'angle de dépouille a identifié sur la figure 3. 9 [54] Les rainures 26 peuvent être réalisées suivant d'autres motifs. Par exemple, les rainures 26 pourraient également être réalisées de manière vrillée, c'est-à-dire avec une composante longitudinale et une composante circonférentielle, les rainures 26 étant alors inclinées par rapport au premier 5 axe X du rotor 6. Dans cette configuration, les rainures 26 pourraient s'étendre de manière hélicoïdale entre les deux extrémités longitudinales du rotor 6 et présenter un angle d'hélice non nul. Dans ce cas particulier, les logements 18 du stator 4, dans lesquels est monté le bobinage 16, peuvent également s'étendre de manière hélicoïdal entre les deux extrémités du 10 stator 4 avec un angle d'hélice similaire. [55] Lors de la réalisation d'une machine électrique 2 telle que décrite précédemment, le procédé de fabrication comprend en particulier l'étape suivante : - fabriquer au moins deux aimants 24,32 par fabrication additive, chacun 15 des aimants 24 ayant au moins une surface 20 comprenant au moins une rainure 26. [56] L'utilisation de la fabrication additive permet ainsi de réaliser plusieurs types de rainures 26, à section variable par exemple, REVENDICATIONS1. Machine électrique à aimants permanents (2) pour turbomachine comprenant : - un rotor (6) mobile en rotation selon un premier axe (X) sur lequel au moins deux aimants (24) sont montés ; - un stator (4), s'étendant autour du rotor (6) selon le premier axe (X), sur lequel un bobinage (16) est monté ; caractérisée en ce que lesdits aimants (24), agencés entre le rotor (6) et le stator (4), comprennent chacun au moins une surface (20) en vis-à-vis radial avec au moins une partie dudit bobinage (16), ladite surface (20) comprenant au moins une rainure (26). 2. Machine électrique (2) selon la revendication 1, caractérisée en ce que ladite au moins une rainure (26) comprend au moins une composante selon le premier axe (X). 3. Machine électrique (2) selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que ladite au moins une rainure (26) comprend au moins une composante circonférentielle. 4. Machine électrique (2) selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que ladite au moins une rainure (26) est à section trapézoïdale. 5. Machine électrique (2) selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que ladite surface comprend entre 1 et 100 rainures. 6. Machine électrique (2) selon la revendication 5, caractérisée en ce que la distance circonférentielle entre deux rainures (26) consécutives est 30 comprise entre 300 pm et 700pm. 11 7. Machine électrique (2) selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que la profondeur de ladite au moins une rainure (26) est inférieure à 1 mm. 5 8. Machine électrique (2) selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que ladite au moins une rainure (26) s'étend sur toute la dimension (28) des aimants (24) selon le premier axe (X). 10 9. Machine électrique (2) selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisée en ce que ladite au moins une rainure (26) présente une paroi de fond (30) ayant une longueur comprise entre 300 pm et 500 pm, de préférence entre 350 pm et 450 pm. 15 10. Machine électrique (2) selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisée en ce que ladite au moins une rainure (26) est sensiblement parallèle audit premier axe (X). 11. Procédé de fabrication d'une machine électrique (2) selon l'une 20 des revendications 1 à 10 comprenant l'étape suivante : fabriquer au moins deux aimants (24) par fabrication additive, chacun des aimants (24) ayant au moins une surface (20) comprenant au moins une rainure (26). 25 12. Aéronef comprenant une machine électrique (2) selon l'une des revendications 1 à 11.