Brevet FR3091063A1 — publié le 20200626

Description Titre de l'invention : Module électronique de puissance pour moteur électrique intelligent Domaine technique [0001] L'invention se rapporte à un moteur électrique intelligent, notamment pour un aéronef, et plus particulièrement à l'intégration de l'électronique de puissance dans un moteur électrique intelligent afin d'en accroitre la densité de puissance. Technique antérieure [0002] L'invention trouve des applications dans le domaine aéronautique, notamment pour les moteurs intelligents utilisés dans le cadre des systèmes de propulsion hybride thermique/électrique pour aéronef, pour les convertisseurs destinés à des applications propulsives telles que les VTOL (« Vertical Take-Off and Landing » ou aéronefs à décollage et atterrissage vertical en français), et pour les convertisseurs destinés à des applications non-propulsives comme par exemple les VSCF, ou « Variable Speed Constant Frequency » en anglais. [0003] Dans les moteurs intelligents, ou « Smart Motor » en anglais, les modules de puissance ou de commande qui sont utilisés intègrent les convertisseurs qui sont nécessaires pour l'électrification des systèmes non propulsifs à bord des aéronefs afin de convertir l'énergie électrique du réseau principal, qui peut être par exemple un réseau à courant alternatif (AC) de 115 V ou 230 V ou un réseau à courant continu (DC) de 540 V, sous plusieurs formes. Les convertisseurs utilisés peuvent ainsi être du type AC/DC, DC/AC, AC/AC ou DC/DC. [0004] L'électrification continue des aéronefs conduit à l'augmentation des niveaux de puissances électriques embarqués. Le niveau des puissances électriques embarquées passe en effet de quelques centaines de kilowatts à un niveau de l'ordre du mégawatt. Ces niveaux de puissances impactent l'ensemble de la chaîne de conversion dédiée à la génération de la puissance électrique. Ceci concerne autant les convertisseurs électromécaniques, tels que les machines électriques, que les convertisseurs électriques de l'électronique de puissance. [0005] Ainsi, la préoccupation majeure consiste à augmenter la densité volumique de puissance afin d'améliorer la compacité de l'ensemble du système formé par la machine électrique, l'électronique de puissance et la commande associée. Ceci, tout en visant à améliorer les performances, notamment augmenter l'efficacité énergétique, assurer la tenue mécanique, gérer les aspects thermique, la disponibilité, la modularité, la fiabilité, etc. [0006] Des solutions émergentes consistent à intégrer l'électronique de puissance au plus 2 près de la machine électrique. [0007] L'électronique de puissance associée à ces applications repose souvent sur des modules électroniques de puissance tel que celui représenté schématiquement sur la figure 1. [0008] Un module électronique de puissance 1 classique comprend un substrat 2 comprenant une couche électriquement isolante 2a, en matériau céramique, agencée entre deux couches métalliques 2h, 2c. Les deux couches métalliques 2h et 2c sont assemblées avec la couche électriquement isolante 2a par différentes techniques comme par exemple par brasage, ou « Active Metal Brazing » en anglais ou encore « AMB », par liaison direct du cuivre, ou «Direct Bonded Copper » en anglais ou encore « DBC », ou encore par liaison directe d'aluminium, ou « Direct Bonded Aluminium » en anglais ou encore « DBA ». La couche métallique 2h supérieure du substrat 2 forme un circuit de puissance sur lequel des composants à semi-conducteur de puissance 3 sont assemblés. Les composants à semi-conducteur de puissance 3 sont assemblés au circuit de puissance 2h par l'intermédiaire d'un joint d'interconnexion électrique, thermique et mécanique 4. Ces composants à semi-conducteur de puissance 3 sont connectés au circuit de puissance formée par la couche métallique supérieure 2h du substrat 2 par des fils de câblage métallique 10, typiquement en aluminium ou en cuivre. [0009] Du fait de leurs imperfections, les composants à semi-conducteurs de puissance 3 sont le siège de pertes par effet Joule et donc représentent une source importante de chaleur. La couche métallique 2c inférieure du substrat 2 est reportée sur une semelle 5 métallique qui a pour rôle d'étaler le flux thermique et d'assurer une connexion thermique et mécanique avec un dissipateur thermique 6 métallique. La couche métallique 2c inférieure du substrat 2 est rapportée sur la semelle 5 par l'intermédiaire d'un joint d'interconnexion électrique, thermique et mécanique 7. La semelle 5 est elle-même rapportée sur le dissipateur thermique 6 métallique par l'intermédiaire d'une couche 8 de matériau d'interface thermique, telle qu'une graisse thermique, un film élastomère, ou de matériaux à changement de phase. La couche 8 de matériau d'interface thermique permet de réduire la résistance thermique de contact entre la semelle 5 et le dissipateur thermique 6 pour assurer une meilleure évacuation du flux thermique. Le dissipateur thermique 6 est muni d'ailettes 9 permettant de réduire d'autant plus la résistance thermique de ce dernier, et qui sont traversées par un fluide de refroidissement, par exemple de l'air. [0010] Un tel module électronique de puissance 1 présente cependant plusieurs incon- vénients. Les solutions d'assemblage des différentes couches métalliques et isolantes 2a, 2b, 2c et de la semelle 5 ayant des coefficients de dilatation thermique différents entre elles rendent le module électronique de puissance 1 sensible au phénomène de fatigue thermique, limitant de ce fait la fiabilité du module électronique de puissance 1. 3 Ces solutions peuvent par exemple entrainer des fissures dans la couche électriquement isolante 2a du substrat 2 et/ou dans les joints d'interconnexion électrique 4, 7 et/ou dans la connexion entre les fils de câblage métallique 10 et la couche 2b. Les joints d'interconnexion électrique et les fils de câblage métallique sont les zones privilégiées pour les défaillances des modules de puissance et donc pour leur fiabilité. [0011] L'utilisation de tels modules ne permet qu'une partielle optimisation de l'intégration de l'électronique de puissance dans les topologies de moteurs électriques intelligents connus. Exposé de l'invention [0012] L'invention vise à pallier aux inconvénients des structures antérieures de moteurs in- telligents en fournissant une solution architecturale de moteur intelligent permettant d'accroitre considérablement le niveau d'intégration mécatronique de l'électronique de puissance dans une structure de conversion de l'énergie électrique. [0013] Dans un objet de l'invention, il est proposé un moteur intelligent comprenant un convertisseur électromécanique doté d'au moins un rotor et d'au moins un stator polyphasé, un carter doté d'un dispositif dc refroidissement, et une unité électronique de commande comportant un onduleur de commande muni d'une pluralité dc bras indépendants configurés chacun pour piloter une phase dudit au moins un stator polyphasé, le nombre de bras de l'onduleur correspondant au nombre phases du stator. [0014] Selon une caractéristique générale de l'invention, l'unité électronique de commande comprend au moins deux cartes électroniques d'onduleur de commande sur chacune desquelles est monté au moins un bras de l'onduleur de commande, et le carter comprend une portion cylindrique creuse définissant une direction axiale et une direction radiale, s'étendant selon la direction axiale entre une première extrémité axiale et une seconde extrémité axiale et présentant une épaisseur radiale dans la direction radiale, la portion cylindrique comportant des logements prévus dans ladite épaisseur radiale, et chaque carte d'onduleur de commande étant montée dans un desdits logements. [0015] L'architecture mécanique du carter et des cartes d'onduleur de commande sous la forme de modules de puissance enfichables refroidis double face permet d'accroitre considérablement le niveau d'intégration mécatronique de l'électronique de puissance dans une structure de conversion de l'énergie électrique d'un moteur intelligent. [0016] La portion cylindrique du carter peut être réalisée par usinage d'une pièce en matériau thermiquement conducteur. [0017] Avantageusement, la portion cylindrique du carter peut être réalisée par fabrication additive dans un matériau thermiquement conducteur et être en communication thermique avec le dispositif de refroidissement. [0018] Le carter sur lequel est monté le dispositif de refroidissement forme ainsi, notamment pour les cartes d'onduleur de commande, un refroidisseur, qui peut refroidir sur toutes les faces ou presque des cartes d'onduleur de commande puisque celles-ci sont insérées dans des logements réalisés dans le carter. [0019] Avantageusement, chaque carte électronique d'onduleur de commande peut être réalisée par un procédé d'enfouissement des composants dans un circuit imprimé, ou « cmbedded printed circuit board » en anglais (Emhedded PCB), pour obtenir une carte électronique d'onduleur de commande dont les composants électroniques sont incorporés dans une structure de circuit imprimé qui assure à la fois l'interconnexion électrique entre eux par l'intermédiaire de pistes métallisées, une dissipation thermique optimisée par conduction, et une réduction des risques de défaillance liées à la présence de fils de câblage. [0020] Les cartes électroniques d'onduleur de commande pourraient également être basées sur des circuits imprimés standards, mais cela serait moins efficace en terme de refroidissement et d'intégration. [0021] Dans une variante les cartes électroniques d'onduleur de commande pourraient également être réalisées sous la forme d'un module tridimensionnel double face. [0022] En outre, chaque carte d'onduleur de commande comprend de préférence des connecteurs électriques et chaque logement comprend des connecteurs électriques complémentaires, les connecteurs électriques et les connecteurs électriques complémentaires étant configurés pour être électriquement raccordés ensemble. [0023] Avantageusement, chaque carte d'onduleur de commande peut comprendre des premiers connecteurs et des seconds connecteurs, et chaque logement peut comprendre respectivement des premiers connecteurs complémentaires et des seconds connecteurs complémentaires, les premiers connecteurs et les premiers connecteurs complémentaires étant configurés pour être traversés par des courants plus élevés que les seconds connecteurs et les seconds connecteurs complémentaires. [0024] La présence de connecteurs de configurations différentes permet ainsi de garantir une différenciation des connexions électriques au niveau de la puissance et au niveau des signaux de commande dans les cartes électroniques d'onduleur de commande. [0025] Les connecteurs de chaque carte d'onduleur de commande et les connecteurs électriques complémentaires de chaque logement peuvent avantageusement comprendre en outre des éléments mécaniquement complémentaires coopérant pour maintenir mécaniquement une carte d'onduleur de commande dans un logement. [0026] Les connecteurs permettent ainsi de réaliser aussi bien une interconnexion électrique qu'une interconnexion mécanique entre les cartes d'onduleur de commande et le carter. [0027] Avantageusement, chaque carte d'onduleur de commande peut comprendre un boîtier comportant des parois en matériau électriquement isolant et définissant une enceinte à l'intérieur de laquelle sont disposés des composants électriques de puissance, une paroi étant traversée par les connecteurs électriques, et au moins une paroi comprenant une languette métallique sur une surface extérieure destinée à être en contact avec le carter pour maximiser le transfert thermique. [0028] Le boîtier peut être formé par un substrat dans lequel sont enfouis les composants électriques de puissance. [0029] Les languettes métalliques disposées sur une ou deux faces du boîtier permettent de réaliser un pont thermique entre les parois du logement du carter et les parois du boîtier de la carte d'onduleur de commande. Cela permet de mieux drainer la chaleur générée par effet Joules par les composants à semi-conducteur de puissance disposés au sein de la de la carte électronique d'onduleur de commande et ainsi d'accroître le transfert thermique. [0030] Les languettes métalliques peuvent être reportées par report de brasage ou de frittage, ou bien collée par colle therrniquemcnt conductrice. [0031] Pour améliorer le transfert thermique entre une carte électronique d'onduleur de commande et le carter, le moteur intelligent peut également comprendre un matériau d'interface thermique à haute conductivité thermique (par exemple un gel polymère, un élastomère, une graisse thermique, ou tout autre matériau à forte conductivité thermique) disposé dans les espaces séparant une carte électronique d'onduleur de commande du carter lorsque la carte électronique d'onduleur de commande est logée dans son logement. [0032] En outre, afin d'assurer un maintien mécanique d'une carte électronique d'onduleur de commande dans un logement du carter ouvert sur ladite première extrémité axiale de la portion cylindrique, le carter peut comprendre en outre des languettes de blocage montées sur la première extrémité axiale de la portion cylindrique du carter, chaque languette de blocage étant fixée de manière mobile en périphérie d'un logement et configurée pour avoir au moins une partie de la languette de blocage déplaçable au-dessus du logement pour empêcher tout déplacement axial d'une carte d'onduleur de commande une fois insérée dans un logement. [0033] Pour chaque languette de blocage, le moteur intelligent peut comprendre en outre une vis traversant une extrémité de la languette de placage pour fixer en pivot la languette de blocage au carter. Brève description des dessins [0034] L'invention sera mieux comprise à la lecture faite ci-après, à titre indicatif mais non limitatif, en référence aux dessins annexés sur lesquels : [0035] [fig.]] La figure 1 présente schématiquement un exemple de module électronique de 6 puissance 1 connu de l'art antérieur. [0036] [fig.2] La figure 2 présente une première vue en perspective d'une portion cylindrique d'un carter de moteur intelligent selon un mode de réalisation de l'invention. [0037] [fig.3] La figure 3 est une vue en coupe selon un plan longitudinal III-1H de la portion cy- lindrique du carter de la figure 2. [0038] [fig.4] La figure 4 présente une seconde vue en perspective de la portion cylindrique du carter de moteur intelligent de la figure 2. [0039] [fig.5] La figure 5 illustre une vue en perspective d'une carte électronique d'onduleur de commande 18 selon un mode de réalisation de l'invention. [0040] [fig.6] La figure 6 représente une vue en perspective d'un logement 30 du carter 20 selon un mode de réalisation de l'invention. Description des modes de réalisation [0041] Sur la figure 2 est présentée de manière schématique une première vue en perspective d'une portion cylindrique d'un carter de moteur intelligent selon un mode de réalisation de l'invention. [0042] Les figures 3 et 4 représentent respectivement une vue en coupe selon un plan lon- gitudinal 111-11I et une seconde vue en perspective de la portion cylindrique du carter de moteur intelligent de la figure 2. [0043[ Dans le mode de réalisation illustré sur les figures 2 à 4, le moteur intelligent 15 comprend une hélice mécaniquement couplée à un arbre d'entraînement d'une machine électrique comportant un stator hexaphasé et un rotor solidaire de l'arbre d'entraînement. Le moteur intelligent 15 comprend en outre une unité électronique de commande comportant un onduleur de commande muni de six bras indépendants configurés chacun pour piloter une phase du stator hexaphasé. [0044] Lc moteur intelligent comprend en outre un carter 20 à l'intérieur duquel est disposé la machine électrique ainsi que l'électronique de puissance et l'électronique de commande du moteur intelligent 15. [0045] Le carter 20 comprend une portion principale 22 cylindrique à base circulaire et creuse formant une couronne définissant une direction axiale DA correspondant à l'axe de révolution du cylindre à base circulaire et une direction radiale D, [0046] Les termes "interne" et "externe", et « intérieur » et « extérieur » sont utilisés ici en référence à la direction radiale DR dans le carter 20 du moteur intelligent 15. 7 [0047] La couronne 22 comprend une première surface tubulaire radialemcnt externe 220 et une seconde surface tubulaire radialemcnt interne 221, s'étendant chacune dans la direction axiale DA et dans une direction circonférentielle Dc. Entre les deux surfaces tubulaires 220 et 221 coaxiales s'étendent deux surfaces annulaires 222 et 223. La première surface annulaire 222 s'étend dans un plan orthogonal à la direction axiale DA passant par une première extrémité axiale 224 de la couronne 22. Et la seconde surface annulaire 223 s'étend dans un plan orthogonal à la direction axiale DA passant par une seconde extrémité axiale 225 dc la couronne 22 opposée à la première extrémité axiale 224. La couronne 22 présente une épaisseur dans la direction radiale DR correspondant à la longueur dans la direction radiale D' des surfaces annulaires 222 et 223. [0048] Le carter 20 comprend en outre un dispositif de refroidissement 24 monté sur la première surface tubulaire 220 de la couronne 22. Le dispositif de refroidissement 24 comprend des ailettes 240 en saillie radiale vers l'extérieure depuis la première surface tubulaire 220 dc la couronne 22 du carter 20. Les ailettes 240 sont configurécs pour délivrer des calories générées par le fonctionnement des composants électroniques à l'intérieur du carter 20 à un flux d'air circulant entre les ailettes 240. [0049] En outre, le carter 20 comprend six logements 30 réalisés sous forme de fentes dans l'épaisseur radiale de la couronne 22. Les logements 30 possèdent une section rectangulaire dans un plan orthogonal à la direction axiale DA, autrement dit dans un plan parallèle aux surfaces annulaires 222 et 223, et s'étendent dans la direction axiale DA pour former un logement 30 parallélépipédique. [0050] Chaque logement 30 est ouvert sur la première surface annulaire 222. Autrement dit, chaque logement 30 débouche selon la direction axiale D' sur la première surface annulaire 222. Et chaque logement 30 comprend une paroi de fond 32. Chaque logement 30 s'étend ainsi dans la direction axiale DA entre la paroi de fond 32 et un orifice d'insertion 34 réalisé dans la première surface annulaire 222. [0051] L'unité électronique de commande du moteur intelligent 15 comprend six cartes élec- troniques d'onduleur de commande 18 insérées chacune, lorsque le moteur intelligent est assemblé pour fonctionner, dans un logement 30 du carter 20. Chaque carte d'onduleur de commande 18 possède une forme parallélépipédique complémentaire à celle des logements 30. Chacune des six cartes électroniques d'onduleur de commande 18 forme un bras de l'onduleur de commande de l'unité électronique de commande du moteur intelligent 15. [0052] Sur la figure 5 est représentée une vue en perspective d'une carte électronique d'onduleur de commande 18 selon un mode de réalisation de l'invention. [0053] Comme cela est illustré sur la figure 5, dans ce mode de réalisation, la carte élec- tronique d'onduleur de commande 18 comprend des composants électroniques de puissance non illustrés enfouis dans un substrat électriquement isolant formant un 8 boîtier 180 parallélépipédique. [0054] Le boîtier 180 comprend quatre faces axiales 181 à 184 s'étendant dans la direction axiale DA lorsque la carte 18 est insérée dans un logement 30 du carter 20, et une première et une seconde faces radiales 185 et 186 s'étendant dans la direction radiale D ' lorsque la carte 18 est insérée dans un logement 30 du carter 20. Les quatre faces axiales 181 à 184 du boîtier 180 se décomposent en deux grandes faces axiales 181 et 182 et deux petites faces axiales 183 et 184 s'étendant entre les deux grandes faces axiales 181 et 182. [0055] La carte 18 comprend deux languettes thermiquement conductrices 186, par exemple deux languettes métalliques. Ces deux languettes thermiquement conductrices 189 sont fixées sur les deux grandes faces latérales 181 et 182 du boîtier 180. [0056] La carte 18 comprend également trois connecteurs de puissance 187 et quatre connecteurs de commande 188 de dimensions plus petites que les connecteurs de puissance 187. Les connecteurs de puissance 187 et les connecteurs de commande 188 s'étendent en saillie depuis la seconde surface radiale 186 vers l'extérieur du boîtier 180. [0057] Les connecteurs de puissance 187 sont destinés à être traversés par des courants plus élevés que les courants destinés à traversés les connecteurs de commande 188. [0058] Sur la figure 6 est représentée une vue en perspective d'un logement 30 du carter 20 selon un mode de réalisation de l'invention. [0059] Comme illustré sur la figure 6, entre l'ouverture 34 et la paroi de fond 32 du logement 30 s'étendent, dans la direction axiale DA, deux grandes parois axiales 31 destinées à être en regard, voire en contact, des grandes faces latérales 181 et 182 d'une carte 18, et deux petites parois axiales 33 destinées à être en regard, voire en contact, des petites faces latérales 183 et 184 d'une carte 18. [0060] Le carter 20 comprend en outre, pour chaque logement 30, trois connecteurs de puissance complémentaires 37 et quatre connecteurs de commande complémentaires 38 prévus dans la paroi de fond 32 du logement 30. Les trois connecteurs de puissance complémentaires 37 sont destinés à coopérer avec les trois connecteurs de puissance 187 d'une carte 18 et les quatre connecteurs de commande complémentaires 38 sont destinés à coopérer avec les quatre connecteurs de commande 188 de cette même carte 18, une carte 18 étant destinée à être insérée dans un logement 30 en introduisant la secondes face radiale 184 de la carte 18 jusqu'à ce qu'elle soit au contact de la paroi de fond 32 du logement 30 et que les connecteurs de puissance 187 et les connecteurs de commande 188 soient raccordés respectivement aux connecteurs de puissance complémentaires 37 et aux connecteurs de commande complémentaires 38. [0061] Lorsqu'une carte 18 est insérée dans un logement 30 et que les connexions électriques sont réalisées, un gel polymère à haute conductivité thermique est injecté 9 dans le logement 30 pour combler les espaces séparant la carte 18 du carter 20 de manière à améliorer les transferts thermiques entre le boîtier 182 et la couronne 22. [0062] Comme cela est illustré dans le mode de réalisation de la figure 6, la couronne 22 du carter 20 comprend également pour chaque logement 30 une languette de blocage 40 présentant une première extrémité 41 fixée de manière pivotante à la première surface annulaire 222 via une vis 45 et une seconde extrémité 42 libre pouvant pivoter autour de l'axe défini par la vis 45 dans un plan parallèle au plan dans lequel s'étend la première surface annulaire 222, pour libérer ou bloquer l'ouverture 34 du logement 30 et ainsi libérer ou maintenir en place une carte 18 dans le logement 30. [Revendication 1] [Revendication 2] [Revendication 3] [Revendication 4] [Revendication 5]