Brevet FR3102618A1 — publié le 20210430

Une roue magnétique (11) et une pluralité de machines électriques sont couplées magnétiquement. Les machines électriques comportent des rotors (10) avec des aimants permanents (13) disposés en cercle sur leur pourtour (10), afin de former un flux radial d’induction magnétique. La roue magnétique (11) comporte d’autres aimants permanents (16) placés en cercle, afin de former aussi un flux radial d’induction magnétique. La roue magnétique (11) et la pluralité de machines électriques sont couplées magnétiquement grâce à des plots en matériau ferromagnétique (14) disposés dans un espace compris entre les rotors (10) et la roue magnétique (11). Ainsi, un couplage ou un découplage magnétique peut être réalisé, avec des pertes mécaniques et thermiques réduites. Fig. 3 Couplage de rotors de machines électriques L’invention concerne le domaine des machines électriques, que celles-ci soient des moteurs électriques ou des génératrices électriques. Plus particulièrement, l’invention concerne le domaine du couplage de telles machines électriques. Actuellement, les machines électriques, que ce soient des moteurs électriques ou des génératrices électriques, à aimants permanents et à flux axial, comportent un rotor pris en sandwich entre deux stators ou un stator pris en sandwich entre deux rotors. Pour créer un flux axial, des aimants permanents sont disposés en cercle autour de l’axe de rotation de chaque rotor et leur champ magnétique est parallèle à l’axe de rotation dudit rotor. Chaque stator est muni de bobinages placés en cercle autour de l’axe de rotation du ou des rotors. Dans les génératrices électriques, le rotor est mis en mouvement par une source d’énergie extérieure, par exemple grâce au vent ou grâce à un moteur thermique, et la rotation relative des aimants permanents par rapport aux bobinages permet de générer du courant électrique dans les bobinages et donc de créer une source d’alimentation électrique. Dans les moteurs électriques, le rotor est mis en mouvement en faisant circuler du courant électrique dans les bobinages, ce qui permet de créer un déplacement mécanique grâce à une source externe d’alimentation électrique. D’autres agencements existent, notamment pour former des machines électriques à flux radial. Dans ce cas, le rotor et le stator sont concentriques, et le rotor est typiquement placé dans un évidement du centre du stator. De telles machines électriques sont parfois couplées de sorte à permettre de fournir une plus grande puissance électrique (génératrices électriques) ou une plus grande puissance moteur (moteurs électriques). Il est ainsi possible de cumuler les performances de plusieurs machines électriques pour atteindre un objectif de performance difficilement réalisable avec une seule machine électrique. Des boîtes à engrenages (« gearbox » en anglais) sont alors utilisées pour réaliser ce couplage. Des pertes mécaniques et thermiques apparaissent toutefois à cause des frottements dans de telles boîtes à engrenages. Il est alors souhaitable de pallier ces inconvénients de l’état de la technique. Il est plus particulièrement souhaitable de réduire les pertes lors de tels couplages, tout en optimisant l’intégration géométrique et la masse pour y parvenir. La présente invention concerne un ensemble formé d’une roue magnétique et d’une pluralité de machines électriques couplées magnétiquement à la roue magnétique, chaque machine électrique comportant un rotor, les rotors des machines électriques tournant à la même vitesse. Ledit ensemble est tel que les rotors des machines électriques comportent des aimants permanents disposés en cercle sur le pourtour desdits rotors de sorte que les flux d’induction magnétique de n’importe quel couple d’aimants permanents successifs de chaque rotor sont opposés et que les flux d’induction magnétique desdits aimants permanents sont perpendiculaires à l’axe de rotation dudit rotor, afin de former un flux radial d’induction magnétique. De plus, d’autres aimants permanents sont placés en cercle sur la roue magnétique de sorte que les flux d’induction magnétique de n’importe quel couple desdites autres aimants permanents successifs de la roue magnétique sont opposés et que leur flux d’induction magnétique est perpendiculaire à l’axe de rotation de la roue magnétique qui est parallèle à l’axe de rotation desdits rotors. En outre, la roue magnétique et la pluralité de machines électriques sont couplées magnétiquement grâce à des plots en matériau ferromagnétique disposés dans un espace compris entre les rotors des machines électriques et la roue magnétique. Ainsi, un couplage ou un découplage magnétique peut être réalisé, avec des pertes mécaniques et thermiques réduites. Selon un mode de réalisation particulier, les rotors sont disposés à l’extérieur de la roue magnétique. Selon un mode de réalisation particulier, les rotors sont placés à équidistance angulaire autour de la roue magnétique. Selon un mode de réalisation particulier, la roue magnétique est en forme de couronne et les rotors sont disposés à l’intérieur de la roue magnétique. Selon un mode de réalisation particulier, les rotors sont placés à équidistance angulaire à l’intérieur de la roue magnétique. Selon un mode de réalisation particulier, les machines électriques sont des moteurs électriques. Selon un mode de réalisation particulier, les machines électriques sont des génératrices électriques. La présente invention concerne également un système de couplage magnétique comportant un ensemble, tel qu’évoqué ci-dessus, formé d’une roue magnétique et d’une pluralité de machines électriques couplées magnétiquement à la roue magnétique. Selon un mode de réalisation particulier du système de couplage magnétique, lesdits rotors sont des rotors dédiés au couplage magnétique, l’interaction avec des stators des machines électriques étant assurée par d’autres rotors. La présente invention concerne également un système de découplage magnétique comportant un ensemble, tel qu’évoqué ci-dessus, formé d’une roue magnétique et d’une pluralité de machines électriques couplées magnétiquement à la roue magnétique. Selon un mode de réalisation particulier du système de découplage magnétique, lesdits rotors sont des rotors dédiés au découplage magnétique, l’interaction avec des stators des machines électriques étant assurée par d’autres rotors. La présente invention concerne également un système de propulsion comportant un système de couplage magnétique tel qu’évoqué ci-dessus, et au moins une hélice entraînée par ledit système de couplage. La présente invention concerne également un aéronef comportant au moins un système de propulsion tel qu’évoqué ci-dessus. Les caractéristiques de l'invention mentionnées ci-dessus, ainsi que d’autres, apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante d’un exemple de réalisation, ladite description étant faite en relation avec les dessins joints, parmi lesquels : illustre schématiquement en perspective un aéronef dans lequel des machines électriques couplées selon la présente invention sont installées ; illustre schématiquement un rotor de machine électrique couplée ; illustre schématiquement un premier agencement de système de couplage magnétique de machines électriques ; et illustre schématiquement un second agencement de système de couplage magnétique de machines électriques. EXPOSE DETAILLE DE MODES DE REALISATION La description détaillée ci-après s’attache à décrire un mode de réalisation de la présente invention dans un contexte d’un ensemble de machines électriques couplées qui est installé dans un aéronef. La présente invention s’applique toutefois dans un contexte plus large de couplage de machines électriques, que ce soit un ensemble de moteurs électriques couplés ou un ensemble de génératrices électriques couplées. La présente invention s’applique notamment dans le cadre d’une implémentation dans d’autres types de véhicules, tels que des camions, des autobus, des automobiles et des bateaux. La Fig. 1 illustre schématiquement, en perspective, un aéronef A équipé d’au moins un système de propulsion 1. De manière illustrative, l’aéronef A de la Fig. 1 comporte deux systèmes de propulsion 1 montés sur les ailes de l’aéronef A. L’aéronef A peut comporter un nombre différent de systèmes de propulsion 1. Au moins un système propulsion 1 comporte un système de couplage magnétique. Le système de couplage magnétique comporte un ensemble de N moteurs électriques (par exemple, N = 3) qui sont couplés de sorte que leurs arbres de sortie entraînent conjointement la rotation d’une roue magnétique 11 solidaire d’un arbre de sortie général. L’axe de rotation de la roue magnétique 11 est parallèle aux axes de rotation des moteurs électriques. Au moins une hélice est montée solidaire de l’arbre de sortie général, donc de la roue magnétique 11, et entre en rotation avec l’arbre de sortie général et la roue magnétique 11, afin de contribuer à la propulsion de l’aéronef A. Les moteurs électriques sont alimentés par une source d’alimentation électrique. Cette source d’alimentation électrique peut être intégrée au système de propulsion 1. Chaque moteur électrique est muni d’un rotor 10. Préférentiellement, le rotor 10 est un rotor qui n’interagit pas avec le ou les stators dudit moteur électrique. On parle alors de rotor complémentaire, qui est dédié au couplage (de même pour le découplage). D’autres rotors assurent alors l’interaction avec les stators des machines électriques. Cela permet notamment d’appliquer la présente invention avec indifféremment des machines électriques à flux radial ou des machines électriques à flux axial. Dans le cas de machines électriques à flux axial, le rotor 10 peut être un rotor qui interagit avec le ou les stators de ladite machine électrique. Dans le cadre de la présente invention, des aimants permanents 13 sont placés en cercle sur le pourtour de chaque rotor 10 et leur flux d’induction magnétique est perpendiculaire à l’axe de rotation dudit rotor 10 (comme le montrent les flèches dans les aimants permanents 13 sur la Fig. 2 ). Dans le cas de machines électriques à flux axial où le rotor 10 est un rotor qui interagit avec le ou les stators de ladite machine électrique, le pourtour du rotor 10 est un anneau extérieur dudit rotor 10 hors du champ d’action des bobinages du ou des stators. Ce sont d’autres aimants permanents qui interagissent alors avec le ou les stators. En parcourant la circonférence du cercle sur lequel sont disposés les aimants permanents 13, les flux d’induction magnétique de n’importe quel couple d’aimants permanents 13 successifs sont opposés (comme l’indiquent schématiquement les flèches sur la Fig. 2). Le rotor 10 comporte donc un nombre pair d’aimants permanents 13. Des flux radiaux d’induction magnétique sont ainsi formés. Ces flux radiaux d’induction magnétique ne sont pas destinés à une interaction avec un quelconque stator, mais à une interaction avec la roue magnétique 11 par le biais de plots en matériau ferromagnétique 14. La roue magnétique 11 est un disque (voir la Fig. 3), ou une couronne (voir la Fig. 4), où sont disposés des aimants permanents 16, à la manière des aimants permanents 13 des rotors 10 des moteurs électriques. La roue magnétique 11 est libre en rotation. Les aimants permanents 16 sont placés en cercle sur la roue magnétique 11 et leur flux d’induction magnétique est perpendiculaire à l’axe de rotation de la roue magnétique 11, et donc des rotors 10 des moteurs électriques. En parcourant la circonférence du cercle sur lequel sont disposés les aimants permanents 16, les flux d’induction magnétique de n’importe quel couple d’aimants permanents 16 successifs sont opposés (comme l’indiquent schématiquement les flèches sur les Figs. 3 et 4). La roue magnétique 11 comporte donc un nombre pair d’aimants permanents 16. Les rotors 10 des moteurs électriques sont disposés dans un même plan et leurs axes de rotation 11 sont parallèles, c’est-à-dire perpendiculaires audit plan. Les rotors 10 des moteurs électriques sont de mêmes dimensions et de même agencement des aimants permanents 13. Les rotors 10 des moteurs électriques tournent à la même vitesse. Un organe de pilotage commun des moteurs électriques est typiquement utilisé pour ce faire. Par exemple, il est possible d’utiliser une unité de contrôle moteur MCU (« Motor Controller Unit » en anglais) avec plusieurs cartes électroniques pour assurer indépendamment la conversion électromagnétique de puissance pour chaque machine, mais une unique carte électronique de contrôle pour piloter les différents moteurs et assurer que les moteurs électriques tournent à la même vitesse. Les rotors 10 des moteurs électriques sont placés en regard de la roue magnétique 11, c’est-à-dire dans le même plan. Les plots en matériau ferromagnétique 14 sont disposés dans un espace compris entre les rotors 10 des moteurs électriques et la roue magnétique 11. La rotation des rotors 10 des moteurs électriques produit un champ magnétique qui traverse les plots en matériau ferromagnétique 14 pour parvenir dans le champ magnétique de la roue magnétique 11. Les plots en matériau ferromagnétique 14 servent à canaliser le champ magnétique produit par les aimants permanents 13 des rotors 10 vers les aimants permanents 16 de la roue magnétique 11, ce qui entraîne une rotation ladite roue magnétique 11. La roue magnétique 11 tourne ainsi en sens inverse des rotors 10 des moteurs électriques. Les moteurs électriques peuvent être placés au centre de la roue magnétique 11, qui a alors une forme de couronne. Ce premier agencement de système de couplage magnétique est schématiquement illustré sur la Fig. 3 . Cela présente l’avantage d’une grande compacité de du système de couplage magnétique. En utilisant les rotors 10 comme rotors complémentaires, cela permet d’obtenir un système de couplage de faible encombrement. Dans un mode de réalisation particulier, les rotors 10 (et donc les moteurs électriques) sont placés à équidistance angulaire autour de la roue magnétique 11 (par rapport à l’axe de rotation de la roue magnétique 11). Les moteurs électriques peuvent être placés à l’extérieur de la roue magnétique 11, qui a alors une forme de disque ou de couronne. Ce second agencement de système de couplage magnétique est schématiquement illustré sur la Fig. 4 . Cela présente l’avantage d’une grande dimension de la roue magnétique 11 par rapport aux rotors 10 des moteurs électriques, ce qui offre une meilleure tenue mécanique vis-à-vis du cumul de puissance des moteurs électriques. Dans un mode de réalisation particulier, les rotors 10 (et donc les moteurs électriques) sont placés à équidistance angulaire à l’intérieur de la roue magnétique 11 (par rapport à l’axe de rotation de la roue magnétique 11), c’est-à-dire dans l’espace défini par le rayon intérieur de la couronne. A noter qu’une fonction de découplage peut être réalisée en actionnant en rotation la roue magnétique 11, de sorte à entraîner en rotation les rotors 10. Dans le système de découplage magnétique correspondant, les plots en matériau ferromagnétique 14 servent alors à canaliser le champ magnétique produit par les aimants permanents 16 de la roue magnétique 11 vers les aimants 13 des rotors 10, ce qui entraîne une rotation desdits rotors 10. En utilisant les rotors 10 comme rotors complémentaires, cela permet d’obtenir un système de découplage de faible encombrement. La présente invention a été détaillée ci-dessus dans le contexte d’un couplage de moteurs électriques, notamment pour un système de propulsion d’un aéronef. Comme déjà indiqué, la présente invention s’applique toutefois dans un contexte de couplage de génératrices électriques, notamment pour une unité auxiliaire de puissance APU (« Auxiliary Power Unit » en anglais) d’un aéronef. Ensemble formé d’une roue magnétique (11) et d’une pluralité de machines électriques couplées magnétiquement à la roue magnétique (11), chaque machine électrique comportant un rotor (10), les rotors (10) des machines électriques tournant à la même vitesse, dans lequel les rotors (10) des machines électriques comportent des aimants permanents (13) disposés en cercle sur le pourtour desdits rotors (10) de sorte que les flux d’induction magnétique de n’importe quel couple d’aimants permanents (13) successifs de chaque rotor (10) sont opposés et que les flux d’induction magnétique desdits aimants permanents (13) sont perpendiculaires à l’axe de rotation dudit rotor (10), afin de former un flux radial d’induction magnétique, dans lequel d’autres aimants permanents (16) sont placés en cercle sur la roue magnétique (11) de sorte que les flux d’induction magnétique de n’importe quel couple desdites autres aimants permanents (16) successifs de la roue magnétique (10) sont opposés et que leur flux d’induction magnétique est perpendiculaire à l’axe de rotation de la roue magnétique (11) qui est parallèle à l’axe de rotation desdits rotors (10), et dans lequel la roue magnétique (11) et la pluralité de machines électriques sont couplées magnétiquement grâce à des plots en matériau ferromagnétique (14) disposés dans un espace compris entre les rotors (10) des machines électriques et la roue magnétique (11). Ensemble selon la revendication 1, dans lequel les rotors (10) sont disposés à l’extérieur de la roue magnétique (11). Ensemble selon la revendication 2, dans lequel les rotors (10) sont placés à équidistance angulaire autour de la roue magnétique (11). Ensemble selon la revendication 1, dans lequel la roue magnétique (11) est en forme de couronne et les rotors (10) sont disposés à l’intérieur de la roue magnétique (11). Ensemble selon la revendication 4, dans lequel les rotors (10) sont placés à équidistance angulaire à l’intérieur de la roue magnétique. Ensemble selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel les machines électriques sont des moteurs électriques. Ensemble selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel les machines électriques sont des génératrices électriques. Système de couplage magnétique comportant un ensemble, selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, formé d’une roue magnétique (11) et d’une pluralité de machines électriques couplées magnétiquement à la roue magnétique (11). Système de couplage magnétique selon la revendication 8, dans lequel lesdits rotors (10) sont des rotors dédiés au couplage magnétique, l’interaction avec des stators des machines électriques étant assurée par d’autre rotors. Système de découplage magnétique comportant un ensemble, selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, formé d’une roue magnétique (11) et d’une pluralité de machines électriques couplées magnétiquement à la roue magnétique (11). Système de découplage magnétique selon la revendication 10, dans lequel lesdits rotors (10) sont des rotors dédiés au découplage magnétique, l’interaction avec des stators des machines électriques étant assurée par d’autre rotors. Système de propulsion (1) comportant un système de couplage magnétique selon la revendication 8 ou 9, et au moins une hélice entraînée par ledit système de couplage. Aéronef (A) comportant au moins un système de propulsion (1) selon la revendication 12.