Brevet FR3102617A1 — publié le 20210430

Un ensemble de machines électriques à flux axial d’induction magnétique comporte des rotors (10) tournant à la même vitesse. Les rotors des machines électriques comportent des aimants permanents (12) afin de former un flux axial d’induction magnétique, et des aimants permanents additionnels (13) disposés en cercle sur le pourtour des rotors (10) afin de former en outre un flux radial d’induction magnétique. L’ensemble de machines électriques est agencé de sorte que, lorsque le centre de n’importe lequel des aimants permanents additionnels (13) du rotor (10) d’une machine électrique se trouve sur le segment de droite (15) reliant les axes de rotation de ladite machine électrique et d’une machine électrique adjacente, ledit centre fait face à une frontière entre deux aimants permanents additionnels (13) du rotor (10) de la machine électrique adjacente. Ainsi, un couple additionnel (Tp) est engendré par les aimants permanents additionnels (13), ce qui accroît la performance de couplage des machines électriques. 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, à aimants permanents et à flux axial. Plus particulièrement, l’invention concerne le domaine du couplage de telles machines électriques. Actuellement, les moteurs électriques ou les 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. 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. Pour obtenir un surplus de performance, des machines plus encombrantes sont utilisées (plus gros bobinages…), ou plus de machines sont couplées ensemble. Il est toutefois souhaitable d’obtenir un certain surplus de performance tout en conservant un dimensionnement similaire. La présente invention concerne un ensemble de machines électriques, chaque machine électrique comportant un rotor, chaque rotor étant équipé d’aimants permanents disposés en cercle autour de l’axe de rotation dudit rotor et les flux d’induction magnétique desdits aimants permanents étant parallèles à l’axe de rotation dudit rotor afin de former un flux axial d’induction magnétique, les rotors des machines électriques tournant à la même vitesse, les rotors de tout couple de machines électriques adjacentes tournant en sens inverses. Les rotors des machines électriques comportent en outre des aimants permanents additionnels disposés en cercle sur le pourtour desdits rotors de sorte que les flux d’induction magnétique de n’importe quel couple d’aimants permanents additionnels successifs de chaque rotor sont opposés et que les flux d’induction magnétique desdits aimants permanents additionnels sont perpendiculaires à l’axe de rotation dudit rotor, afin de former en outre un flux radial d’induction magnétique. De plus, lorsque le centre de n’importe lequel des aimants permanents additionnels du rotor d’une machine électrique se trouve sur le segment de droite reliant les axes de rotation de ladite machine électrique et d’une machine électrique adjacente, ledit centre fait face à une frontière entre deux aimants permanents additionnels du rotor de la machine électrique adjacente. Ainsi, grâce au flux radial d’induction magnétique et au positionnement relatif des aimants permanents additionnels des rotors des machines électriques adjacentes, un couple additionnel est généré, ce qui accroît la performance de couplage des moteurs électriques. Ce surplus de couple, et donc de performance, est obtenu grâce à de simples aimants permanents, donc pour un faible accroissement de poids et un dimensionnement similaire. Selon un mode de réalisation particulier, l’ensemble de machines électriques comporte un nombre pair supérieur ou égal à quatre de machines électriques placées en cercle. Selon un mode de réalisation particulier, l’ensemble de machines électriques comporte une pluralité de machines électriques placées en ligne ou en arc de cercle. 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 propulsion comportant un ensemble de moteurs électriques tels qu’évoqués ci-dessus et au moins une hélice entraînée par l’ensemble des moteurs électriques. La présente invention concerne également un aéronef comportant au moins un système de propulsion tel qu’évoqué ci-dessus. La présente invention concerne également un aéronef comportant au moins une unité auxiliaire de puissance comportant un ensemble de génératrices électriques 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 est installée ; illustre schématiquement un rotor de machine électrique couplée ; illustre schématiquement un agencement de deux machines électriques couplées ; et illustre schématiquement un agencement d’une pluralité de machines électriques dans un système de couplage. 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, dès lors que les machines électriques sont à aimants permanents et à flux axial. 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 de propulsion 1 comporte un ensemble de moteurs électriques couplés afin de mettre en rotation une hélice contribuant à la propulsion de l’aéronef A. L’ensemble de moteurs électriques est couplé de sorte que leurs arbres de sortie entraînent conjointement la rotation d’un arbre sur lequel est montée l’hélice en question. Les moteurs électriques sont alimentés par une source d’alimentation électrique. Cette source d’alimentation électrique peut être intégrée au système de propulsion 1. Les moteurs électriques comportent un rotor 10 pris en sandwich entre deux stators ou un stator pris en sandwich entre deux rotors 10. Des aimants permanents 12 sont disposés en cercle autour de l’axe de rotation 11 de chaque rotor 10 et leur flux d’induction magnétique est parallèle à l’axe de rotation 11 dudit rotor 10. En parcourant la circonférence du cercle sur lequel sont disposés les aimants permanents 12, les flux d’induction magnétique de n’importe quel couple d’aimants permanents 12 successifs sont opposés. Le rotor 10 comporte donc un nombre pair d’aimants permanents 12. Des flux axiaux d’induction magnétique sont ainsi formés. Chaque stator est muni de bobinages placés en cercle autour de l’axe de rotation 11 du ou des rotors 10, de telle sorte que, en faisant circuler du courant électrique dans les bobinages du ou des stators, le ou les rotors 10 entrent en rotation par interaction des flux d’induction magnétiques générés par les bobinages des stators et des flux d’induction magnétiques des aimants permanents 12 du ou des rotors 10. Dans le cadre de la présente invention, des aimants permanents additionnels 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 11 dudit rotor 10 (comme le montrent les flèches dans les aimants permanents additionnels 13 sur la Fig. 2 ). Le pourtour du rotor 10 est un anneau extérieur dudit rotor 10 hors du champ d’action des bobinages du ou des stators. Des flux radiaux d’induction magnétique sont ainsi formés. En parcourant la circonférence du cercle sur lequel sont disposés les aimants permanents additionnels 13, les flux d’induction magnétique de n’importe quel couple d’aimants permanents additionnels 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 additionnels 13. Considérons un premier moteur électrique et un second moteur électrique qui sont adjacents. Pour simplifier la description, considérons à titre illustratif que chaque moteur électrique est muni d’un seul rotor 10. Les flux radiaux d’induction magnétique du rotor 10 du premier moteur électrique ne sont pas destinés à une interaction avec les stators de ce premier moteur électrique, mais à une interaction avec les aimants permanents additionnels 13 du rotor 10 du second moteur électrique couplé au premier moteur électrique. La situation est schématiquement présentée sur la Fig. 3 , où l’interaction entre les aimants permanents additionnels 13 des rotors 10 de deux moteurs électriques couplés est illustrée. Les rotors 10 des deux moteurs électriques sont de mêmes dimensions et de même agencement des aimants permanents additionnels 13. Les rotors 10 des deux moteurs électriques tournent à la même vitesse, en sens inverses. 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 deux 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 deux moteurs électriques sont couplés de telle sorte que les flux radiaux d’induction magnétique du rotor 10 d’un des moteurs électriques chevauchent les flux radiaux d’induction magnétique du rotor 10 de l’autre des moteurs électriques. De plus, lorsque le barycentre de n’importe lequel des aimants permanents additionnels 13 du rotor 10 d’un des deux moteurs électriques se trouve sur un segment de droite 15 qui relie les axes de rotation 11 des rotors 10 des deux moteurs électriques, une frontière de séparation de deux aimants permanents additionnels 13 se trouve sur ledit segment de droite 15. Dit autrement, lorsque le centre de n’importe lequel des aimants permanents additionnels 13 du rotor 10 d’un moteur électrique se trouve sur ledit segment de droite 15, il fait face à une frontière entre deux aimants permanents additionnels 13 du rotor 10 de l’autre moteur électrique. Comme illustré sur la Fig. 3, cet agencement engendre un couple additionnel Tp, ce qui accroît la performance de couplage des moteurs électriques. Ce surplus de couple, et donc de performance, est obtenu grâce à de simples aimants permanents, donc pour un faible accroissement de poids. En effet, des aimants permanents de quelques millimètres d’épaisseur peuvent suffire à produire un surplus de couple exploitable dans des moteurs électriques adaptés aux systèmes de propulsion de nombreux aéronefs. Le principe décrit ci-dessus peut être étendu à un plus grand nombre de moteurs électriques. Selon un premier exemple, trois (ou plus) moteurs électriques placés en ligne peuvent être ainsi couplés grâce aux aimants permanents additionnels 13 de leurs rotors 10 respectifs. En parcourant la ligne ainsi formée de moteurs électriques, les rotors 10 de tout couple de moteurs électriques successifs tournent en sens inverses. Selon un second exemple, trois (ou plus) moteurs électriques placés en arc de cercle peuvent être ainsi couplés grâce aux aimants permanents additionnels 13 de leurs rotors 10 respectifs. En parcourant l’arc de cercle ainsi formé de moteurs électriques, les rotors 10 de tout couple de moteurs électriques successifs tournent en sens inverses. Dans un mode de réalisation particulier, un nombre pair (supérieur ou égal à quatre) de moteurs électriques placés en cercle sont ainsi couplés grâce aux aimants permanents additionnels 13 de leurs rotors 10 respectifs. Cet agencement est schématiquement illustré sur la Fig. 4 . Les rotors 10 de six moteurs électriques y sont représentés dans une boîte de couplage 20. En parcourant le cercle ainsi formé de moteurs électriques, les moteurs électriques de tout couple de moteurs électriques successifs tournent en sens inverses. Chaque couple de moteurs électriques successifs engendre le couple additionnel Tp susmentionné, ce qui accroît la performance de couplage des moteurs électriques. 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 à aimants permanents et à flux axial, notamment pour une unité auxiliaire de puissance APU (« Auxiliary Power Unit » en anglais) d’un aéronef. Ensemble de machines électriques, chaque machine électrique comportant un rotor (10), chaque rotor (10) étant équipé d’aimants permanents (12) disposés en cercle autour de l’axe de rotation (11) dudit rotor (10) et les flux d’induction magnétique desdits aimants permanents (12) étant parallèles à l’axe de rotation (11) dudit rotor (10) afin de former un flux axial d’induction magnétique, les rotors (10) des machines électriques tournant à la même vitesse, les rotors (10) de tout couple de machines électriques adjacentes tournant en sens inverses, caractérisé en ce que les rotors (10) des machines électriques comportent en outre des aimants permanents additionnels (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 additionnels (13) successifs de chaque rotor (10) sont opposés et que les flux d’induction magnétique desdits aimants permanents additionnels (13) sont perpendiculaires à l’axe de rotation (11) dudit rotor (10), afin de former en outre un flux radial d’induction magnétique, et de sorte que, lorsque le centre de n’importe lequel des aimants permanents additionnels (13) du rotor (10) d’une machine électrique se trouve sur le segment de droite (15) reliant les axes de rotation (11) de ladite machine électrique et d’une machine électrique adjacente, ledit centre fait face à une frontière entre deux aimants permanents additionnels (13) du rotor (10) de la machine électrique adjacente. Ensemble de machines électriques selon la revendication 1, l’ensemble de machines électriques comportant un nombre pair supérieur ou égal à quatre de machines électriques placées en cercle. Ensemble de machines électriques selon la revendication 1, l’ensemble de machines électriques comportant une pluralité de machines électriques placées en ligne ou en arc de cercle. Ensemble de machines électriques selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, où les machines électriques sont des moteurs électriques. Ensemble de machines électriques selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, où les machines électriques sont des génératrices électriques. Système de propulsion (1) comportant un ensemble de machines électriques selon la revendication 4 et au moins une hélice entraînée par l’ensemble des moteurs électriques. Aéronef (A) comportant au moins un système de propulsion (1) selon la revendication 6. Aéronef (A) comportant au moins une unité auxiliaire de puissance équipé d’un ensemble de génératrices électriques selon la revendication 5.