Brevet FR3113546A1 — publié le 20220225

Machine électrique d’aéronef à transfert thermique amélioré au moyen d’un matériau à changement de phase et procédé associé Procédé de protection des bobinages d’un échauffement excessif dans une machine électrique d’aéronef comprenant un stator (12) et un rotor (14) configurés pour être entrainés en rotation l’un par rapport à l’autre, le stator comportant une pluralité d’encoches (120) recevant une même pluralité ou non de bobinages, le procédé comportant les étapes successives suivantes : insertion d’un isolant électrique (16) dans les encoches ou sur les dents du stator, mise en place des bobinages (18) dans les encoches ou sur les dents du stator, coulée d’un matériau à changement de phase (20) dans les encoches ou sur les dents munies des bobinages, l’isolant électrique formant un moule de coulée. Figure pour l’abrégé : Fig. 1. Machine électrique d’aéronef à transfert thermique amélioré au moyen d’un matériau à changement de phase et procédé associé Le domaine de l’invention est celui des machines électriques à courant continu ou alternatif intégrées dans les moteurs d’aéronef, en particulier ceux d’hélicoptères ou de VTOL (pour « Vertical Take Off and Landing »), permettant la génération et/ou la motorisation de certains organes électriques de l’aéronef, y compris la propulsion électrique. Dans l’objectif de réduire la masse globale d’un ensemble propulsif d’hélicoptère ou de VTOL, une des voies privilégiée est de diminuer la masse des systèmes électriques de génération et/ou de démarrage, d’assistance ou encore de propulsion électrique pour les VTOL. En effet, le poids de ces systèmes peut atteindre plusieurs dizaines de kilogrammes pour des puissances ne dépassant pas quelques dizaines de kilowatts, le ratio puissance/masse des machines électriques actuelles dépassant rarement 3 kW/kg. Or, les organes électriques à commander fonctionnent souvent sous une tension réseau de 28Vdc, alors que les demandes en puissance sont de plusieurs kW ou kVA, ce qui donne des courants d’intensité élevée pouvant atteindre plusieurs centaines d’ampères, nécessitant d’augmenter de façon importante la section des fils de cuivre au sein de la machine électrique, celle-ci (de même que sa structure et son dimensionnement en général) étant directement fonction de l’amplitude de ces courants. Plus généralement l’augmentation des densités massiques de puissance de ces machines électriques passe par une augmentation des densités de courant tout en optimisant la masse de cuivre embarquée. C’est pourquoi, pour garder l’ensemble à une température ne dépassant pas les températures de fusion des isolants composant les fils du bobinage de la machine électrique ou pour éviter des dégradations plus lentes des propriétés de l’isolant qui conduiraient à des risques de décharges partielles, il est connu de recourir à différents systèmes de refroidissement, comme la convection naturelle au moyen d’un dissipateur à ailettes, la convection forcée au moyen d’un ventilateur, le refroidissement forcé par liquide ou par échangeur ou encore le refroidissement par module thermoélectrique (type effet Peltier). Toutefois, dans les applications aéronautiques, c'est-à-dire dans le cadre d’un système embarqué exigeant de fortes contraintes en termes de compacité, masse et fiabilité, ces solutions ne sont pas sans inconvénients. La convection naturelle est encombrante, massive et nécessite un flux d’air en périphérie de la machine électrique, la convection forcée est aussi encombrante et en outre nuit à la fiabilité de la machine électrique, le refroidissement forcé par liquide est pareillement encombrant, massif et intrusif envers la machine électrique et nécessite de plus de fréquentes mises hors services pour maintenance, et le refroidissement par module thermoélectrique ne peut concerner que des zones très localisées et nécessite une alimentation stabilisée permettant l’alimentation thermoélectrique. Aussi, constat fait que la demande de puissance électrique d’un système électrique peut être très élevée mais sur des temps qui ne dépassent pas quelques dizaines de secondes voire la minute, ce qui signifie une dissipation thermique importante mais cyclique ou transitoire, la demanderesse dans sa demande FR3012698 a proposé l’utilisation de matériaux à changement de phase (MCP) pour permettre une meilleure gestion des transferts thermiques au plus près des éléments critiques que sont les bobinages de la machine électrique. Comme le montre la , afin d’écrêter la température au sein du bobinage et de protéger les conducteurs électriques des pertes en courant alternatif lors des fonctionnements en haute vitesse (donc à haute fréquence électrique), ces matériaux à changement de phase 2 sont placés dans le stator 4 de la machine électrique au fond des encoches 6 recevant les enroulements 8 des bobinages statoriques. Ainsi, on augmente les performances électromagnétiques en autorisant une augmentation de l’intensité de courant électrique traversant les enroulements ou, à valeur d’intensité de courant électrique identique, on réduit la section de fil du bobinage statorique et donc on permet une diminution de la masse de la machine. Cette solution donne globalement satisfaction. Toutefois, elle peut encore être améliorée et notamment il est possible d’améliorer les propriétés de transfert thermique tout en réduisant la masse et l’encombrement de la machine électrique et cela indépendamment de la tension du réseau électrique. La présente invention se propose donc d’améliorer la gestion des transferts thermiques au sein d’une machine électrique d’aéronef comprenant un stator et un rotor configurés pour être entrainés en rotation l’un par rapport à l’autre, le stator comportant une pluralité d’encoches recevant une même pluralité ou non de bobinages, procédé caractérisé en ce qu’il comporte les étapes successives suivantes : insertion d’un isolant électrique dans les encoches ou sur les dents du stator, mise en place des bobinages dans les encoches ou sur les dents du stator, coulée d’un matériau à changement de phase dans les encoches ou sur les dents munies des bobinages, l’isolant électrique formant un moule de coulée. Ainsi en réalisant une encapsulation du matériau à changement de phase dans un contenant formé par l’isolant électrique assurant la protection du bobinage stator, on augmente notablement l’intensité de courant pouvant traverser les bobinages sans modifier notablement le procédé de fabrication et la configuration de la machine électrique, mais en lui conférant une robustesse accrue face aux agressions extérieures (thermique, poussières, eau notamment). L’encapsulation permet également d’assurer une bonne tenue mécanique du bobinage, en particulier dans des environnements fortement vibratoires. Lorsque les encoches sont ouvertes et l’isolant ainsi sectorisé, l’étape de coulée du matériau à changement de phase est précédée d’une étape d’insertion d’une cale ou d’une frette pour fermer les encoches et ainsi interdire la coulée du matériau à changement de phase en dehors des encoches. De préférence, l’isolant électrique, sectorisé ou non, est issu d’une première coulée d’une résine standard utilisée classiquement pour encapsuler les bobinages de machines électriques. Selon un mode de réalisation avantageux, le matériau de changement de phase est préalablement mélangé avec une résine de type époxy, polyuréthane ou silicone. L’invention concerne également une machine électrique d’aéronef comprenant un stator et un rotor configurés pour être entrainés en rotation l’un par rapport à l’autre, le stator comportant une pluralité d’encoches ou de dents recevant une même pluralité ou non de bobinages, caractérisée en ce que, pour protéger les bobinages d’un échauffement excessif, elle comprend un isolant électrique inséré dans les encoches ou sur les dents pour recevoir successivement lesdits bobinages et un matériau à changement de phase dont il forme un moule de coulée. Selon le mode de réalisation envisagé, ledit isolant électrique peut être formé d’une pluralité d’éléments correspondant à la pluralité d’encoches ou de dents, chacun des éléments ainsi sectorisé étant configuré pour être inséré individuellement dans chacune des encoches ou sur chacune des dents ou d’un élément unique adapté à la géométrie du stator et configuré pour être inséré conjointement dans toutes les encoches. Ledit isolant électrique peut être l’un des isolants suivants : papier, mica, poly-téréphtalate d'éthylène, polyester, fibre de verre, ou être obtenu par un procédé de fabrication additive à partir d’une matière plastique, comme le PEEK (PolyEtherEtherKetone) ou le Polyamide 66 (PA66), ayant des caractéristiques d’isolation électrique et de tenue thermique appropriées. De préférence, le matériau à changement de phase est un nitrate ou un hydroxyde préférablement chargé avec du graphite ayant une température de changement de phase comprise entre 150°C et 300°C. L’invention concerne enfin un moteur d’aéronef de type VTOL ou non comportant au moins une machine électrique telle que précitée. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description détaillée faite ci-dessous, en référence aux figures suivantes dépourvues de tout caractère limitatif et sur lesquelles : La est un premier exemple d’une machine électrique conforme à la présente invention, La est une vue en coupe radiale illustrant l’encapsulation des bobinages au niveau des têtes de bobines conformément à la présente invention, La est un second exemple d’une machine électrique conforme à la présente invention, La représente l’évolution des températures selon le pourcentage de matériau à changement de phase remplissant les encoches du stator de la , La montre une partie d’un stator interne de machine électrique conforme à la présente invention, et La représente un stator de machine électrique de l’art antérieur. Un premier exemple d’une machine électrique d’aéronef 10, comprenant un stator 12 ayant une pluralité d’encoches 120 et un rotor 14, par exemple à aimants permanents 140, les stator et rotor étant configurés pour être entrainés en rotation l’un par rapport à l’autre, est présenté à la . Dans l’exemple illustré, le stator typiquement formé de tôles ferromagnétiques est à bobinage concentrique (dit aussi dentaire) alimenté en courant alternatif par un système monophasé ou polyphasé, typiquement triphasé (non représenté). Ce bobinage est dit « Double Layer » car les fils de cuivre sont directement bobinés sur chacune des dents du stator mais un bobinage dit « Single Layer » où certaines dents ne sont pas entourées de fils de cuivre est bien entendu aussi envisageable. Conformément à l’invention, un isolant électrique qui, dans l’exemple illustré, est formé d’un élément unique 16, est inséré en une fois conjointement dans les encoches 120 du stator 12 pour recevoir successivement les bobinages de fils de cuivre 18 et un matériau à changement de phase 20. Cet isolant électrique 16 forme ainsi un moule de coulée pour le matériau à changement de phase 20 qui est empêché de se répandre hors des encoches 120 par une frette 22 venant obturer radialement ces encoches et donc refermer le moule pendant la coulée. Afin de limiter la quantité d’air à l’intérieur du matériau à changement de phase, permettant d’augmenter la quantité de matériaux moulée et donc la quantité de chaleur pouvant être extraite, l’imprégnation des bobinages par le MCP liquide sera avantageusement réalisée dans une enceinte sous vide. La frette est retirée une fois la solidification opérée pour permettre la mise en place du rotor, mais elle peut aussi être préservée dans certaines applications particulières. Afin de posséder une forme optimisée, adaptée aux contraintes géométriques du stator, l’isolant électrique sera de préférence réalisé par un procédé connu de fabrication additive (SLA pour « Stereo Lithograph Apparatus » ou PIM pour « Plastic Injection Molding » par exemple), à partir d’une matière plastique possédant des caractéristiques de bonne isolation électrique et de bonne tenue thermique, comme le PEEK (PolyEtherEtherKetone) ou le Polyamide 66 (PA66). En effet et comme l’illustre la coupe de la , le bobinage 18 comporte en général à ses deux extrémités situées à l’extérieur des encoches des zones 180 dénommées « tête de bobine » ou « chignon » qu’il convient également de recouvrir de l’isolant électrique 16 formant moule pour assurer une encapsulation complète du bobinage par le matériau à changement de phase 20 (représenté en phase solide après la phase de coulée liquide). Le matériau à changement de phase est de préférence un nitrate ou un hydroxyde (LiNO3, NaNO3, Li2CO3, etc…) préférablement chargé avec du graphite et a typiquement une température de changement de phase comprise entre 150°C et 300°C. Il ne devra pas être instable chimiquement et être d’un caractère neutre pour ne pas venir dégrader ou corroder les fils de cuivre. Afin de garantir un changement de phase liquide-solide très important, le matériau à changement de phase devra avoir la propriété d’être le plus congruent possible et avoir un coefficient de dilatation très faible. Un second exemple d’une machine électrique d’aéronef 30, comprenant également un stator 32 avec une pluralité d’encoches 320 et un rotor 34, par exemple à aimants permanents 340, est illustré à la . Dans l’exemple représenté, le stator est toutefois à bobinage distribué et il comporte des épanouissements latéraux 322 sur la partie basse des dents (dits « Tooth Tips »). On remarquera que, dans cette configuration à bobinage distribué, le nombre d’encoches est typiquement plus important que dans la configuration précédente à bobinage concentrique. Dans une autre configuration (non représentée), le stator peut comporter des encoches complétement fermées sur toute sa périphérie. Contrairement au premier exemple de réalisation, l’isolant électrique n’est plus formé d’un élément unique mais d’une pluralité d’éléments 36 correspondant à la pluralité d’encoches, et chacun inséré individuellement dans une encoche différente 320 du stator 32 pour recevoir successivement, comme précédemment, les bobinages de fils de cuivre 38 puis un matériau à changement de phase 40. Chacun des éléments 36 formant l’isolant électrique ainsi sectorisé constitue un moule de coulée pour le matériau à changement de phase 40 qui est empêché de se répandre hors des encoches 320 par une cale 42, supportée par les épanouissements latéraux 322, venant obturer radialement ces encoches et donc refermer le moule pendant la coulée. L’ensemble sera ensuite avantageusement placé dans une enceinte sous vide pour faciliter l’étape d’imprégnation du matériau à changement de phase à l’état liquide avant sa solidification lors du refroidissement. La cale 42 peut être retirée une fois cette solidification opérée ou laissée en place lorsque la nature de son matériau le permet, par exemple du PEEK (PolyEtherEtherKetone) ou le Polyamide 66 (PA66). On notera que dans cet exemple de réalisation, l’isolation des encoches normalement présente dans les stators d’une machine électrique est obtenue par l’un des isolants suivants : papier, mica, poly-téréphtalate d'éthylène, polyester, fibre de verre, peut avantageusement constituer le moule à l’intérieur duquel sera coulé le matériau à changement de phase. Toutefois, cet isolant électrique, sectorisé ou non, recouvrant les parois des encoches peut aussi avantageusement être issu d’une première coulée d’une résine standard utilisée classiquement pour encapsuler les bobinages de machines électriques et adaptée à l’application (époxy, silicone, polyuréthane, ou tout autre résine usuelle), laquelle épargnera les bobinages et contiendra la cavité interne pour accueillir le matériau à changement de phase (MCP). Cela nécessitera bien entendu un premier moule rigide qui sera retiré une fois cette résine solidifiée. S’il n’a été question précédemment que de la coulée d’un matériau à changement de phase (MCP), il doit être noté qu’il est aussi envisageable de réaliser un pré mélange d’un ensemble résine / MCP, sous forme liquide ou sous forme solide dans des proportions massiques déterminées au préalable par expérience et/ou par calculs thermiques à la portée de tout homme du métier, et de couler ce mélange dans l’isolant électrique en lieu et place du MCP seul. La résine utilisée pour ce mélange sera typiquement de type époxy, polyuréthane ou silicone. Dans ce cas, il peut être utile de placer l’ensemble dans un four pour déclencher ou accélérer la solidification de la résine. La montre l’évolution de la température en fonction du taux de remplissage des encoches en matériau à changement de phase, en l’espèce un composé Erythritol. On peut y constater que pour une valeur limite figée de température (ici 150°C), l’emploi d’un mélange à base de 100% (courbe A) ou 40% (courbe B) d’un matériau à changement de phase (les autres 60% étant constitués d’une simple résine époxy) permet de maintenir le stress thermique pendant plusieurs dizaines de secondes supplémentaires par rapport à un remplissage des encoches par une simple résine époxy (courbe C – 0% de MCP) ou sans aucun remplissage (courbe D). Ainsi, par rapport à une machine électrique standard, l’invention permet une minimisation du volume et de la masse du bobinage d’environ 10% de la masse de la machine électrique soit environ 1,2 kg pour une machine de l’ordre de 10 kg. Elle évite tout ajout de systèmes supplémentaires de refroidissement dégradant le bilan masse, l’encombrement et le taux de fiabilité de la machine électrique. Elle peut être intégrée dans des environnements transitoirement très chauds (> 150°C). Bien entendu, l’encapsulation du matériau à changement de phase dans les encoches du stator est aussi valable pour des topologies de machines électriques avec un stator placé à l’intérieur et un rotor placé à l’extérieur comme le montre la illustrant schématiquement une partie de stator interne 50 munie d’une dent de stator 52 sur laquelle est inséré l’isolant électrique 54 recevant le bobinage 56 et servant de moule au matériau à changement de phase 58 (représenté en phase solide après la phase de coulée). On notera que l’isolant électrique 54, le bobinage 56, dentaire ou concentrique, encapsulé dans le matériau à changement de phase 58, peut avantageusement former un module indépendant directement insérable sur la dent de stator 52. On notera que l’invention trouve aussi application dans les machines à induction/asynchrone ou les machines à réluctance variable, comme dans les machines cylindriques à flux axial et discoïdes à flux linéaire. Procédé de protection des bobinages d’un échauffement excessif dans une machine électrique d’aéronef comprenant un stator (12, 50) et un rotor (14) configurés pour être entrainés en rotation l’un par rapport à l’autre, le stator comportant une pluralité d’encoches (120) ou de dents (52) recevant une même pluralité ou non de bobinages (18, 56), procédé caractérisé en ce qu’il comporte les étapes successives suivantes : insertion d’un isolant électrique (16, 54) dans les encoches ou sur les dents du stator, mise en place des bobinages dans les encoches ou sur les dents du stator, coulée d’un matériau à changement de phase (20, 58) dans les encoches ou sur les dents munies des bobinages, l’isolant électrique formant un moule de coulée. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que, lorsque les encoches sont ouvertes et l’isolant électrique ainsi sectorisé, l’étape de coulée du matériau à changement de phase est précédée d’une étape d’insertion d’une cale (42) ou d’une frette (22) pour fermer les encoches et ainsi interdire la coulée du matériau à changement de phase en dehors des encoches. Procédé selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que l’isolant électrique, sectorisé ou non, est issu d’une première coulée d’une résine d’encapsulation de bobinages de machines électriques. Procédé selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que le matériau de changement de phase est préalablement mélangé avec une résine de type époxy, polyuréthane ou silicone. Machine électrique d’aéronef comprenant un stator (12, 50) et un rotor (14) configurés pour être entrainés en rotation l’un par rapport à l’autre, le stator comportant une pluralité d’encoches (120) ou de dents (52) recevant une même pluralité ou non de bobinages (18, 56), caractérisée en ce que, pour protéger les bobinages d’un échauffement excessif, elle comprend un isolant électrique (16, 54) inséré dans les encoches ou sur les dents pour recevoir successivement lesdits bobinages et un matériau à changement de phase (20, 58) dont il forme un moule de coulée. Machine électrique selon la revendication 5, caractérisée en ce que ledit isolant électrique est formé d’une pluralité d’éléments (36) correspondant à la pluralité d’encoches (320) ou de dents (52), chacun des éléments ainsi sectorisé étant configuré pour être inséré individuellement dans chacune des encoches ou sur chacune des dents. Machine électrique selon la revendication 6, caractérisée en ce que ledit isolant électrique est l’un des isolants suivants : papier, mica, poly-téréphtalate d'éthylène, polyester, fibre de verre. Machine électrique selon la revendication 5, caractérisée en ce que ledit isolant électrique est formé d’un élément unique (16) adapté à la géométrie du stator et configuré pour être inséré conjointement dans toutes les encoches (120). Machine électrique selon la revendication 6 ou la revendication 8, caractérisée en ce que ledit isolant électrique est obtenu par un procédé de fabrication additive à partir d’une matière plastique, comme le PEEK (PolyEtherEtherKetone) ou le Polyamide 66 (PA66), ayant des caractéristiques d’isolation électrique et de tenue thermique appropriées. Machine électrique selon l’une quelconque des revendications 5 à 9, caractérisée en ce que le matériau à changement de phase est un nitrate ou un hydroxyde préférablement chargé avec du graphite ayant une température de changement de phase comprise entre 150°C et 300°C. Moteur d’aéronef comportant au moins une machine électrique selon l’une quelconque des revendications 5 à 10.