Brevet FR3163785A1 — publié le 20251226

Machine électromagnétique comprenant une armature, des bobines (7) reçues dans des fentes (5) de l’armature, et des cales (1) engagées dans les fentes (5) pour obturer au moins partiellement les fentes (5), chacune des cales (1) est composées d’au moins un matériau à aimantation permanente selon une direction de polarisation. Roue (103) d’aéronef comprenant un frein magnétique défini comme une telle machine électrique. FIGURE DE L’ABREGE: Fig. 1 Machine électrique à cales aimantées La présente invention concerne le domaine des machines électrique et du magnétisme. ARRIERE PLAN DE L’INVENTION Il est connu des machines électriques rotatives comportant au moins un ensemble statorique et un ensemble rotorique. Au moins un de ces ensembles comprend une armature portant des bobines de cuivre (également appelés bobinages ou enroulements) destinées à engendrer un champ magnétique à partir d’un courant les parcourant ou à permettre la circulation d’un courant induit par un champ magnétique auquel les bobines sont soumises. Chaque bobine est généralement réalisée par enroulement d’un conducteur électrique autour d’un pôle de l’armature, chaque pôle étant délimité latéralement par deux fentes, adjacentes l’une à l’autre, qui sont ménagées dans l’armature parallèlement à l’axe de rotation de la machine et qui reçoivent les spires du conducteur électrique formant l’enroulement. Après mise en place du conducteur électrique, les fentes sont refermées par des cales positionnées à leur embouchure pour protéger les bobines, éviter l’intrusion d’éléments extérieurs dans les fentes et éventuellement maintenir en place les bobines dans les fentes. Ces cales sont généralement constituées de matière plastique ou de résine synthétique qui sont des matériaux n’affectant pas les champs magnétiques induit ou reçu par les bobines. Il est également connu d’utiliser des cales en matériaux magnétiques non aimantés pour ne pas perturber les champs magnétiques. OBJET DE L’INVENTION L’invention a notamment pour but d’améliorer les performances d’une machine électrique. A cet effet, on prévoit, selon l’invention une machine électromagnétique comprenant une armature, des bobines reçues dans des fentes de l’armature, et des cales engagées dans les fentes pour obturer au moins partiellement les fentes, chacune des cales est composée d’au moins un matériau à aimantation permanente selon une direction de polarisation. Ainsi, les cales en matériau aimanté sont agencées pour renforcer le flux magnétique produit par les bobines, par exemple en concentrant celui-ci, et une optimisation de la répartition des champs magnétiques agissant au sein de la machine lors du fonctionnement. Les cales aimantées peuvent remplacer les cales existantes d’une machine électrique améliorant les performances de celle-ci, sans apporter de modification à la structure de la machine. Selon des caractéristiques optionnelles, utilisées individuellement ou tout ou partie en combinaison : les cales et les bobines alimentées sont agencées avec des directions d’aimantation orientées pour former un réseau de Halbach ; le matériau des cales présente une résistance à des températures au moins égales à une température maximale de fonctionnement des bobines ; les cales possèdent des caractéristiques de dureté facilitant leur mise en place et leur retenue dans les fentes ; les cales comprennent un revêtement extérieur ayant une dureté supérieure à celle du matériau à aimantation permanente ; les cales sont formées par assemblage de tronçons ; l’armature forme un rotor de la machine ; l’armature forme un stator de la machine ; la machine électromagnétique est agencée pour former un frein de roue d’aéronef. L’invention concerne également une roue pourvue d’une machine électrique selon l’invention. D’autres caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront à la lecture de la description qui suit d’un mode de réalisation particulier et non limitatif de l’invention. Il sera fait référence aux dessins annexés, parmi lesquels : FIG. 1 est une vue générale d’un aéronef disposant de roues freinées selon l’invention ; FIG. 2 est une vue schématique en coupe d’une roue d’aéronef équipé d’un dispositif de freinage électromagnétique selon l’invention ; FIG. 3 est une vue en coupe d’une armature rotorique d’une machine électrique selon un premier mode de réalisation de l’invention ; FIG. 4 est une vue schématique en perspective d’une des cales magnétiques aimantées qui équipent cette armature rotorique ; FIG. 5 est un schéma montrant l’orientation des vecteurs d’aimantation d’une série de cales aimantées et de bobines alternées adjacentes ; FIG. 6 est une représentation schématique des lignes de champ magnétiques, dans cette armature rotorique ; FIG. 7 est une vue schématique en perspective des cales aimantées selon une variante de réalisation ; FIG. 8 est une vue schématique partielle, en perspective, d’une armature statorique de machine électrique selon un deuxième mode de réalisation ; FIG. 9 est une vue schématique partielle de la machine électrique selon le deuxième mode de réalisation. DESCRIPTION DETAILLEE DE L’INVENTION En référence aux figures 1 et 2, l’invention est ici décrite en application à un aéronef 100 comportant des atterrisseurs 101 ayant chacun une jambe ayant une extrémité pourvue d’au moins un essieu 102 sur lequel est monté, en pivot autour d’un axe X de rotation, au moins une roue 103 freinée. Chaque roue 103 comprend une jante 103.1 portant un pneumatique 103.2, un moyeu 103.3 s’étendant coaxialement à la jante 103.1 en définissant avec celle-ci un espace annulaire 103.5, et un voile 103.4 reliant le moyeu 103.3 à la jante 103.1. Chaque roue 103 est équipée d’un dispositif de freinage 2 électromagnétique, ici logé dans l’espace annulaire 103.5. Le dispositif de freinage 2 comprend une armature statorique 3 et une armature rotorique 4. L’armature statorique 3 est liée en rotation à l’essieu 102, tandis que l’armature rotorique 4 est liée en rotation à au moins un élément de la roue 103, ici le moyeu 103.3. L’armature statorique 3 et l’armature rotorique 4 ont des formes annulaires et l’armature rotorique 4 est logée dans l’armature statorique 3 pour avoir une surface externe, de forme cylindrique, en regard d’une surface interne, de forme cylindrique, de l’armature statorique 3. Dans le premier mode de réalisation, et en référence aux figures 3 à 6, l’armature rotorique 4 comprend un corps annulaire central 4.1, centré sur l’axe X, et des dents 6 qui s’étendent en saillie radiale vers l’extérieur depuis le corps annulaire central 4.1 et qui sont séparées les unes des autres par des fentes 5 débouchant sur la surface externe 4.2 de l’armature rotorique 4. Les fentes 5 s’étendent parallèlement à l’axe X et sont réparties angulairement de manière régulière autour de l’axe X. Toutes les fentes 5 sont identiques et ont une embouchure 5.1 en regard de la surface interne de l’armature statorique 3. Chaque fente 5 a, au voisinage du corps annulaire central 4.1, un fond 5.2 de largeur supérieure à une largeur de l’embouchure 5.1. Ceci est dû au fait que les dents 6 ont sensiblement une forme de T, avec chacune une base 6.1 relativement étroite au voisinage du corps annulaire central 4.1 et une tête 6.2 relativement large formant la surface externe 4.2 de l’armature rotorique 4. L’armature rotorique 4.1 est pourvue de bobines 7 enroulées autour des dents 6 sous les têtes 6.2. La tête 6.2 des dents 6 permet de maintenir en position les bobines 7 en les empêchant de glisser le long des dents 6 et de se séparer de l’armature rotorique 4. Chaque dent 6 est ainsi entourée d’une bobine 7 et lorsqu’un courant est envoyé dans la bobine, un champ magnétique est induit. Ce champ magnétique induit possède un sens et une direction. Les enroulements des bobines 7 étant positionnés autour des dents 6 qui s’étendent radialement autour de l’armature rotorique, la direction du champ induit est ainsi une direction radiale de l’armature rotorique. Le sens du champ quant à lui, est déterminé par le sens du courant circulant dans la bobine. Le sens du champ magnétique induit est donc déterminé lors de la confection des bobinages et de leur branchement. Entre chacune des têtes 6.2 des dents 6 est placée une cale 1 permettant de maintenir et protéger les bobines 7 s’étendant dans les fentes 5. Chaque cale 1 obture donc l’embouchure d’une des fentes 5. Les cales 1 sont en forme de barre, et possèdent 2 faces principales, une première face principale 1.1 tournée vers l’extérieur de la fente et une deuxième face principale de fond 1.2 tournée vers le fond de la fente 5, ainsi que qu’une première face secondaire latérale 1.3 et une deuxième face secondaire latérale 1.4 reliant les faces principales 1.1, 1.2 l’une à l’autre. Les deux faces secondaires latérales 1.3 et 1.4 sont en appui sur les dents 6 du corps rotorique 4.1, et ont un profil s’adaptant aux têtes 6.2 desdites dents 6. Un chanfrein 1.5 est présent sur ces faces secondaires latérales 1.3 et 1.4 pour coïncider avec une forme de chanfrein présente au niveau des têtes 6.2 des dents 6. Chacune de ces cales 1 est composée d’un matériau à aimantation permanente induisant un champ magnétique autour d’elle. Ainsi, chaque cale 1 est un aimant permanent avec deux pôles induisant un champ magnétique autour de lui d’un pôle à l’autre. Chacune des cales est disposée dans une des fentes 5 de l’armature rotorique 4 selon une orientation de vecteur d’aimantation particulière, telle que l’ensemble des cales 1 et l’ensemble des bobines 7 alimentées forment un motif de Halbach. Pour cela, en référence à la FIG. 8 , les cales 1 et les dents 6 pourvues de bobines 7 sont disposées en séries successives de cales 1 et de bobines 7 de telle manière que la première surface latérale 1.3 et la deuxième surface latérale 1.4 de chaque cale 1 sont adjacentes à une dent 6 pourvue d’une bobine 7. Les cales 1 et les bobines 7 sont disposées dans chaque série de telle manière que chaque série comprennent une première bobine 7A engendrant un champ magnétique allant de l’intérieur de l’armature rotorique vers l’extérieur , une première cale 1B, adjacente à cette première bobine 7A, ayant un champ magnétique allant de la première face secondaire latérale 1.3 à la deuxième face secondaire latérale 1.4, une deuxième bobine 7C adjacente à la première cale 1B engendrant un champ magnétique allant de l’extérieur de l’armature rotorique vers l’intérieur, et une deuxième cale 1D, adjacente à la deuxième bobine 7C, engendrant un champ allant de la deuxième face secondaire latérale 1.4 vers la première face secondaire latérale 1.3. On comprend que : les bobines 7A, lorsqu’elles sont alimentées, ont donc un vecteur d’aimantation s’étendant radialement à l’axe X de l’intérieur de l’armature rotorique vers l’extérieur ; les cales 1B ont un vecteur d’aimantation s’étendant de la première face secondaire latérale 1.3 à la deuxième face secondaire latérale 1.4 ; les bobines 7C, lorsqu’elles sont alimentées, ont un vecteur d’aimantation s’étendant radialement à l’axe X de l’extérieur de l’armature rotorique à vers l’extérieur ; les cales 1D ont un vecteur d’aimantation s’étendant de la deuxième face secondaire latérale 1.4 vers la première face secondaire latérale 1.3. Le motif de Halbach permet dans cette configuration d’amplifier l’intensité du champ magnétique du côté des premières faces principales 1.1, et de réduire l’intensité du champ magnétique du côté des deuxièmes faces principales 1.2 (voir les lignes de champ symbolisées sur la FIG. 6 ). La concentration du flux magnétique vers l’extérieur de l’ensemble rotorique 4, et donc en direction de l’armature statorique 3, est à l’origine de l’optimisation des performances du dispositif de freinage magnétique 2, notamment la caractéristique de couple. Les cales 1 sont ici monolithique et taillées dans un barreau d’un matériau ferromagnétique ou ferrimagnétique à aimantation permanente, possédant des caractéristiques de résistance aux températures suffisantes pour résister aux températures maximales de fonctionnement du dispositif de freinage électromagnétique 2, et plus particulièrement à la température maximale atteinte par les bobines en fonctionnement. En particulier, le matériau en question a une température de Curie supérieure à la température maximale de fonctionnement rencontrée dans la machine. Le matériau qui compose les cales 1 possède également des caractéristiques de résistance mécanique permettant aux cales 1 de résister aux efforts maximaux atteignables lors du fonctionnement du dispositif de freinage électromagnétique 2. En outre, le matériau a une dureté permettant de faciliter la mise en place des cales 1 et leur retenue dans les fentes 5 lors du fonctionnement du frein. Selon une première variante, les cales 1 comprennent un revêtement extérieur ayant des caractéristiques avantageuses pour renforcer et protéger lesdites cales 1. Ce revêtement possède par exemple une dureté supérieure à celle du matériau aimanté qui compose les cales 1. Selon une deuxième variante, représenté sur la FIG. 7 , chacune des cales 1 est un assemblage de plusieurs tronçons accolés dans le sens de la longueur de la cale 1. Les tronçons ont ici une épaisseur très faible. Plus précisément, la cale 1 est feuilletée, c’est-à-dire qu’elle est formée par assemblage de feuilles. Cette structure assemblée permet notamment de réduire les pertes par hystérésis. Selon un deuxième mode de réalisation représenté aux figures 8 et 9, c’est l’armature statorique 3 qui comprend des dents délimitées latéralement par des fentes qui reçoivent des bobines et sont fermées par des cales 1 en matériau aimanté. Tout comme l’ensemble rotorique 4 du premier mode de réalisation, les dents 6 ont une forme générale en T et chaque dent est entourée d’une bobine 7. Les fentes 5 sont également fermées et protégées par le positionnement des mêmes cales 1 composées de matériau magnétique aimanté. Dans ce second mode de réalisation, l’embouchure des fentes 5 donnent sur l’intérieur de l’ensemble statorique 3, c’est-à-dire en direction de l’ensemble rotorique 4. Les cales 1 et des bobines 7 alimentées en courant forment également par leur orientation de vecteur d’aimantation, un réseau de Halbach de manière à augmenter l’intensité du champ magnétique en direction de l’intérieur de l’armature statorique 3, c’est-à-dire en direction de l’armature rotorique 4 qui comporte des aimants 8. Dans ce deuxième mode de réalisation, l’invention ne concerne pas un dispositif de freinage d’une roue freinée d’aéronef mais une machine électrique tournante 9’. Dans ce mode de réalisation les bobines 7 peuvent être traversées par un courant continu, le champ magnétique induit permettant alors la mise en rotation de l’armature rotorique 4. La machine électrique peut également être utilisé en génératrice. En appliquant une rotation à l’armature rotorique 4, les champs magnétiques des aimants de l’ensemble statorique induisent alors un courant électrique dans les bobines 7 de l’armature rotorique 4, générant ainsi une tension en sortie de la machine. Dans les deux cas, la disposition des cales 1 aimantées et des bobines 7 en réseau de Halbach sert à amplifier les champs magnétiques induits ou reçus par les bobines 7 permettant alors d’accroitre les performances de la machine électrique 9’. Bien entendu, l’invention n’est pas limitée au mode de réalisation décrit mais englobe toute variante entrant dans le champ de l’invention telle que définie par les revendications. En particulier, la forme de la cale 1 est décrite comme étant pourvue de chanfrein. Cependant la géométrie de la cale dépend de la géométrie de l’espace qui est destiné à recevoir les cales, de sorte que la présence d’un chanfrein n’est pas obligatoire. Les aimants permanents 8 peuvent être remplacés par d’autres sources de champ magnétique telles que des bobines pour former des électroaimants par exemple. Bien que les tronçons qui ont été illustrés à la FIG. 7 soient représentés selon une direction perpendiculaire à la longueur de la cale, il est possible que le découpage des tronçons soit effectué selon une autre direction, telle que parallèle à la longueur de la cale par exemple. Bien qu’ici, dans chacun des modes de réalisation, l’armature rotorique soit centrale et entourée d’une armature statorique, il est possible que l’armature statorique soit centrale et qu’elle soit entourée par l’armature rotorique. L’invention est applicable à tout type de machine électrique, machine synchrone, moteur à reluctance variable, moteur shunt, moteur bobiné en série, génératrice, frein magnétique, machine à flux axial ou radial… Machine électromagnétique comprenant une armature, des bobines (7) reçues dans des fentes (5) de l’armature, et des cales (1) engagées dans les fentes (5) pour obturer au moins partiellement les fentes (5) ; caractérisée en ce que chacune des cales (1) est composée d’au moins un matériau à aimantation permanente selon une direction de polarisation. Machine selon la revendication 1, dans laquelle les cales (1) et les bobines (7) alimentées sont agencées avec des directions d’aimantation orientées pour former un réseau de Halbach. Machine selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle le matériau des cales (1) présente une résistance à des températures au moins égales à une température maximale de fonctionnement des bobines (7). Machine selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle les cales (1) possèdent des caractéristiques de dureté facilitant leur mise en place et leur retenue dans les fentes (5). Machine selon la revendication 4, dans laquelle les cales (1) comprennent un revêtement extérieur ayant une dureté supérieure à celle du matériau à aimantation permanente. Machine selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle les cales (1) sont formées par assemblage de tronçons. Machine selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle l’armature (3) forme un rotor de la machine. Machine selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, dans laquelle l’armature (4) forme un stator de la machine. Machine selon l’une quelconque des revendications précédentes, agencée pour former un frein de roue (103) d’aéronef. Roue (103) d’aéronef comprenant une machine selon la revendication 9.