FR3012698A1 - Machine electrique a materiau a changement de phase d'un demarreur-generateur d'une turbomachine. - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne une machine électrique comprenant un premier ensemble et un deuxième ensemble configurés pour être entrainés en rotation l'un par rapport à l'autre, le deuxième ensemble comprenant une pluralité d'aimants permanents, l'un ou l'autre du premier ou deuxième ensemble comprenant en outre un circuit magnétique et un circuit électrique, une variation de flux magnétique dans le circuit magnétique induisant une force électromotrice dans le circuit électrique, la machine électrique comprenant en outre au moins un dissipateur de chaleur comprenant un matériau à changement de phase de manière à dissiper la chaleur au cours des phases transitoires de ladite machine électrique, ledit dissipateur étant disposé au plus près des sources de chaleur impliquées au cours desdites phases transitoires de ladite machine électrique.
Description
DOMAINE TECHNIQUE GENERAL L'invention concerne les moteurs d'aéronef en particulier ceux d'un hélicoptère. Elle concerne particulièrement les machines électriques intégrées dans les moteurs d'hélicoptères réalisant la fonction de génération d'énergie électrique, et /ou de motorisation électrique de certains organes. Ces machines électriques peuvent être des générateurs-démarreurs, des démarreurs, des alternateurs ou des pompes électriques qui sont soit des machines à courant continu ou à courant alternatif. ETAT DE LA TECHNIQUE Un moteur d'un aéronef comprend des machines électriques comprenant un rotor et un stator en rotation l'un par rapport à l'autre, le stator comprend un circuit magnétique et un circuit électrique (constitué par un bobinage conducteur) de sorte qu'une variation de flux magnétique dans le circuit magnétique induit une force électromotrice dans le circuit électrique afin d'initier la rotation.
De manière connue, de telles machines électriques présentent des phases transitoires rencontrées au cours des phases de démarrage ou d'accélération du moteur de l'aéronef ou au cours des phases de démarrage et d'accélération de certains équipements que comprend le moteur de l'aéronef. Au cours de ces phases transitoires, la machine électrique dissipe une quantité de chaleur qui peut s'avérer dommageable pour la machine électrique, chaleur dissipée dans les circuits électriques et/ou sur les aimants permanents si la machine en comprend. Pour favoriser la dissipation de la chaleur ces éléments sont de taille élevée. En outre, pour optimiser la dissipation thermique de la machine électrique, plusieurs solutions sont d'ores et déjà connues.
Une solution utilise la convection naturelle refroidissement par dissipateur à ailettes en périphérie de la machine pour avoir une surface d'échange importante entre le milieu environnant et la machine. Une solution utilise la convection forcée par l'ajout d'un ventilateur sur la machine. Une autre solution utilise un refroidissement forcée en injectant un liquide circulant à l'intérieur de la machine ou en périphérie (huile, carburant, etc.) ou un refroidissement par échangeur. Encore une autre solution utilise un refroidissement par module thermoélectrique (effet Peltier).
Toutefois, dans une application aéronautique, c'est-à-dire dans le cadre d'un système embarqué exigeant de fortes contraintes en termes de compacité, masse et fiabilité, les inconvénients des solutions ci-dessus décrites sont pour chacune : convection naturelle avec refroidissement par dissipateur à ailettes : encombrant et massif et nécessite un flux d'air en périphérie de la machine ; convection forcée avec ajout d'un ventilateur : encombrant (de par l'ajout du ventilateur), nuit à l'intégrité de la machine ; refroidissement forcé par liquide circulant à l'intérieur de la machine ou en périphérie (huile, carburant, etc.) ou par échangeur : système encombrant, massif et intrusif envers la machine avec des pas de maintenance assez courts ; refroidissement par module thermoélectrique : refroidissement sur des zones très localisées et nécessite également une alimentation stabilisée permettant l'alimentation thermoélectrique. Aux inconvénients ci-dessus, on ajoute l'inconvénient lié à l'augmentation de la taille des composants qui dissipent la chaleur. PRESENTATION DE L'INVENTION L'invention permet de diminuer le poids et la taille d'une machine électrique d'un moteur d'un aéronef et d'améliorer les performances électromagnétiques de la machine.
A cet effet, l'invention propose une machine électrique comprenant un premier ensemble et un deuxième ensemble configurés pour être entrainés en rotation l'un par rapport à l'autre, le deuxième ensemble comprenant une pluralité d'aimants permanents, l'un ou l'autre du premier ou deuxième ensemble comprenant en outre un circuit magnétique et un circuit électrique, une variation de flux magnétique dans le circuit magnétique induisant une force électromotrice dans le circuit électrique, la machine électrique comprenant en outre au moins un dissipateur de chaleur comprenant un matériau à changement de phase de manière à dissiper la chaleur au cours des phases transitoires de ladite machine électrique, ledit dissipateur étant disposé au plus près des sources de chaleur impliquées au cours desdites phases transitoires de ladite machine électrique.
L'invention est avantageusement complétée par les caractéristiques suivantes, prises seules ou en une quelconque de leur combinaison techniquement possible le dissipateur de chaleur comprend des tubes longitudinaux logés dans une portion périphérique du premier ensemble, lesdits tubes longitudinaux comprenant ledit matériau à changement de phase ; le dissipateur de chaleur comprend des logements longitudinaux chacun disposé entre deux aimants permanents, lesdits logements comprenant ledit matériau à changement de phase ; le matériau à changement de phase est sous forme de sels ou sous forme de composés organiques ou eutectiques ayant des températures de changement de phase solide-liquide supérieures à une centaine de degré Celsius, typiquement entre 150°C et 300°C ; le dissipateur de chaleur comprend, outre le matériau à changement de phase au moins un élément qui est conducteur électrique de manière à ne pas perturber la circulation des lignes de champ magnétiques dans ladite machine ; le matériau à changement de phase est contenu dans une enveloppe métallique étanche ; le premier ensemble comprend un circuit magnétique et un circuit électrique, le circuit électrique étant constitué par un enroulement d'un fil conducteur autour des pôles du circuit magnétique ; le premier ensemble est un stator et le deuxième ensemble est un rotor. L'invention concerne également une machine à courant continu ou à courant alternatif tel qu'un générateur-démarreur, un alternateur, une pompe comprenant une machine électrique selon l'invention.
Et l'invention concerne en outre un moteur d'un aéronef, tel qu'un hélicoptère, comprenant une machine à courant continu ou à courant alternatif tel qu'un générateur-démarreur, un alternateur, une pompe comprenant une machine électrique selon l'invention. Les avantages de l'invention sont multiples. L'invention permet de réduire la masse globale d'un moteur d'un aéronef en diminuant la masse de la machine électrique. En particulier, sont diminuées les masses du Fer (utilisé dans le circuit magnétique de la machine) et du Cuivre (utilisé pour le bobinage du circuit électrique) à l'intérieur de la machine. En effet, en gérant au mieux la thermique au sein de la machine et plus particulièrement en améliorant les propriétés de transferts thermiques au plus près des éléments soumis aux plus fortes élévations de température on peut réduire la masse et l'encombrement des machines électriques. En outre, il n'y pas d'ajout de systèmes supplémentaires dégradant le bilan masse, encombrement et le taux de fiabilité de la machine électrique.35 PRESENTATION DES FIGURES D'autres caractéristiques, buts et avantages de l'invention ressortiront de la description qui suit, qui est purement illustrative et non limitative, et qui doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 illustre une vue en coupe schématique d'une machine électrique selon un premier mode de réalisation de l'invention ; - la figure 2 illustre une vue en coupe schématique d'une machine électrique selon un second mode de réalisation de l'invention ; - la figure 3 illustre une vue en coupe schématique d'une machine électrique selon un troisième mode de réalisation de l'invention ; - la figure 4 est une courbe en fonction du temps de la dissipation thermique d'un flux thermique avec et sans utilisation d'un matériau à changement de phase. Sur l'ensemble des figures les éléments similaires portent des références identiques.
DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION Dans ce qui suit, on entend par « matériau à changement de phase » un matériau capable de changer d'état physique dans une plage de température donnée et qui va absorber une grande quantité d'énergie calorifique venant de son environnement proche pour passer de l'état solide à liquide et qui restitue une partie de l'énergie calorifique quand le matériau se refroidit en passant de l'état liquide à l'état solide. Ces matériaux à changement de phase sont des sels qui peuvent être composés de nitrate ou d'hydroxyde. Le changement de phase solide à liquide du matériau se fait à une température dépassant la centaine de degré Celsius jusqu'à une température de l'ordre de 300 °C On a illustré sur la figure 1, une machine électrique selon un premier mode de réalisation de l'invention. Une telle machine électrique est notamment utilisée dans un moteur d'aéronef. La machine électrique de la figure 1 est une machine à aimants permanents et comprend un stator 1 et un rotor 2. Le stator 1 comprend un circuit magnétique 3 et un circuit électrique 4. Le circuit magnétique 3 comprend une portion périphérique 6 de forme générale cylindrique et des pôles 7 s'étendant vers le rotor 2. Le circuit électrique 4 est bobiné autour de chaque pôle 7 du circuit magnétique 3. En outre, d'autres formes de bobinage (enroulement de fils conducteurs typiquement en cuivre) sont également envisageables.
Le rotor 2 supporte des aimants permanents 5. Sur la figure 1, la machine électrique comprend six aimants permanents 5 mais un nombre différent peut être envisagé. Lorsque le rotor 2 est entrainé en rotation par rapport au stator 1, le flux magnétique dans le circuit magnétique 3 varie et induit donc une force électromotrice dans le circuit électrique 4. Au cours des phases transitoires qui correspondent à des phases de démarrage, de changement de vitesse ou bien encore d'arrêt du moteur correspondant, la machine électrique dissipe de la chaleur. En particulier, le circuit électrique 4 et les aimants permanents dissipent de la chaleur.
Selon ce premier mode de réalisation, de manière à dissiper la chaleur au cours de ces phases transitoires, la machine électrique comprend au moins un dissipateur de chaleur 8 logé dans la portion périphérique 6 du stator 1. En particulier, un dissipateur de chaleur 8 dans ce premier mode de réalisation est constitué d'un tube longitudinal 9 comprenant un matériau 10 à changement de phase, le tube longitudinal étant logé dans la portion périphérique 6. La machine électrique de la figure 1 comprend douze tubes longitudinaux 9 logés dans la portion périphérique au niveau de chaque pôle 7 (ici douze pôles 7). Bien entendu, il est possible d'envisager un nombre différent de dissipateur de chaleur 8. Le matériau 10 à changement de phase est sous forme de sels ou sous forme de composés organiques ou eutectiques. Il peut s'agir par exemple de LiNO3, NaNO3, Li2CO3, etc. De manière préférée, le matériau à changement de phase est contenu dans une enveloppe (non représentée) qui est étanche pour maintenir et confiner le matériau à l'état liquide. En outre, l'enveloppe et le matériau à changement de phase devant perturber le moins possible la circulation des lignes de champ dans le circuit magnétique l'enveloppe est elle-même métallique et est un bon conducteur électrique. Par ailleurs, un matériau à changement de phase étant par définition un isolant électrique, le dissipateur de chaleur peut comprendre, outre le matériau à changement de phase, des éléments conducteurs tels que des nanotubes de carbone pour permettre également la libre circulation des lignes de champs dans le circuit magnétique de la machine. Selon ce premier mode de réalisation, des dissipateurs 8 de chaleur sont donc disposés au plus près des différents circuits électriques 4 enroulés autour des pôles 7. Ainsi, par rapport à l'art antérieur, il est possible d'avoir des circuits électriques 4 moins massifs.
En particulier, les fils conducteurs qui constituent les circuits électriques 4 peuvent avoir une section inférieure à celle des fils conducteurs utilisés dans de tels dissipateurs de chaleur. En effet, comme les circuits électriques dissipent beaucoup de chaleur, il fallait, dans l'art antérieur, prévoir des fils conducteurs de section suffisante pour éviter qu'ils ne fondent. Selon ce premier mode de réalisation un gain en termes de masse sur les génératrices/démarreurs 28Vdc implémentant une telle machine électrique est le suivant. L'ajout des dissipateurs de chaleurs avec un matériau à changement de phase permet de diminuer la section des fils conducteurs des circuits électriques 4 d'une taille soit un gain potentiel de 25% en terme de masse et la section manquante est remplacée par des matériaux à changement de phase qui ont une densité volumique 4,5 fois plus faible.
Ainsi, sachant que la part de masse des fils composant une machine est d'environ de 50% de la masse totale, l'ajout de matériaux à changement de phase permet de diminuer la masse de la machine d'environ 10%. La figure 2 illustre une machine électrique selon un second mode de réalisation. Les éléments identiques ou similaires à ceux de la machine électrique selon le premier mode de réalisation illustré sur la figure 1 sont désignés par les mêmes références. Selon ce second mode de réalisation, la machine électrique comprend au moins un dissipateur de chaleur 11 disposé entre deux aimants permanents 5. Selon ce mode de réalisation, le dissipateur de chaleur 11 est constitué d'un logement longitudinal 12 comprenant un matériau à changement de phase.
Sur la figure 2 sont représentés cinq logements longitudinaux disposés entre deux aimants permanents 5 (ici six aimants permanents). Bien entendu, on peut envisager un nombre différent de dissipateur de chaleur et disposer les dissipateurs de chaleurs différemment par rapport aux aimants permanents. Selon ce second mode de réalisation, les dissipateurs 11 de chaleur sont donc disposés au plus près des aimants permanents 5. Par rapport à l'art antérieur, il est possible d'avoir des aimants permanents moins massif. En effet, comme les aimants permanents étaient soumis à une forte contrainte thermique transitoire, il fallait, dans l'art antérieur, prévoir aimants permanents massifs pour éviter qu'ils ne se désaimantent. La figure 3 illustre une machine électrique selon un troisième mode de réalisation.
Les éléments identiques ou similaires à ceux de la machine électrique selon les premier et second modes de réalisation illustrés sur les figures 1 et 2 sont désignés par les mêmes références. Selon ce troisième mode de réalisation, la machine électrique comprend au moins un dissipateur de chaleur 13 disposé au-dessous des aimants permanents 5. Selon ce mode de réalisation, le dissipateur de chaleur 13 est constitué d'un logement longitudinal 14 comprenant un matériau à changement de phase. Comme pour le second mode de réalisation, les dissipateurs 13 de chaleur sont donc disposés au plus près des aimants permanents 5. Ainsi, il est possible d'avoir des aimants permanents moins massif que dans l'art antérieur. Dans les modes de réalisation ci-dessus décrits, comme on l'aura compris, c'est l'utilisation d'un matériau à changement de phase qui permet d'absorber la chaleur. On a ici décrit une machine électrique avec un bobinage statorique. Bien entendu, l'invention s'applique aussi à une machine électrique avec un bobinage rotorique.
L'utilisation de matériaux à changement de phase permet un refroidissement au plus près des éléments critiques tels que les circuits électriques ou les aimants permanents. En effet en atteignant sa température de fusion donc en passant de l'état solide à l'état liquide matériau à changement de phase absorbe une quantité de chaleur. En conséquence, un transfert thermique va alors s'opérer entre les éléments chauffants à l'intérieur de la machine et le matériau à changement de phase. Selon un quatrième mode de réalisation (non représenté) on peut combiner le premier mode de réalisation le second mode de réalisation et/ou le troisième mode de réalisation. On a illustré sur la figure 4, le principe et le gain apporté par l'ajout de matériau à changement de phase à proximité de certains composants de la machine électrique. En particulier, on a illustré le flux thermique (kcomp à dissiper sans un matériau à changement de phase et le flux thermique moyen 4moy à dissiper avec un matériau à changement de phase fonction du temps. On constate que là où sans matériau à changement de phase, le composant est dimensionné en termes de masse et de volume pour dissiper le flux thermique 4comp, avec un matériau à changement de phase le composant impacté doit dissiper un flux moyen 4moy inférieur au flux thermique çbcomp notamment pendant les phases transitoires (là où le flux thermique ikcomp est le plus important). En effet, Le flux thermique (kcomp varie au cours de trois phases transitoires ([t041], [t1-t2] et [t2-t3]) tandis que le flux moyen (kmoy est constant. En effet, dans des conditions où une dissipation thermique importante est requise mais qui soit cyclique ou transitoire, l'utilisation de matériaux à changement de phase permet une meilleure gestion de la thermique au plus près des éléments dissipateurs de chaleur. En effet, atteignant sa température de fusion donc en passant de l'état solide à l'état liquide le matériau à changement de phase absorbe une quantité de chaleur, un transfert thermique va alors s'opérer entre les éléments chauffants à l'intérieur de la machine et le matériau à changement de phase. Le matériau à changement de phase va alors absorber le pic de température qu'il y aura au niveau des éléments de la machine s'il n'y avait pas de matériau à changement de phase. En terme de dimensionnement thermique des composants de la machine tels que les enroulements, les aimants ces derniers pourront donc être dimensionnés n'ont pas sur un pic de température maximal mais sur une température inférieure moyennée. Ceci a comme conséquence de diminuer les contraintes de dimensionnement notamment sur la section des enroulements, la quantité de cuivre dans la machine, l'épaisseur des aimants, etc.
L'invention concerne également une machine à courant continu ou à courant alternatif tel qu'un générateur-démarreur, un alternateur, une pompe comprenant une machine électrique telle que décrite ci-dessus. Et l'invention concerne également un moteur d'un aéronef, tel qu'un hélicoptère, comprenant une machine électrique selon l'invention.15
Claims (10)
- REVENDICATIONS1. Machine électrique comprenant un premier ensemble (1) et un deuxième ensemble (2) configurés pour être entrainés en rotation l'un par rapport à l'autre, le deuxième ensemble (2) comprenant une pluralité d'aimants permanents (5), l'un ou l'autre du premier ou deuxième ensemble comprenant en outre un circuit magnétique (3) et un circuit électrique (4), une variation de flux magnétique dans le circuit magnétique induisant une force électromotrice dans le circuit électrique (4), la machine électrique comprenant en outre au moins un dissipateur de chaleur comprenant un matériau (11) à changement de phase de manière à dissiper la chaleur au cours des phases transitoires de ladite machine électrique, ledit dissipateur (8, 11, 13) étant disposé au plus près des sources de chaleur impliquées au cours desdites phases transitoires de ladite machine électrique.
- 2. Machine électrique selon la revendication 1, dans laquelle le dissipateur de chaleur comprend des tubes longitudinaux (9) logés dans une portion périphérique (6) du premier ensemble (1), lesdits tubes longitudinaux comprenant ledit matériau (10) à changement de phase.
- 3. Machine électrique selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle le dissipateur de chaleur comprend des logements longitudinaux (12) chacun disposé entre deux aimants permanents (5), lesdits logements comprenant ledit matériau (10) à changement de phase.
- 4. Machine électrique selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle le matériau (11) à changement de phase est sous forme de sels ou sous forme de composés organiques ou eutectiques ayant des températures de changement de phase solide-liquide supérieures à une centaine de degré Celsius, typiquement entre 150°C et 300°C.
- 5. Machine électrique selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle le dissipateur de chaleur comprend, outre le matériau (11) à changement de phase au moins un élément qui est conducteur électrique de manière à ne pas perturber la circulation des lignes de champ magnétiques dans ladite machine.
- 6. Machine électrique selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle le matériau (11) à changement de phase est contenu dans une enveloppe métallique étanche.
- 7. Machine électrique selon la revendication 2, dans laquelle le premier ensemble comprend un circuit magnétique (3) et un circuit électrique (4), le circuit électrique étant constitué par un enroulement d'un fil conducteur autour des pôles (7) du circuit magnétique (3).
- 8. Machine électrique selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle ledit premier ensemble (1) est un stator et le deuxième ensemble (2) est un rotor.
- 9. Machine à courant continu ou à courant alternatif tel qu'un générateur-démarreur, un alternateur, une pompe comprenant une machine électrique selon l'une des revendications précédentes.
- 10. Moteur d'un aéronef, tel qu'un hélicoptère, comprenant un démarreur-générateur selon la revendication précédente.
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