FR3127085A1 - Rotor de moteur électrique - Google Patents

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Abstract

La présente invention concerne un rotor (1) de moteur électrique d’aéronef comprenant un arbre (2) réalisé dans un premier matériau et une peau (4) réalisée dans un deuxième matériau différent du premier matériau, L’arbre (2) présente une portion d’épaulement (6) sur laquelle est fixée la peau (4), au niveau de la portion d’épaulement (6), le rotor (1) présente une couche d’interpénétration du premier matériau et du deuxième matériau, la couche d’interpénétration comprenant un alliage du premier matériau et du deuxième matériau. Figure pour l’abrégé : Fig. 2

Description

Rotor de moteur électrique
DOMAINE DE L'INVENTION
La présente invention concerne le domaine des moteurs électriques et concerne plus particulièrement le domaine des rotors de moteurs électriques pour applications aéronautiques.
ETAT DE LA TECHNIQUE
D’une manière connue, dans l’objectif de réduire la masse globale d’un moteur hélicoptère ou plus généralement d’une chaine de propulsion pour hélicoptère, une des voies privilégiées est de diminuer la masse des moteurs électriques de génération et/ou de démarrage ou encore de propulsion électrique si nous sommes dans le domaine des « VTOL » (Vertical Take Off and Landing, ce qui signifie décollage et atterrissage vertical)» ou « STOL » (Short Take Off and Landing, ce qui signifie décollage et atterrissage court). En effet le poids de ces systèmes peut atteindre plusieurs dizaines de kilogrammes pour des puissances pouvant aller au-delà de la centaine de kilowatts. Les limitations actuelles sur les machines électriques dépassant difficilement un ratio puissance/masse de 3,5 kW/kg.
La première limitation des performances est essentiellement due au circuit électromagnétique lui-même qui est régit par la qualité des matériaux ferromagnétiques utilisés ou encore de la qualité des aimants (induction rémanente Br) lorsque ces machines en comportent.
Les voies d’investigations actuelles sont portées essentiellement sur l’amélioration des performances électromagnétiques des machines électriques. Il est en particulier connu d’essayer d’optimiser le matériau constituant le circuit magnétique, en utilisant les meilleurs grades de fer-cobalt ou encore de fer-silicium. Une autre voie d’amélioration connue est de minimiser les pertes au niveau du rotor et stator de la machine en affinant les tôles composants le stator et ou rotor réduisant ainsi les pertes par courant de Foucault.
Pour également améliorer la densité de couple de la machine électrique, il est connu d’adjoindre des aimants permanents au rotor et/ou au stator dont l’induction magnétique rémanente pouvant s’additionner au champ magnétique créé par le bobinage qui est généralement placé au stator de la machine électrique.
La deuxième limitation est la limitation mécanique en vitesse de rotation des machines. Cette limitation en vitesse dépend de la nature de la machine électrique. On distingue trois grandes familles de machines électrique (i.e. moteurs électriques) : les machines à courant continu, les machines synchrones et les machines asynchrones.
En effet comme le montre le graphique de la qui représente la puissance maximale des machines électriques en fonction de la vitesse de rotation, les puissances maximales disponibles en sortie machine étant inversement proportionnel au cube de la vitesse, une fois la vitesse fixée par les limitations amenées par l’environnement où sera intégré la machine, le choix de la nature de la machine devient alors primordial pour obtenir un optimum sur le ratio poids puissance.
Aujourd’hui le besoin visé en matière de puissance électrique pour une intégration dans un hélicoptère est dans une gamme assez large allant d’environ de 50 kilowatts jusqu’à plusieurs centaines de kilowatts par machine. Ainsi, en référence au graphique de la , les machines identifiées (d) et (e) sont particulièrement intéressantes du fait que ces machines sont intégrées sur des boites d’accessoires mécaniques qui ont des régimes très élevés de plusieurs milliers de tours par minute.
Sur la , les machines (d) sont des machines synchrones à aimants permanents montés sur le rotor et les machines (e) sont des machines asynchrones d’induction à rotor massif.
Enfin, une troisième limitation est identifiée. Celle-ci est intrinsèque au milieu embarqué et plus précisément au domaine aéronautique. Cette troisième limitation concerne l’intégrité de l’équipement ainsi que de son environnement en cas de défaut interne de la machine électrique.
Ainsi, il est nécessaire que, pour des vitesses de rotation allant de 10000 tr/min à plus de 100 000 tr/min, la machine puisse contenir des débris haute énergie provenant de partis en rotation du rotor de la machine (i.e.la machine doit continuer de fonctionner malgré la casse et la présence en son sein de pièces, de pièces du rotor). De plus, dans de nombreux autres cas de défaillances, il est nécessaire que la machine électrique continue de fonctionner.
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, différentes technologies de machines électriques sont utilisées on peut citer les plus connues :
- Machine à courant continu : les machines à courant continu sont les machines les plus utilisées dans le milieu aéronautique. Leur principal avantage est de fonctionner sur des réseaux à courant continu sans utilisation obligatoire d’électronique de puissance. Leur principal inconvénient est de comporter des balais énergisant le rotor ce qui provoque une usure prématurée de ces derniers et impose des limitations en termes de vitesse de rotation (vitesse max < 20 000 tr/min).
- Machine synchrone à rotor bobiné : les machines synchrones à rotor bobiné sont des machines qui ont le principal avantage d’être très facilement pilotable en couple et en vitesse. En effet, il est possible de gérer le flux de la machine très facilement en injectant un courant continu dans l’inducteur de la machine (partie rotorique) à l’aide de bagues conductrices liant le stator et le rotor. Ces machines ont un inconvénient similaire aux machines à courant continu qui est une vitesse maximum du rotor par rapport au stator d’environ 25 000 tr/min. Cette limitation en vitesse est due à la présence des bagues conductrices frottant sur le rotor.
- Machine synchrone dite 3 étages : ces machines sont très largement utilisées dans le milieu aéronautique comme génératrice de courant car elles ont l’avantages d’être facilement pilotable et auto-excitable sans balais ou bague grâce à la mise en rotation d’aimant devant le bobinage rotorique de la machine, le courant alternatif ainsi créé est ensuite redressé par des diodes tournantes allant jusqu’au bobinage inducteur de la machine. Les inconvénients de ces machines sont leurs masses relativement importantes du fait qu’elles comportent plusieurs étages de conversion et également une limitation de la vitesse de rotation (<25 000 tr/min) qui vient à défiabiliser les diodes en rotation lorsque la vitesse devient trop importante.
- Machine synchrone à aimants permanents : les machines à aimants permanent sont l’une des catégories de machines les plus performantes en termes de densité de couple, c’est d’ailleurs pour leurs excellentes performances que ces machines émergent dans les systèmes électriques aéronautiques. Leur avantage qui est aussi leur principal défaut est que ces machines comportent des aimants au rotor, ce qui a comme principal avantage que ces machines ne comportent pas de balais et s’auto-excitent du fait de la rotation des aimants. Ainsi, lors d’un défaut interne tel qu’un court-circuit sur les bobinages statoriques, le court-circuit est auto-entretenu du fait de la rotation des aimants qui génère ce court-circuit. Il faut donc nécessairement pouvoir arrêter la rotation du rotor pour ne pas que le défaut se propage. Un autre inconvénient de cette machine est que, lorsque des vitesses de rotation très élevée au-delà de 30 000 tr/min doivent être atteintes, la machine doit comporter des aimants en surface d’une épaisseur devenant non négligeable par rapport à l’entrefer magnétique ce qui génère une augmentation des pertes magnétiques importantes.
- Machine synchrone à reluctance variable : la machine synchrone à reluctance est une machine avec de fortes performances électromagnétiques, un autre avantage est que le rotor est de nature passif magnétiquement, donc en cas de problème sur les bobinages statoriques, la machine est désexcitée en désalimentant le stator. Le principal inconvénient de cette machine pour une utilisation dans un milieu aéronautique est que cette machine impose un entrefer très petit (<0.5 mm) d’où une complexité accrue pour l’intégration de cette machine dans un environnement vibratoire assez sévère.
- Machine asynchrone à cage d’écureuil : la machine asynchrone à cage d’écureuil est une machine avec des performances électromagnétiques inférieures par rapport aux machine synchrones du fait que l’induction des courants rotoriques générés par les courants statoriques ont tendance à échauffer le rotor. La notion de glissement est aussi à considérer dans cette machine. Le glissement est la différence entre la pulsation des courants créés dans le rotor et la pulsation des courants statoriques. Ce glissement est une notion fondamentale car plus le glissement est important (et tend vers 1) plus la machine fournit du couple. La problématique fondamentale de ce principe est que l’effet joule créé dans la partie rotorique de la machine est directement proportionnel au glissement. Ces machines ont des limitations thermiques importantes d’une part, du fait que les barreaux dans lesquels circulent les courants rotoriques induits sont des conducteurs électriques de conductivité électrique modéré du fait que ces barreaux doivent aussi résister aux efforts mécaniques (efforts centrifuges) donc avoir également des propriétés mécaniques assez élevées ; et d’autres part, du fait que le matériau magnétique (circuit magnétique rotorique) composant également le rotor est un matériau ayant des caractéristiques magnétiques intéressantes mais également une comptabilité avec le matériau des barreaux conducteurs. La performance électromagnétique fonction de résistance mécanique, et de la performance thermique de l’ensemble rotorique s’en retrouve généralement dégradée.
Pour résoudre ce problème de limitation des performances électromagnétiques des nouvelles topologies de machines asynchrones sont récemment apparues depuis une dizaine d’année appelées machine asynchrone à rotor massif. La notion de rotor massif vient du fait que le rotor, pouvant être multi matériaux est d’une compacité très importante et résistante à des efforts mécaniques beaucoup plus importants que les machines asynchrones à cage d’écureuil.
Dans ce contexte, la présente invention a pour objectif de proposer une nouvelle topologie de rotor de machine asynchrone présentant de meilleures performances à haute vitesse (i.e. des vitesses supérieures à 30 000 tr/min).
Selon un premier aspect, l’invention propose un rotor de moteur électrique d’aéronef comprenant un arbre réalisé dans un premier matériau et une peau réalisée dans un deuxième matériau différent du premier matériau. L’arbre présente une portion d’épaulement sur laquelle est fixée la peau, au niveau de la portion d’épaulement, le rotor présente une couche d’interpénétration du premier matériau et du deuxième matériau, la couche d’interpénétration comprenant un alliage du premier matériau et du deuxième matériau.
La peau peut comprendre deux anneaux, un premier anneau étant fixé au rotor à une première région d’extrémité de la portion d’épaulement et un deuxième anneau étant fixé au rotor à une deuxième région d’extrémité de la portion d’épaulement.
La peau et les anneaux peuvent être monoblocs.
La peau peut comprendre deux demi-coquilles soudées l’une à l’autre.
Le premier matériau peut contenir au moins du fer et du carbone.
Le deuxième matériau peut contenir au moins l’un des métaux choisis parmi du cuivre, de l’aluminium ou de l’argent.
Selon un deuxième aspect, l’invention concerne un procédé de fabrication d’un rotor selon l’invention, comprenant au moins une les étapes de :
- insertion de l’arbre et d’un élément destiné à former la peau dans une enveloppe tubulaire de protection ;
- chauffage et mise en pression de l’ensemble contenant l’enveloppe, l’arbre et l’élément destiné à former la peau, jusqu’à une température de formation la peau et de soudure par diffusion de la peau et de l’arbre pour obtenir un ensemble comprenant l’enveloppe et le rotor ;
- traitement thermique de refroidissement de l’ensemble ;
- revenu de l’ensemble ;
- séparation de l’enveloppe et du rotor.
L’étape d’insertion de l’arbre et d’un élément destiné à former la peau dans une enveloppe tubulaire de protection peut comprendre les phases de :
- positionnement des deux demi-coquilles sur la portion d’épaulements et des régions d’extrémités de l’arbre ;
- insertion de l’arbre et des deux demi-coquilles dans une enveloppe tubulaire de protection.
L’étape d’insertion de l’arbre et d’un élément destiné à former la peau dans une enveloppe tubulaire de protection peut comprendre une phase de positionnement, autour de l’arbre, d’une poudre destinée à former la peau.
L’étape de chauffage et mise en pression de l’ensemble peut être est réalisée dans une enceinte dédiée et dans une ambiance neutre.
L’étape de traitement thermique peut comprendre une trempe choisie parmi une trempe au gaz en convection naturelle ou forcée, une trempe à l’eau ou une trempe à l’huile.
L’étape de traitement thermique peut être réalisée jusqu’à ce que le premier matériau en acier inoxydable devienne martensitique.
DESCRIPTION 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 est un graphique représentant la puissance maximale de différentes machines électriques en fonction de la vitesse de rotation.
La est une vue en coupe d’un rotor selon l’invention.
La est une représentation d’un arbre, de deux demi-coquilles et d’une enveloppe pour la mise en œuvre du procédé selon l’invention.
La est une représentation d’une enveloppe contenant un arbre et deux demis-coquilles.
La est une représentation d’un arbre et une peau extraits de l’enveloppe.
La est une représentation d’un rotor obtenu par un procédé selon l’invention.
La est une représentation d’un diagramme de changement de microstructure d’un acier en fonction de la vitesse de refroidissement.
La est une représentation comparative de l’hystérésis magnétique de deux échantillons d’un matériau ayant reçus deux trempes différentes.

Claims (12)

  1. Rotor (1) de moteur électrique d’aéronef comprenant un arbre (2) réalisé dans un premier matériau et une peau (4) réalisée dans un deuxième matériau différent du premier matériau, le rotor (1) étant caractérisé en ce que l’arbre (2) présente une portion d’épaulement (6) sur laquelle est fixée la peau (4), au niveau de la portion d’épaulement (6), le rotor (1) présente une couche d’interpénétration du premier matériau et du deuxième matériau, la couche d’interpénétration comprenant un alliage du premier matériau et du deuxième matériau.
  2. Rotor (1) selon la revendication 1, dans lequel la peau (4) comprend deux anneaux (12), un premier anneau (12) étant fixé au rotor (1) à une première région d’extrémité (8) de la portion d’épaulement (6) et un deuxième anneau (12) étant fixé au rotor (1) à une deuxième région d’extrémité (8) de la portion d’épaulement (6).
  3. Rotor (1) selon la revendication 2 dans lequel la peau (4) et les anneaux (12) sont monoblocs.
  4. Rotor (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel la peau (4) comprend deux demi-coquilles (18) soudées l’une à l’autre.
  5. Rotor (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le premier matériau contient au moins du fer et du carbone.
  6. Rotor (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le deuxième matériau contient au moins l’un des métaux choisis parmi du cuivre, de l’aluminium ou de l’argent.
  7. Procédé de fabrication d’un rotor (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes comprenant au moins une les étapes de :
    - insertion de l’arbre (2) et d’un élément destiné à former la peau (4) dans une enveloppe (30) tubulaire de protection ;
    - chauffage et mise en pression de l’ensemble (32) contenant l’enveloppe (30), l’arbre (2) et l’élément destiné à former la peau (4), jusqu’à une température de formation la peau (4) et de soudure par diffusion de la peau (4) et de l’arbre (2) pour obtenir un ensemble (32) comprenant l’enveloppe (30) et le rotor (1) ;
    - traitement thermique de refroidissement de l’ensemble (30) ;
    - revenu de l’ensemble (32) ;
    - séparation de l’enveloppe (30) et du rotor (1).
  8. Procédé selon la revendication précédente pour la fabrication d’un rotor (1) selon la revendication 4, dans lequel l’étape d’insertion de l’arbre (2) et d’un élément destiné à former la peau (4) dans une enveloppe (30) tubulaire de protection comprend les phases de :
    - positionnement des deux demi-coquilles (18) sur la portion d’épaulements (6) et des régions d’extrémités (8) de l’arbre (2) ;
    - insertion de l’arbre (2) et des deux demi-coquilles (18) dans une enveloppe (30) tubulaire de protection.
  9. Procédé selon la revendication 7 dans lequel l’étape d’insertion de l’arbre (2) et d’un élément destiné à former la peau (4) dans une enveloppe (30) tubulaire de protection comprend une phase de positionnement, autour de l’arbre, d’une poudre destinée à former la peau (4).
  10. Procédé selon l’une quelconque des revendications 7 à 9, dans lequel l’étape de chauffage et mise en pression de l’ensemble (32) est réalisée dans une enceinte dédiée et dans une ambiance neutre.
  11. Procédé selon la revendication 7, dans lequel l’étape de traitement thermique comprend une trempe choisie parmi une trempe au gaz en convection naturelle ou forcée, une trempe à l’eau ou une trempe à l’huile.
  12. Procédé selon la revendication précédente pour la fabrication d’un rotor (1) selon la revendication 5 dans lequel le premier matériau est en acier inoxydable et l’étape de traitement thermique est réalisée jusqu’à ce que le premier matériau devienne martensitique.
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