FR3152002A1

FR3152002A1 - Dispositif de freinage magnétique à courant de foucault, roue freinée de véhicule et atterrisseur d’aéronef équipé d’une telle roue

Info

Publication number: FR3152002A1
Application number: FR2308613A
Authority: FR
Inventors: Roshan ANTON ROSAIRO; Denilson Chumbo POPO
Original assignee: Safran Landing Systems SAS
Current assignee: Safran Landing Systems SAS
Priority date: 2023-08-09
Filing date: 2023-08-09
Publication date: 2025-02-14
Also published as: WO2025032199A1

Abstract

Dispositif de freinage magnétique (1) à courant de Foucault, comprenant deux stators externes (2.1) encadrant un stator central (2.2) et deux rotors (3) en matériau électriquement conducteur. Chaque stator externe a une surface en regard d’une surface d’un des rotors et portant une pluralité d’aimants permanents (11, 13) ayant un vecteur de magnétisation normal à ladite surface pour émettre via ladite surface un premier flux magnétique apte à engendrer dans les rotors des courants de Foucault. Le stator central comprend des électroaimants (21) qui ont un vecteur de magnétisation parallèle à ceux des aimants permanents et qui sont reliés à une source d’alimentation pilotée (22) pour produire un deuxième flux magnétique soit s’opposant au premier flux magnétique soit renforçant le premier flux magnétique. Roue de véhicule, atterrisseur d’aéronef et aéronef comportant un tel dispositif. FIGURE DE L’ABREGE: Fig. 3

Description

Dispositif de freinage magnétique à courant de foucault, roue freinée de véhicule et atterrisseur d’aéronef équipé d’une telle roue

La présente invention concerne le domaine du freinage des roues de véhicule telles que les roues d’aéronef.

ARRIERE PLAN DE L’INVENTION

Une roue d’aéronef comprend généralement une jante reliée par un voile à un moyeu monté pour tourner sur un arbre (essieu ou fusée) support de roue.

Il est connu des dispositifs de freinage par friction comprenant une pile de disques de freinage qui est logée dans un espace s’étendant entre la jante et le moyeu et qui comprend une alternance de disques rotoriques liés en rotation avec la roue et de disques statoriques fixes par rapport au support de roue. Le dispositif de freinage comprend également des actionneurs hydrauliques ou électromécaniques montés sur un porte-actionneurs et agencés pour appliquer un effort de freinage commandé sur la pile de disques de manière à freiner la rotation de la roue.

Il a été proposé, notamment dans le document FR-A-2953196, d’équiper de telles roues freinées d’un frein auxiliaire électromagnétique assurant une dissipation d'énergie par d'autres moyens que la friction mécanique.

Sont en outre connus des dispositifs de freinage magnétique à courant de Foucault (dénommé « Eddy current » en anglais) utilisés pour le freinage de roues de véhicules et plus particulièrement de roues d’aéronef. Le document W0-A-2014/029962 décrit un tel dispositif comprenant un rotor monté en regard d’un stator électromagnétique.

Le document US-A-20200300310 décrit lui aussi un dispositif de freinage magnétique à courant de Foucault.

D’une manière générale, les performances d’un dispositif de freinage magnétique à courant de Foucault dépendent de la puissance des aimants utilisés et de leurs dimensions. Le dispositif de freinage est donc relativement lourd et encombrant lorsque la puissance maximale de freinage requise est importante. Tel est le cas par exemple d’une utilisation sur avion, alors même que la masse et l’encombrement sont des contraintes sévères pour cette utilisation.

OBJET DE L’INVENTION

L’invention a notamment pour but de proposer un dispositif de freinage magnétique à courant de Foucault remédiant au moins en partie aux inconvénients précités.

A cet effet, on prévoit, selon l’invention, un dispositif de freinage magnétique à courant de Foucault comprenant deux stators externes encadrant un stator central et deux rotors en matériau électriquement conducteur. Chaque stator externe a une surface en regard d’une surface d’un des rotors et porte une pluralité d’aimants permanents ayant un vecteur de magnétisation normal à ladite surface pour émettre via ladite surface un premier flux magnétique apte à engendrer dans les rotors des courants de Foucault. Le stator central comprend des électroaimants qui ont un vecteur de magnétisation parallèle à ceux des aimants permanents et qui sont reliés à une source d’alimentation pilotée pour produire un deuxième flux magnétique soit s’opposant au premier flux magnétique soit renforçant le premier flux magnétique.

Cet agencement permet de disposer d’un flux magnétique important produit par les aimants permanents des stators externes pour un encombrement et une masse inférieurs à ceux d’électroaimants de puissance comparable et de moduler ce flux magnétique en pilotant l’alimentation des électroaimants du stator central qui vont soit renforcer le flux magnétique produit par les aimants permanents soit au contraire atténuer voire annuler celui-ci. Cet agencement permet donc de bénéficier d’un couple de freinage important et modulable tout en conservant une masse et un encombrement acceptables notamment pour les applications aéronautiques. Cet agencement autorise également une meilleure gestion thermique et une modulation du couple de freinage sans recourir, ou avec un recours limité, à un actionnement mécanique. L’intégration du frein dans la roue est donc facilitée.

Selon des caractéristiques optionnelles, utilisées individuellement ou tout ou partie en combinaison :

les stators et les rotors ont une forme de disque et ont des axes centraux colinéaires ;
la pluralité d’aimants comprend des premiers aimants et des deuxièmes aimants disposés en alternance, les premiers aimants produisant le premier flux magnétique et chacun des deuxièmes aimants ayant un vecteur de magnétisation sensiblement perpendiculaire aux vecteurs de magnétisation des premiers aimants entre lesquels il se trouve ; et les aimants ont des largeurs telles que les premiers aimants sont espacés deux à deux d’une première distance inférieure à une deuxième distance séparant deux à deux les deuxièmes aimants ;
la largeur des deuxièmes aimants est 70% environ celle des premiers aimants ;
les aimants sont disposés selon un motif de Halbach.

L’invention concerne également une roue freinée équipée d’un tel dispositif et un atterrisseur d’aéronef équipé d’une telle roue.

D’autres caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront à la lecture de la description qui suit de modes de réalisation particuliers et non limitatifs de l’invention.

Il sera fait référence aux dessins annexés, parmi lesquels :

FIG. 1laFIG. 1est une vue schématique partielle d’un aéronef équipé d’atterrisseur selon l’invention ;

FIG. 2laFIG. 2est une vue partielle d’une roue selon l’invention, en demi-coupe axiale ;

FIG. 3laFIG. 3est une vue schématique agrandie d’une partie du dispositif de freinage selon l’invention intégré dans cette roue ;

FIG. 4laFIG. 4est une vue en perspective de ce dispositif de freinage ;

FIG. 5laFIG. 5est une vue en perspective du dispositif de freinage engagé dans la roue selon l’invention ;

FIG. 6laFIG. 6est une vue en perspective des stators du dispositif de freinage selon l’invention ;

FIG. 7laFIG. 7est une vue de côté des stators du dispositif de freinage selon l’invention ;

FIG. 8laFIG. 8est une représentation des pôles des aimants et électroaimants illustrant deux modes d’alimentation des électroaimants du dispositif de freinage selon l’invention.

DESCRIPTION DETAILLEE DE L’INVENTION

En référence aux figures 1 et 2, le système de freinage selon l’invention est porté par un aéronef 100 comportant des atterrisseurs 101. Chaque atterrisseur 101 comporte une jambe ayant une extrémité pourvue de deux arbres 102 coaxiaux sur chacun desquels est montée pour pivoter une roue 103. Chaque roue 103 comporte de façon connue en soi un moyeu 104 monté pour pivoter sur l’arbre 102 et une jante 105 reliée au moyeu 104 par un voile 106.

Selon l’invention, les roues 103 sont équipées d'un dispositif de freinage magnétique, généralement désigné en 1, logé dans un espace annulaire 107 défini entre le moyeu 104 et la jante 105.

En référence également à laFIG. 3, le dispositif de freinage magnétique 1 comprend trois éléments fixes, à savoir deux stators externes 2.1 et un stator central 2.2, et deux éléments mobiles, ou rotors 3. Les stators 2.1, 2.2 et les rotors 3 sont en forme de disques, coaxiaux à la roue 103, ayant donc des axes centraux colinéaires.

Plus précisément ici, le stator central 2.2 est disposé entre les stators externes 2.1 ; chaque rotor 3 est disposé entre un des stators externes 2.1 et le stator central 2.2 de sorte que chaque rotor 3 a des faces principales pour l’une en regard d’une face principale d’un des stators externes 2.1 et pour l’autre en regard d’une des faces principales du stator central 2.2. Les faces principales de chaque rotor 3 sont parallèles aux faces principales des stators 2.1, 2.2 qui l’encadrent et sont séparées de celles-ci par un entrefer.

Les stators 2.1, 2.2 sont liés en rotation à l’arbre 102 ou à la jambe de l’atterrisseur 101, ici par l’intermédiaire d’un tube de torsion 4, tandis que les rotors 3 sont liés en rotation à la roue 103, ici à la jante 105 de la roue 103 par l’intermédiaire d’encoches périphériques engagées sur des barrettes 5 fixées à la jante 105. Ainsi, chaque rotor 3 tourne sur lui-même autour de son axe central par rapport aux stators 2.1, 2.2 qui l’encadrent : pendant ce déplacement du rotor 3 selon une direction circonférentielle, les faces principales du rotor 3 restent en regard des faces principales des stators 2.1, 2.2 qui l’encadrent et parallèles à celles-ci.

Les rotors 3 sont en cuivre ou en tout autre matériau électriquement conducteur. Ils sont maintenus espacés les uns des autres par des blocs centraux 6c en arc de cercle opposés chacun à deux blocs externes 6e en arc de cercle s’étendant en regard du pourtour externe de chaque rotor 3 entre deux encoches. Chaque triplet de blocs 6c, 6e sont fixés par deux boulons 7 s’étendant axialement et traversant lesdits blocs 6c, 6e. On comprend que deux triplets adjacents de blocs 6c, 6e définissent entre eux une encoche recevant une des barrettes 5. Les blocs 6c, 6e sont donc en contact avec les barrettes 5 sur toute leur longueur et de la sorte participent à l’évacuation par conduction de la chaleur produite dans les rotors 3 par la circulation des courants de Foucault et assurent également la transmission du couple entre les rotors 3 et la jante 105. Les blocs 6c, 6e sont par exemple en carbone qui est avantageux pour sa conductivité thermique et également pour sa faible masse volumique.

En référence aux figures 6 et 7 également, chaque stator externe 2.1 comporte une pluralité d’aimants permanents aptes à engendrer des courants de Foucault dans le rotor 3 lorsque le rotor 3 pivote en face du stator externe 2.1. Les aimants, ici à base de terres rares, sont par exemple au nombre de 24 et sont de préférence fixés sur un support en acier magnétique, voire sur un support non magnétique.

La pluralité d’aimants permanents comprend des premiers aimants 11, 13 ayant un premier vecteur de magnétisation sensiblement perpendiculaire à la face principale du stator externe 2.1 et étant séparés deux à deux par un deuxième aimant 12, 14 ayant un deuxième vecteur de magnétisation sensiblement perpendiculaire aux premiers vecteurs de magnétisation des deux premiers aimants 11, 13 entre lesquels se trouve le deuxième aimant 12, 14. On rappelle que le vecteur de magnétisation indique la direction du champ magnétique engendré par un aimant et s’étend dans l’aimant du pôle Sud au pôle Nord. Plus précisément, les aimants 11, 12, 13, 14 ont des formes de secteurs angulaires et ont une longueur mesurée selon une direction radiale du stator et une largeur moyenne mesurée selon une direction localement tangentielle des disques (c’est-à-dire perpendiculairement à la direction de la longueur) à moitié de ladite longueur. Les longueurs et largeurs sont mesurées selon des directions localement parallèles aux surfaces en regard (les faces principales).

Les aimants 11, 12, 13, 14 sont disposés selon un motif de Halbach, en alternance selon la direction circonférentielle du stator comme suit : un aimant 11, un aimant 12, un aimant 13, un aimant 14, un aimant 11, un aimant 12, un aimant 13, un aimant 14 et ainsi de suite…

En l’occurrence, pour le stator externe 2.1 adjacent au voile 106 :

chaque aimant 11 a son vecteur de magnétisation qui sort de la face principale du stator externe 2.1 (son pôle Nord débouche sur la face principale du stator externe 2.1 vers le rotor 3),
chaque aimant 12 a son vecteur de magnétisation qui s’étend depuis l’aimant 11 voisin vers l’aimant 13 voisin,
chaque aimant 13 a son vecteur de magnétisation qui rentre dans la face principale du stator externe 2.1 (son pôle Sud débouche sur la face principale du stator externe 2.1 vers le rotor 3),
chaque aimant 14 a son vecteur de magnétisation qui s’étend depuis l’aimant 11 voisin vers l’aimant 13 voisin.

Pour le stator externe 2.1 opposé au voile 106 :

chaque aimant 11 a son vecteur de magnétisation qui rentre dans la face principale du stator externe 2.1 (son pôle Sud débouche sur la face principale du stator externe 2.1 vers le rotor 3),
chaque aimant 12 a son vecteur de magnétisation qui s’étend depuis l’aimant 11 voisin vers l’aimant 13 voisin,
chaque aimant 13 a son vecteur de magnétisation qui sort de la face principale du stator externe 2.1 (son pôle Nord débouche sur la face principale du stator externe 2.1 vers le rotor 3),
chaque aimant 14 a son vecteur de magnétisation qui s’étend depuis l’aimant 11 voisin vers l’aimant 13 voisin.

On comprend que les aimants 12, 14 disposés de chaque côté d’un même aimant 11 ont leur vecteur de magnétisation orientés dans des sens opposés.

Chaque aimant 11 d’un des deux stators externes 2.1 fait face à un des aimants 11 de l’autre des deux stators externes 2.1 et chaque aimant 13 d’un des deux stators externes 2.1 fait face à un des aimants 13 de l’autre des deux stators externes 2.1.

Selon une version avantageuse de l’invention, les aimants 11, 12, 13, 14 ont des largeurs telles que les premiers aimants 11, 13 sont espacés deux à deux d’une première distance (égale à la largeur des deuxièmes aimants 12, 14) inférieure à une deuxième distance (égale à la largeur des premiers aimants 11, 13) séparant deux à deux les deuxièmes aimants 12, 14. Les meilleurs résultats sont obtenus lorsque la largeur des deuxièmes aimants 12, 14 est 70% environ celles des premiers aimants 11, 13.

Les longueurs des aimants 11, 12, 13, 14 sont ici identiques les unes aux autres. En variante, les longueurs des premiers aimants 11, 13 sont identiques les unes aux autres et les longueurs des deuxièmes aimants 12, 14 sont identiques les unes aux autres. Les longueurs des premiers aimants 11, 13 sont supérieures aux longueurs des deuxièmes aimants 12, 14. De préférence, la longueur des deuxièmes aimants 12, 14 est 70% environ celles des premiers aimants 11, 13.

On comprend que, les aimants 12, 14 occupent sur la face principale de chaque stator externe 2.1 une surface moindre que celle des aimants 11, 13.

L’agencement des aimants 11, 12, 13, 14 permet d’optimiser et de concentrer le flux magnétique produit par les premiers aimants 11, 13 en réduisant le chemin de retour du flux magnétique qui passe par les deuxièmes aimants 12, 14 et non par leur support dont la masse peut être réduite puisqu’il n’a pas besoin d’assurer une fonction de conduction du flux magnétique. Ceci permet une augmentation du couple de freinage fourni tout en limitant la masse et l’encombrement du dispositif.

Le stator central 2.2 porte des électroaimants 21 disposés chacun entre l’un des premiers aimants 11, 13 de l’un des stators externes 2.1 et l’un des premiers aimants 11, 13 de l’autre des stators externes 2.1. Il y a un électroaimant 21 pour chaque paire de premiers aimants 11, 13 en regard, soit douze électroaimants 21. Chaque électroaimant 21 est disposé entre les deux premiers aimants en regard pour avoir une bobine ayant un axe d’enroulement parallèle aux vecteurs de magnétisation des premiers aimants 11, 13 de telle manière que chaque électroaimant 21 a son vecteur de magnétisation parallèle aux vecteurs de magnétisation des premiers aimants 11, 13. Chaque bobine est reliée à une source d’alimentation pilotée 22 permettant de faire circuler dans ladite bobine un courant électrique soit dans un premier sens soit dans un deuxième sens opposé au premier sens de sorte que :

dans le premier sens, l’électroaimant 21 engendre un flux magnétique dans le même sens que ceux produits par les premiers aimants 11, 13 qui l’entourent (FIG. 8en haut) ;
dans le deuxième sens, l’électroaimant 21 engendre un flux magnétique dans un sens opposé à ceux produits par les premiers aimants 11, 13 qui l’entourent (FIG. 8en bas).

On comprend que :

dans le premier sens, le flux magnétique produit par l’électroaimant 21 renforce les flux magnétiques produits par les premiers aimants 11, 13 qui l’entourent engendrant un maximum de courants de Foucault dans chaque rotor 3 (FIG. 8en haut) ;
dans le deuxième sens, le flux magnétique produit par l’électroaimant 21 atténue voire annule les flux magnétiques produits par les premiers aimants 11, 13 qui l’entourent de sorte que les courants de Foucault circulant dans les rotors 3 sont plus faibles voire quasi nuls (FIG. 8en bas).

La source d’alimentation pilotée 22 est commandable par le pilote de l’aéronef qui peut modifier le sens du courant d’alimentation des bobines des électroaimants 21 mais également l’intensité du courant d’alimentation des bobines des électroaimants 21. Il est donc possible de moduler le flux magnétique produit par chaque triplet magnétique formé par chaque électroaimant 21 et les premiers aimants 11, 13 en regard de celui-ci.

De préférence, chaque rotor 3 a une épaisseur telle qu’un effet de peau (autrement appelé effet pelliculaire ou effet Kelvin) soit engendré depuis chaque face du rotor 3 sur plus de la moitié de l’épaisseur du rotor 3 au moins sur une plage de vitesses relatives possibles du rotor 3 par rapport aux stators 2.1, 2.2. Les courants de Foucault engendrés depuis les deux faces vont alors circuler dans la partie centrale de chaque rotor 3, ce qui va augmenter le couple de freinage. On obtient ainsi une « superposition des effets de peau », l’épaisseur du rotor 3 étant suffisamment faible pour obtenir cet effet tout en satisfaisant les contraintes thermiques et mécaniques.

On comprend que pour provoquer le freinage, la source d’alimentation pilotée 22 est commandée par le pilote pour faire circuler le courant dans les bobines selon le premier sens et que, pour interrompre le freinage, la source d’alimentation pilotée 22 est commandée par le pilote pour faire circuler le courant dans les bobines selon le deuxième sens. On notera qu’en dessous d’une certaine vitesse de rotation des rotors 3, le couple de freinage est négligeable quelle que soit l’alimentation des électroaimants 21. Il faudra alors éventuellement envisager un frein additionnel servant aussi de frein de parc.

Bien entendu, l’invention n’est pas limitée aux modes de réalisation décrits mais englobe toute variante entrant dans le champ de l’invention telle que définie par les revendications.

En particulier, le dispositif peut avoir une structure différente de celle décrite.

La forme, l’agencement et les dimensions des aimants peuvent être différents de ceux décrits. Par exemple, les aimants 11, 12, 13, 14 ont tous les mêmes dimensions. De préférence, les premiers aimants 11, 13 représenteront 70% environ de la surface de l’élément qui les porte mais ce n’est pas obligatoire. De même, les aimants 11, 12, 13, 14 sont disposés selon un motif de Halbach mais ce n’est pas obligatoire.

Le nombre de rotors et/ou le nombre de stators peuvent être différents de ceux mentionnés.

Le dispositif décrit est à flux axial mais l’invention est applicable à un fonctionnement à flux radial (avec des tambours tubulaires au lieu de disques) ou un fonctionnement combinant un flux axial et un flux radial.

Les blocs 6c, 6e sont en matériau apte à permettre aux blocs d’assurer une évacuation de chaleur par conduction, des rotors 3 vers les barrettes 5, et/ou une transmission de couple entre les barrettes et les rotors. Les blocs 6c, 6e peuvent être en tout matériau adapté et par exemple en métal comme le cuivre.

Bien que chaque triplet de blocs 6c, 6e soit fixé par deux boulons 7, il peut être fixé par tout autre moyen.

Le dispositif de freinage magnétique selon l’invention peut être associé à un dispositif de freinage à friction classique qui comprend des organes de friction, par exemple une pile de disques de carbone, et une pluralité d’actionneurs électromécaniques portés par un porte-actionneurs. Chaque actionneur électromécanique comprend un moteur électrique et un poussoir apte à être déplacé par le moteur électrique pour presser la pile de disques. L’actionneur électromécanique est ainsi destiné à produire un effort de freinage commandé sur la pile de disques. Un mode de pilotage des dispositifs de freinage est par exemple connu du document FR-A-2953196.

L’invention est utilisable sur tout type de véhicule, par exemple des véhicules aériens, terrestres ou amphibies, ou tout équipement mobile industriel ou de transport nécessitant un freinage.

Claims

Dispositif de freinage magnétique (1) à courant de Foucault, comprenant deux stators externes (2.1) encadrant un stator central (2.2) et deux rotors (3) en matériau électriquement conducteur, chaque stator externe ayant une surface en regard d’une surface d’un des rotors et portant une pluralité d’aimants permanents (11, 13) ayant un vecteur de magnétisation normal à ladite surface pour émettre via ladite surface un premier flux magnétique apte à engendrer dans les rotors des courants de Foucault, le stator central comprenant des électroaimants (21) qui ont un vecteur de magnétisation parallèle à ceux des aimants permanents et qui sont reliés à une source d’alimentation pilotée (22) pour produire un deuxième flux magnétique soit s’opposant au premier flux magnétique soit renforçant le premier flux magnétique.
Dispositif selon la revendication 1, dans lequel les stators (2.1, 2.2) et les rotors (3) ont une forme de disque et ont des axes centraux colinéaires.
Dispositif selon la revendication 1, dans lequel la pluralité d’aimants comprend des premiers aimants (11, 13) et des deuxièmes aimants (12, 14) disposés en alternance, les premiers aimants (11, 13) produisant le premier flux magnétique et chacun des deuxièmes aimants (12, 14) ayant un vecteur de magnétisation sensiblement perpendiculaire aux vecteurs de magnétisation des premiers aimants entre lesquels il se trouve ; et les aimants (11, 12, 13, 14) ont des largeurs telles que les premiers aimants (11, 13) sont espacés deux à deux d’une première distance inférieure à une deuxième distance séparant deux à deux les deuxièmes aimants (12, 14).
Dispositif selon la revendication 3, dans lequel la largeur des deuxièmes aimants (12, 14) est 70% environ celle des premiers aimants (11, 13).
Dispositif selon la revendication 3 ou 4, dans lequel les aimants (11, 12, 13, 14) sont disposés selon un motif de Halbach.
Roue (103) freinée de véhicule comportant un dispositif de freinage (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, comportant une jante (105), un voile (106) ou un moyeu (104) auquel l’élément mobile (3) du dispositif de freinage (1) est lié en rotation.
Roue selon la revendication 6, dans laquelle des blocs (6c, 6e) sont fixés à un pourtour externe des rotors (3) pour prendre appui contre des barrettes (5) solidaires de la jante (105).
Roue selon la revendication 7, dans laquelle les blocs (6c, 6e) sont en matériau apte à permettre aux blocs d’assurer une évacuation de chaleur par conduction, des rotors (3) vers les barrettes (5), et/ou une transmission de couple entre les barrettes et les rotors.
Atterrisseur (101) comprenant une jambe ayant une extrémité portant un arbre (102) sur lequel est monté le moyeu (104) d’une roue (103) selon l’une quelconque des revendications 6 à 8, les stators (2.1, 2.2) du dispositif de freinage (1) étant liés en rotation à la jambe.
Aéronef (100) comprenant un atterrisseur (101) selon la revendication 9.