FR3103329A1 - Actionneur électromécanique à freinage intégré - Google Patents
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Abstract
Moteur électrique (11) comportant un stator (31, 32) comprenant un châssis ferromagnétique pour porter au moins un premier bobinage électromagnétique et un deuxième bobinage électromagnétique, le moteur électrique (11) comprenant également un rotor (33) à aimants permanents monté à rotation autour d’un premier axe (Ox), les bobinages électromagnétiques du stator (31, 32) et les aimants permanents du rotor (33) étant agencés pour réaliser un moteur à flux axial, dans lequel le châssis ferromagnétique est monobloc. FIGURE DE L’ABREGE : Fig. 2
Description
L’invention concerne le domaine des actionneurs électromécaniques et plus particulièrement les actionneurs électromécaniques à freinage intégré.
ARRIERE PLAN DE L’INVENTION
Classiquement, un actionneur électromécanique comprend un moteur électrique pourvu d’un châssis portant un stator et un rotor monté à rotation relativement au stator autour d’un premier axe. Le rotor et/ou le stator comprennent généralement un ou plusieurs bobinages conducteurs électriques reliés à une alimentation électrique variable pour générer un flux magnétique tournant qui met en rotation le rotor. Le rotor et/ou le stator sont feuilletés afin de réduire les pertes électromagnétiques et les tôles de l’un au moins des deux sont découpées pour définir des logements d’accueil pour les bobinages électromagnétiques. Classiquement, les fils des bobinages sont enroulés de manière à générer un flux électromagnétique radial par rapport au premier axe. Lorsqu’un tel actionneur est utilisé comme un actionneur de déploiement d’atterrisseur d’aéronef, il est requis que, en cas de perte d’alimentation électrique, l’atterrisseur descende sous son propre poids mais que la descente de l’atterrisseur soit contrôlée. En effet des niveaux élevés de vitesse de descente en fin de course peuvent provoquer des endommagements des butées de fin de course et même des dommages sur les éléments de structure de l’aéronef. A cette fin, il existe des actionneurs comprenant un dispositif de freinage à manque de courant, généralement sous la forme d’une garniture de friction solidaire du rotor sur laquelle agissent des patins qui sont mis en appui sur la garniture de friction à l’aide de ressorts. Un actionneur séparé est généralement prévu pour retenir les ressorts de manière à ce que ces derniers n’agissent sur les patins qu’en cas de manque de courant. Un tel dispositif de freinage à manque de courant est encombrant, pesant et augmente les coûts de production de l’actionneur électromécanique.
OBJET DE L’INVENTION
L’invention a pour objet de réduire le poids et l’encombrement d’un actionneur électromagnétique freiné.
A cet effet, on prévoit un moteur électrique comportant un stator comprenant un châssis ferromagnétique pour porter au moins un premier bobinage électromagnétique et un deuxième bobinage électromagnétique. Le moteur électrique comprend également un rotor à aimants permanents monté à rotation autour d’un premier axe. Le premier bobinage électromagnétique et le deuxième bobinage électromagnétique du stator et les aimants permanents du rotor sont agencés pour réaliser un moteur à flux axial. Selon l’invention, le châssis ferromagnétique est monobloc.
Au sens de la présente demande un châssis est dit monobloc lorsqu’il est réalisé sous la forme d’une unique pièce dans laquelle la matière est continue.
Un tel moteur électrique, notamment grâce à la structure particulière de son stator, favorise l’apparition et la circulation des courants de Foucault induits et l’apparition d’un couple de freinage sur le rotor lors d’un mouvement entrainé du rotor, y compris en l’absence d’alimentation électrique du stator. On obtient ainsi un moteur électrique qui intègre une fonction de freinage de mouvement à manque de courant avec un faible impact sur le poids et/ou le volume du moteur et une intégration de la fonction simplifiée et plus économique.
La puissance du moteur ainsi que la puissance du freinage par courants de Foucault induits sont améliorés lorsque le moteur comprend un deuxième stator.
La disponibilité (aptitude du moteur à être en état d'accomplir sa fonction dans des conditions données) est améliorée lorsque le premier bobinage électromagnétique comprend un premier enroulement et un deuxième enroulement.
Le freinage par courants de Foucault induits est amélioré lorsque le châssis ferromagnétique est en fer pur ou en acier XC18, ou en acier 13CD4 ou en acier 42CD4.
L’invention s’applique également à un actionneur électromécanique comprenant un arbre de sortie relié au premier rotor d’un premier moteur électrique selon l’invention.
Il est possible de facilement moduler la puissance nominale d’un actionneur électromécanique selon l’invention lorsque l’arbre de sortie est également relié à un deuxième rotor d’un deuxième moteur électrique selon l’invention.
Enfin, l’invention concerne également un aéronef comprenant un actionneur électromécanique selon invention.
D’autres caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront à la lecture de la description qui suit de modes de réalisation particuliers non limitatifs de l’invention.
Il sera fait référence aux figures annexées parmi lesquelles:
- la figure 1 est une vue schématique d’ensemble d’un aéronef pourvu d’un actionneur selon l’invention;
- la figure 2 est une vue de détail schématique en perspective éclatée d’un moteur selon un premier mode de réalisation de l’invention;
- la figure 3 est une vue schématique de détail d’un rotor du moteur de la figure 2 ;
- la figure 4 est une vue schématique de détail d’un châssis d’un stator du moteur de la figure 2 ;
- la figure 5 est une vue schématique de détail partielle d’un stator du moteur de la figure 2 ;
- la figure 6 est une vue schématique en perspective éclatée d’un moteur selon un deuxième mode de réalisation de l’invention.
En référence à la figure 1, l’actionneur électromécanique selon l’invention, généralement désigné en 10, comprend un moteur 11 électrique dont l’arbre de sortie 12 est relié à un pignon 13. Le moteur 11 est commandé par une unité de commande 14 d’un poste de pilotage 15 d’un aéronef 16. Le pignon 13 engrène avec la denture 17 d’un secteur 18 de roue dentée monté sur un pivot 19 de l’aéronef 16. Le secteur 18 est lié en rotation à une première extrémité 21 d’un atterrisseur 20 montée également à rotation sur la structure de l’aéronef 16 autour du pivot 19. L’atterrisseur a une deuxième extrémité 22 qui porte une roue 23.
Une action sur le moteur 11 commandée par l’unité de commande 14 provoque une rotation du pignon 13 et donc du secteur 18 dans un premier sens S1 de déploiement de l’atterrisseur 20 ou dans un deuxième sens S2 de rétraction de l’atterrisseur 20. Un verrou commandable 1 maintient le secteur 18 en position rétractée ou déployée.
En référence à la figure 2, le moteur électrique 11 comprend un carter 30 à l’intérieur duquel sont montés fixes un premier stator 31 et un deuxième stator 32, tous deux de forme sensiblement annulaire. Un rotor 33, lui aussi de forme sensiblement annulaire, est monté mobile en rotation autour d’un premier axe Ox et s’étend entre le premier stator 31 et le deuxième stator 32. Le rotor 33 est solidaire en rotation de l’arbre de sortie 12. Comme visible en figure 3, le rotor 33 est un rotor à aimants permanents comprenant une alternance d’éléments en néodyme 35 s’étendant radialement et dont les polarités alternent.
Le premier stator 31 et le deuxième stator 32 étant, ici, de conception identiques et montés symétriquement l’un par rapport à l’autre, seul le premier stator 31 sera décrit.
Le premier stator 31 comprend un premier châssis 36 ferromagnétique monobloc en acier XC18.
Le premier châssis 36 est de forme annulaire et comprend ici vingt-quatre encoches 37.1 à 37.24 (représentées sur la figure 4) qui s’étendent entre la première face extérieure 38 cylindrique du premier châssis 36 et la première face intérieure 39 cylindrique du premier châssis 36 et qui sont séparés par des dents 40.1 à 40.24.
Comme visible en figure 5, un premier logement 37.1 et un deuxième logement 37.2 adjacents reçoivent un premier bobinage 41 comprenant un premier enroulement 41i inférieur et un deuxième enroulement 41s supérieur qui s’étendent autour d’une première cloison 40.1. Le deuxième logement 37.2 et un troisième logement 37.3 adjacents reçoivent un deuxième bobinage 42 comprenant un troisième enroulement 42i inférieur et un quatrième enroulement 42s supérieur qui s’étendent autour d’une deuxième cloison 40.2. Les autres logements 37.4 à 37.24 reçoivent eux également des enroulements inférieurs ainsi que des enroulements supérieurs.
Chaque enroulement inférieur est respectivement électriquement distinct de l’enroulement supérieur. Les enroulements inférieurs des bobinages 41 à 66 et les enroulements supérieurs des bobinages 41 à 64 sont reliés à l’unité de commande 14.
Les enroulements inférieurs et les enroulements supérieurs du premier stator 31 et du deuxième stator 32 ainsi que les éléments en néodyme 35 du rotor 33 sont agencés pour réaliser un moteur à flux axial.
Lorsqu’il souhaite déployer l’atterrisseur 20, le pilote de l’aéronef 16 envoie un ordre à l’unité de commande 14 qui le convertit en une instruction de pilotage 70 pour alimenter les bobinages 41 à 66 de manière à mettre en rotation le rotor 33 du moteur 11. La rotation du rotor 33 est transmise à l’arbre de sortie 12 de l’actionneur 10 et provoque une rotation – ici dans le premier sens S1 - du secteur 18 et ainsi un déploiement de l’atterrisseur 20. La rétraction de l’atterrisseur 20 se fait en provoquant une rotation du moteur 11 dans le sens inverse pour amener à une rotation du secteur 18 dans le deuxième sens S2.
En cas de coupure de courant ou de perte de contrôle de l’unité de commande 14, il est important que l’atterrisseur 20 puisse passer de sa position rétractée à sa position déployée afin d’assurer la liaison au sol de l’aéronef lors d’un atterrissage. Pour ce faire, et dans cette situation, le pilote commande le déverrouillage du verrou 1. Sous l’effet du poids propre de l’atterrisseur 20, le secteur 18 va pivoter autour du pivot 19 dans le premier sens S1. Ce mouvement va provoquer une rotation du pignon 13 et donc de l’arbre de sortie 12 et du rotor 33. La rotation du rotor 33 face au premier stator 31 et au deuxième stator 32 va provoquer l’apparition de courants de Foucault dans le premier stator 31 et le deuxième stator 32, courants de Foucault qui créent un couple de freinage qui s’oppose à la rotation du rotor 33. La nature monobloc du premier châssis 36 et du châssis du deuxième stator 32 favorise l’apparition et la circulation des courants de Foucault ce qui améliore l’efficacité du freinage du mouvement de déploiement de l’atterrisseur 20.
On obtient alors un actionneur électromécanique 10 pouvant réaliser un freinage du mouvement de son arbre de sortie 12 en cas de perte de courant ou de l’électronique de contrôle. En ne modifiant que la nature du premier stator 31 et du deuxième stator 32 par l’adoption d’une construction monobloc plutôt que feuilletée, la masse et le volume d’un tel actionneur 20 est faiblement supérieure à celle d’un actionneur à stators feuilletés qui serait dépourvu de dispositif de freinage et très inférieure à un actionneur de même puissance qui serait pourvu d’un dispositif de freinage selon l’art antérieur. Les coûts supplémentaires de fabrication du premier stator 31 et du deuxième stator 32 selon l’invention sont faibles en regard des couts supplémentaires qui seraient induits par l’ajout d’un frein à manque de courant.
Les éléments identiques ou analogues à ceux précédemment décrits porteront une référence numérique identique à ces derniers dans la description qui suit du deuxième mode de réalisation de l’invention.
Selon un deuxième mode de réalisation représenté en figure 6, l’actionneur électromécanique 10 comprend un troisième stator 131 et un quatrième stator 132 montés fixes à l’intérieur du carter 30. Le troisième stator 131 est, ici, identique au premier stator 31 et le quatrième stator 132 est, ici, identique au deuxième stator 132. Un deuxième rotor 133, ici identique au rotor 33, s’étend entre le troisième stator 131 et le quatrième stator 132 et est monté mobile en rotation autour de l’axe Ox. Le deuxième rotor 133 est solidaire en rotation de l’arbre de sortie 12.
Le premier stator 31, le deuxième stator 32 et le rotor 33 constituent un premier moteur 11. Le troisième stator 131, le quatrième stator 132 et le deuxième rotor 133 constituent un deuxième moteur 111. Le premier moteur 1 et le deuxième moteur 111 équipent un unique actionneur électromécanique 10. Une telle construction selon laquelle on empile des moteurs selon l’invention pour agir sur un même arbre de sortie permet une conception modulaire d’un actionneur et l’ajustement de sa puissance de sortie de manière très économique.
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,
- bien qu’ici le châssis comprenne vingt-quatre encoches et vingt-quatre dents, l’invention s’applique également à d’autres types de châssis de stator pouvant comprendre plus ou moins de vingt-quatre dents et encoches;
- bien qu’ici l’actionneur soit relié à un secteur denté dont la rotation permet le déploiement ou la rétraction d’un atterrisseur, l’invention s’applique également à l’actionnement d’autres cinématiques de déploiement/rétraction d’atterrisseur, comme par exemple des atterrisseurs coulissant ou pliants;
- bien qu’ici la deuxième extrémité de l’atterrisseur comporte une unique roue, l’invention s’applique également à des atterrisseurs comprenant un ou plusieurs trains de roues;
- bien qu’ici le stator et le rotor soient de forme sensiblement annulaire, l’invention s’applique également à d’autres formes de stator comme par exemple un stator torique, carré ou de forme quelconque;
- bien qu’ici le rotor comprenne des éléments au néodyme, l’invention s’applique également à d’autres types d’aimants permanents comme par exemple des aimants en Ferrite, de type AlNiCo ou Samarium/Cobalt;
- bien qu’ici le premier châssis du premier stator soit en acier XC18, l’invention s’applique également à d’autres types de matériau comme par exemple du fer pur, de l’acier 13CD4, de l’acier 42CD4 ou toute autre nuance qui favorise l’apparition et la circulation en son sein de courants de Foucault induits;
- bien qu’ici le moteur ait été décrit avec deux stators, l’invention s’applique également à un moteur comprenant un unique stator;
- bien qu’ici les bobinages comprennent un enroulement supérieur et un enroulement inférieur, l’invention s’applique également à d’autres configurations de bobinages comme par exemple des bobinages comprenant un unique enroulement ou plus de deux. Les enroulements peuvent se trouver l’un au-dessus de l’autre, être concentriques ou issu de fils torsadés entre eux;
- bien qu’ici le troisième stator et le quatrième stator aient été décrits comme identiques au premier stator, l’invention s’applique également à des troisième stator et quatrième stator différents du premier stator;
- bien qu’ici le premier rotor ait été décrit comme identique au premier rotor, l’invention s’applique également à un deuxième rotor différent du premier rotor;
- bien qu’ici l’actionneur ait été décrit en lien avec le déploiement et la rétraction d’un atterrisseur, l’actionneur selon l’invention s’applique également à l’actionnement de tout élément mobile et notamment des volets, ailerons, élevons, panneaux de soutes, trappes ou autres.
Claims (7)
- Moteur électrique (11) comportant un stator (31, 32, 131, 132) comprenant un châssis ferromagnétique (36) pour porter au moins un premier bobinage électromagnétique (41) et un deuxième bobinage électromagnétique (42), le moteur électrique (11) comprenant également un rotor (33) à aimants permanents (35) monté à rotation autour d’un premier axe (Ox), les bobinages électromagnétiques (41i, 42i) du stator (31, 32) et les aimants permanents (35) du rotor (33) étant agencés pour réaliser un moteur à flux axial, dans lequel le châssis (36) ferromagnétique est monobloc.
- Moteur (11) selon la revendication 1, comprenant un deuxième stator (32, 132).
- Moteur (11) selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le premier bobinage électromagnétique (41) comprend un premier enroulement (41i) et un deuxième enroulement (41s).
- Moteur (11) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le châssis (36) ferromagnétique est en fer pur ou en acier XC18, ou en acier 13CD4 ou en acier 42CD4.
- Actionneur électromécanique (10), comprenant un arbre de sortie (12) relié au premier rotor (33) d’un premier moteur électrique (11) selon l’une quelconque des revendications1 à 4.
- Actionneur électromécanique (10) selon la revendication5, dans lequel l’arbre de sortie (12) est également relié à un deuxième rotor (133) d’un deuxième moteur électrique (111) selon l’une quelconque des revendications1 à 4.
- Aéronef (16) comprenant un actionneur électromécanique (10) selon l’une des revendications 5 ou 6.
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