FR3128077A1

FR3128077A1 - Moteur à commande intégrée avec refroidissement de l’unité électronique

Info

Publication number: FR3128077A1
Application number: FR2110635A
Authority: FR
Inventors: Vincent Hidelot; Abdoulahad THIAM
Original assignee: Safran Electrical and Power SAS
Current assignee: Safran Electrical and Power SAS
Priority date: 2021-10-07
Filing date: 2021-10-07
Publication date: 2023-04-14
Also published as: CN118077124A; WO2023057718A1

Abstract

Moteur à commande intégrée avec refroidissement de l’unité électronique de commande intégré L’invention concerne un moteur à commande intégrée (10) comprenant : une machine électrique (11) dotée d’une partie tournante (aussi nommée rotor) montée sur un arbre de rotation (40),une unité électronique de commande (12) conçue pour piloter la machine électrique (11), un carter (20) comprenant une première cavité (21) dans laquelle est logée la machine électrique (11) et une deuxième cavité (22), adjacente à la première cavité, dans laquelle est logée l’unité électronique de commande (12), la première cavité et la deuxième cavités étant toutes deux traversées par l’arbre de rotation (40),une cloison thermique (30) montée à une jonction entre la première cavité (21) et la deuxième cavité (22), et une pompe centrifuge (100) montée sur l’arbre de rotation (40), à la jonction entre la première cavité (21) et la deuxième cavité (22) du carter, et générant la circulation d’un flux d’air de la deuxième cavité vers la première cavité. Figure à publier avec l’abrégé : Figure 5

Description

Moteur à commande intégrée avec refroidissement de l’unité électronique

DOMAINE TECHNIQUE DE L’INVENTION

La présente invention concerne un moteur à commande intégrée - ou « Smart Motor » en termes anglo-saxons - dans lequel un refroidissement de l’unité électronique de commande est intégré.

L’invention trouve des applications dans les domaines des actionneurs, de la motorisation et de la génération électrique, notamment appliqués à l’aéronautique. Elle trouve, en particulier, des applications dans le domaine des moteurs à commande intégrée, par exemple pour aéronefs.

ARRIERE-PLAN TECHNOLOGIQUE DE L’INVENTION

En aéronautique, comme dans d’autres domaines, il est de plus en plus fréquent d’utiliser des moteurs à commande intégrée (ou smart motors, en termes anglo-saxons) qui ont l’avantage d’intégrer, dans un même carter, à la fois une machine électrique et son unité électronique de commande. La machine électrique, par exemple un moteur ou un générateur, et l’unité électronique de commande, par exemple un module électronique de puissance, sont agencés dans deux cavités distinctes d’un même carter.

La représente une vue en perspective avant (dessin A), une vue en perspective arrière (dessin B) et une vue en coupe transversale (dessin C) d’un moteur à commande intégrée 10. Ce moteur à commande intégrée 10 comporte une machine électrique 11 et une unité électronique de commande 12, toutes deux logées dans un même carter 20. Ce carter 20 comprend deux cavités distinctes : une première cavité 21 dans laquelle est logée la machine électrique 11 et une deuxième cavité 22 dans laquelle est logée l’unité électronique de commande 12, appelée aussi unité de commande.

Si de tels moteurs à commande intégrée présentent des avantages, comme la compacité, ils présentent également l’inconvénient que l’unité de commande 12, sous sa forme classique, supporte mal les températures élevées, c'est-à-dire au-delà de 80 à 90°C. Or, en fonctionnement, les machines électriques génèrent une forte chaleur qui a tendance à faire augmenter la température ambiante, à l’intérieur de la première cavité 21, jusqu’à plus de 160°C. Les première et deuxième cavités étant communicantes, l’air ambiant de la deuxième cavité 22 atteint des températures bien supérieures à ce que peut supporter les composants de l’unité de commande. Ainsi, bien que les machines électriques soient en mesure de supporter des températures pouvant atteindre 160°C, voir 180°C, la température maximale supportée par l’unité de commande limite grandement les applications des moteurs à commande intégrée.

Une des solutions connues pour améliorer la tenue en température de l’unité de commande est de déporter l’unité de commande dans une zone dite fraiche. Cette solution consiste à déporter l’ensemble des composants électroniques formant l’unité de commande et à les relier, par des harnais électriques, à la machine électrique. Cependant, une telle solution n’est pas applicable aux moteurs à commande intégrée car, du fait même de sa déportation, l’unité de commande n’est plus agencée dans le même carter que la machine électrique.

Une autre solution pour limiter la montée en température au sein de l’unité de commande est de surdimensionner la machine électrique de sorte qu’elle puisse fonctionner à des températures plus basses, par exemple de l’ordre de 100 à 110°C, et ne pas chauffer l’unité de commande. Cette solution, qui est largement répandue dans certains domaines comme les domaines de l’industrie et du transport, engendre une augmentation de la masse du moteur à commande intégrée, ce qui est incompatible avec les contraintes aéronautiques qui nécessitent plutôt de diminuer la masse des composants des aéronefs.

Une autre solution encore pour améliorer la tenue en température de l’unité de commande est de sélectionner des composants électroniques dits « hautes températures », qui ont la particularité de résister aux hautes températures. Cependant, cette solution ne peut être appliquée en aéronautique car cette technologie est nouvelle et en plein développement. Elle est donc particulièrement onéreuse et la plupart des composants sont difficilement disponibles voire indisponibles. De plus, quand ils existent, ces composants dits hautes températures ont souvent un faible niveau de fiabilité.

Une dernière solution pour améliorer la tenue en température de l’unité de commande consiste à intégrer un refroidissement dédié, dans le moteur à commande intégrée. Ce refroidissement, par exemple sous la forme d’un circuit de fluide (par exemple de l’air ou un liquide), est intégré à l’intérieur du carter pour refroidir non seulement les composants de l’unité de commande mais également la machine électrique. Ce refroidissement par fluide est souvent associé à une isolation thermique installée entre la machine électrique et l’unité de commande, par exemple à la jonction entre la première cavité abritant la machine électrique et la deuxième cavité abritant l’unité de commande. Cette isolation thermique se présente généralement sous la forme d’une ou plusieurs cloisons thermiques, référencée(s) 30 sur la , montée entre les deux cavités 21, 22 pour que l’unité de commande 12 refroidie par le flux de fluide ne se réchauffe pas au contact de l’air chaud ambiant de la première cavité.

Dans un moteur à commande intégrée, comme celui représenté en , la machine électrique 11 intègre un arbre de rotation 40 qui traverse le carter 20 de part en part. En effet, afin de réduire les efforts sur les paliers de l’arbre de rotation, il peut être choisi d’utiliser un arbre dit « traversant », c'est-à-dire un arbre de rotation 40 qui traverse non seulement la première cavité 21 mais également la deuxième cavité 22 et l’unité de commande 12. Il a été montré que, dans une telle configuration où l’arbre de rotation 40 traverse les deux cavités 21, 22, il existe un réel avantage à monter une simple ou une double cloison thermique. Afin d’éviter les frottements entre l’arbre de rotation et la/les cloisons thermiques (et ainsi éviter les arrachements de matière, gérer les vibrations de l’arbre, etc.), il existe généralement un jeu, entre la/les cloisons thermiques 30 (qui sont statiques) et l’arbre de rotation 40. Ce jeu engendre nécessairement des fuites d’air chaud de la première cavité 21 vers la deuxième cavité 22.

Pour limiter le passage de l’air chaud provenant de la machine électrique 11 vers l’unité de commande 12, il a été envisagé de réduire le jeu autour de l’arbre de rotation 40 ou d’installer des chicanes tout autour dudit arbre de rotation 40. Un exemple de chicanes de retenue d’air est représenté sur la par la référence 50. Cependant, la réduction du jeu et/ou l’installation de chicanes ne permet pas d’empêcher totalement la fuite d’air chaud de la première cavité 21 vers la deuxième cavité 22.

Pour limiter le passage de l’air chaud provenant de la machine électrique 11 vers l’unité de commande 12, il a également été envisagé de poser un joint tournant, appelé aussi joint dynamique, autour de l’arbre de rotation 40. Un exemple d’un tel joint dynamique est représenté par la référence 60 sur la . Un tel joint dynamique entraîne cependant les conséquences suivantes :

L’usure du joint tournant 60 doit être prise en compte à travers un programme de maintenance du moteur à commande intégrée, ce qui est relativement contraignant ;
Afin de réduire l’usure du joint, il est possible de réduire la pression de frottement. Dans ce cas, la pression de contact entre le joint tournant 60 et l’arbre de rotation 40 est faible, le joint ne freine pas l’arbre de rotation mais il ne sera étanche qu’avec une faible différence de pression entre les cavités. Suivant les conditions de fonctionnement, l’échauffement rapide de la machine électrique 11 entraîne une surpression dans la première cavité 21 par rapport à la deuxième cavité 22, générant une fuite d’air chaud vers ladite deuxième cavité ;
Afin d’augmenter l’étanchéité, il est possible d’augmenter la pression de frottement. Dans ce cas, la pression de contact entre le joint tournant 60 et l’arbre de rotation 40 est plus élevée, le joint freine l’arbre de rotation réduisant le rendement global du moteur à commande intégrée. De plus, en augmentant, le frottement génère de la chaleur, ce qui réchauffe l’air ambiant dans la deuxième cavité.

Il existe donc un réel besoin d’un dispositif permettant d’améliorer la tenue en température de l’unité de commande en empêchant l’air chaud de passer de la première cavité à la deuxième cavité tout en gérant un jeu autour de l’arbre de rotation.

Pour répondre aux problèmes évoqués ci-dessus de fuite de l’air chaud par le jeu autour de l’arbre de rotation, le demandeur propose un moteur à commande intégrée dans lequel une pompe centrifuge est montée sur l’arbre de rotation pour générer la circulation d’un flux d’air de la deuxième cavité vers la première cavité.

Selon un premier aspect, l’invention concerne un moteur à commande intégrée comprenant :

une machine électrique dotée au moins d’une partie tournante (aussi nommée rotor) montée sur un arbre de rotation,
une unité électronique de commande configurée pour piloter la machine électrique,
un carter comprenant une première cavité dans laquelle est logée la machine électrique et une deuxième cavité, adjacente à la première cavité, dans laquelle est logée l’unité électronique de commande, la première cavité et la deuxième cavité étant toutes deux traversées par l’arbre de rotation,
au moins une cloison thermique montée à une jonction entre la première cavité et la deuxième cavité, et
une pompe centrifuge montée sur l’arbre de rotation, à la jonction entre la première cavité et la deuxième cavité du carter, et générant la circulation d’un flux d’air de la deuxième cavité vers la première cavité du carter.

La circulation d’un flux d’air de la deuxième cavité vers la première cavité permet de contrer les fuites d’air chaud de la première cavité vers la deuxième cavité via le jeu autour de l’arbre de rotation. Elle permet également la circulation de l’air ambiant de la deuxième cavité dans la première cavité où l’air ambiant est à une température plus élevée, ce qui permet de refroidir l’air ambiant de la deuxième cavité.

Outre les caractéristiques qui viennent d’être évoquées dans le paragraphe précédent, le moteur à commande intégrée selon un aspect de l’invention peut présenter une ou plusieurs caractéristiques complémentaires parmi les suivantes, considérées individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles :

la pompe centrifuge comprend une pluralité d’aubes rotatives montées en couronne sur un cylindre solidaire de l’arbre de rotation, les aubes rotatives générant, en rotation, une différence de pression entre la première cavité et la deuxième cavité.
le cylindre de la pompe centrifuge comporte, à une extrémité, un épaulement assurant une dérivation du flux d’air loin de l’arbre de rotation.
l’épaulement est sensiblement parallèle à cette cloison thermique de sorte que ladite cloison thermique canalise le flux d’air.
les aubes comprennent chacune une forme coudée avec une surface convexe solidaire du cylindre.
les aubes sont inclinées ou cambrées, avec une forme adaptée au besoin de circulation d’air, chaque aube comprenant une surface latérale en biais par rapport à un plan perpendiculaire à un plan tangentiel au cylindre de la pompe centrifuge.
les aubes sont planes, chaque aube comprenant une surface latérale contenue dans un plan perpendiculaire à un plan tangentiel au cylindre de la pompe centrifuge.
le carter comporte des orifices de drainage assurant une circulation du flux d’air au sein dudit carter.
au moins un orifice de drainage est localisé dans une première paroi externe de la deuxième cavité et au moins un orifice de drainage est localisé dans une enveloppe circulaire du carter, à la périphérie de la première cavité.

BREVE DESCRIPTION DES FIGURES

D’autres avantages et caractéristiques de l’invention apparaîtront à la lecture de la description qui suit, illustrée par les figures dans lesquelles :

La , déjà décrite, représente une vue en perspective avant (dessin A), une vue en perspective arrière (dessin B) et une vue en coupe transversale (dessin C) d’un moteur à commande intégrée selon l’état de la technique ;

La , déjà décrite, représente une vue en coupe transversale d’un moteur à commande intégrée équipé d’un dispositif selon l’état de la technique pour empêcher les fuites d’air chaud via le jeu autour de l’arbre de rotation ;

La , déjà décrite, représente une vue en coupe transversale d’un moteur à commande intégrée équipé d’un autre dispositif selon l’état de la technique pour empêcher les fuites d’air chaud via le jeu autour de l’arbre de rotation ;

La représente une vue schématique en perspective d’un exemple de pompe centrifuge selon l’invention monté sur un arbre de rotation d’un moteur à commande intégrée ;

La représente une vue schématique en coupe partielle de la pompe centrifuge de la montée à la jonction de la première cavité et de la deuxième cavité ;

La représente une vue schématique en coupe transversale d’un moteur à commande intégrée équipé de la pompe centrifuge de la ;

La représente les vues de la pompe centrifuge des figures 4 et 5 sur lesquelles est schématisée la circulation du flux d’air généré par la pompe centrifuge ;

La représente schématiquement une vue de côté d’un exemple d’aube de la pompe centrifuge de la ; et

La représente une vue en coupe transversale partielle d’un moteur à commande intégrée selon un mode de réalisation de l’invention.

Claims

Moteur à commande intégrée (10) comprenant :
une machine électrique (11) dotée au moins d’une partie tournante montée sur un arbre de rotation (40),

une unité électronique de commande (12) configurée pour piloter la machine électrique (11),

un carter (20) comprenant une première cavité (21) dans laquelle est logée la machine électrique (11) et une deuxième cavité (22), adjacente à la première cavité, dans laquelle est logée l’unité électronique de commande (12), la première et la deuxième cavités étant toutes deux traversées par l’arbre de rotation (40),

au moins une cloison thermique (30) montée à une jonction entre la première cavité (21) et la deuxième cavité (22),
caractérisé en ce qu’il comporte, de plus, une pompe centrifuge (100) montée sur l’arbre de rotation (40), à la jonction entre la première cavité (21) et la deuxième cavité (22) du carter, et générant la circulation d’un flux d’air de la deuxième cavité vers la première cavité du carter.
Moteur à commande intégrée selon la revendication 1, caractérisé en ce que la pompe centrifuge (100) comprend une pluralité d’aubes rotatives (120) montées en couronne sur un cylindre (110) solidaire de l’arbre de rotation (40), les aubes rotatives (120) générant, en rotation, une différence de pression entre la première cavité (21) et la deuxième cavité (22).
Moteur à commande intégrée selon la revendication 2, caractérisé en ce que le cylindre (110) de la pompe centrifuge (100) comporte, à une extrémité, un épaulement (130) assurant une dérivation du flux d’air centrifuge (loin de l’arbre de rotation).
Moteur à commande intégrée selon la revendication 3, caractérisé en ce que l’épaulement (130) est sensiblement parallèle à la cloison thermique (30) de sorte que ladite cloison thermique canalise le flux d’air.
Moteur à commande intégrée selon l’une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que les aubes rotatives (120) comprennent chacune une forme coudée avec une surface convexe (124) solidaire du cylindre (110).
Moteur à commande intégrée selon l’une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisé en ce que les aubes rotatives (120) sont inclinées ou cambrées, avec une forme adaptée au besoin de circulation d’air, chaque aube rotative comprenant une surface latérale (126) en biais par rapport à un plan perpendiculaire à un plan tangentiel au cylindre (110) de la pompe centrifuge.
Moteur à commande intégrée selon l’une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisé en ce que les aubes rotatives (120) sont planes, chaque aube rotative comprenant une surface latérale (126) contenue dans un plan perpendiculaire à un plan tangentiel au cylindre (110) de la pompe centrifuge.
Moteur à commande intégrée selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le carter (20) comporte des orifices de drainage (200) assurant une circulation du flux d’air au sein dudit carter.
Moteur à commande intégrée selon la revendication 8, caractérisé en ce que au moins un orifice de drainage (210) est localisé dans une première paroi externe (23) de la deuxième cavité (22) et au moins un orifice de drainage (220) est localisé dans une enveloppe circulaire (25) du carter, à la périphérie de la première cavité (21).