Note: Descriptions are shown in the official language in which they were submitted.
WO 2011/064377 PCT/EP2010/068454
-1 -
Transformateur tournant à installation facilitée.
DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION
La présente invention a pour objet un transformateur tournant à
installation facilitée. Elle concerne essentiellement les transformateurs
tournants de type monophasés, utilisés pour réaliser un transfert de
puissance électrique entre un élément fixe et un élément en mouvement,
typiquement en mouvement de rotation, notamment dans le cadre de la
récupération d'informations de position par des capteurs intervenant pour le
calage variable d'aubes et pour le calage du pas d'hélice des hélicoptères.
Le domaine de l'invention est, d'une façon générale, celui des
transformateurs tournants qui sont utilisés pour la transmission d'énergie
électrique par induction électromagnétique entre des premier et deuxième
bobinages fixés concentriquement respectivement sur des première et
deuxième pièces tubulaires, en matériau ferromagnétique, montées
coaxialement de manière qu'une surface externe de l'une puisse tourner en
regard d'une surface interne de l'autre.
Parmi les industries qui peuvent tirer profit de l'utilisation de
transformateurs tournants, on peut citer notamment les industries spatiales,
par exemple pour transmettre, dans un satellite, un courant électrique
d'alimentation à un instrument de mesure monté sur une platine de support à
joint tournant permettant de l'orienter par rapport aux étoiles. De tels
transformateurs tournants sont également utilisés dans l'industrie
aéronautique, notamment pour des capteurs de couple, par exemple pour
des utilisations pour le calage du pas d'hélice pour les hélicoptères. Des
fonctions spécifiques, connues sous les appellations "de-icing du rotor
arrière", et "pitch control" peuvent par ailleurs nécessiter un transfert de
puissance électrique. Pour de telles utilisations, la suppression du
collecteur
à balais frottant classique et son remplacement par un tel transformateur
sont avantageux. Un tel transformateur permet en effet de fiabiliser le
matériel en supprimant le risque de panne crée par l'usure des balais.
ARRIERE-PLAN TECHNOLOGIQUE DE L'INVENTION
WO 2011/064377 PCT/EP2010/068454
-2-
On a représenté schématiquement aux figures 1 et 2 des dessins
annexés des transformateurs tournants de types connus. Celui représenté à
la figure 1 comprend essentiellement deux pièces 1 et 2, correspondant
respectivement à un noyau interne et à un noyau externe en forme de bague
annulaire, montées concentriquement de manière que l'une puisse tourner
par rapport à l'autre autour d'un axe X commun, les pièces 1 et 2 étant
creusées de gorges annulaires 3 et 4 respectivement dans lesquelles sont
logés des bobinages électriques 5 et 6 respectivement. Le diamètre intérieur
de la pièce 1 est légèrement supérieur au diamètre extérieur de la pièce 2 de
manière que cette dernière puisse tourner dans la pièce 1 sans contact
physique avec celle-ci. On ménage ainsi des entrefers radiaux, couramment
de l'ordre de 0,1 mm d'épaisseur, de part et d'autre des bobinages. Ces
derniers sont bobinés directement sur les pièces 1 et 2, réalisées en un
matériau magnétique tel qu'une ferrite.
En variante, comme schématisé à la figure 2, on connaît aussi un
transformateur comprenant deux bagues 1 ' et 2' mobiles en rotation autour
d'un même axe X, deux extrémités axiales disposées en regard de ces
bagues étant creusées de deux gorges annulaires 3' et 4' respectivement,
accueillant des bobinages 5' et 6' respectivement. Les entrefers disposés de
part et d'autre des bobinages sont alors axiaux.
Cependant, les transformateurs tournants connus décrits ci-dessus en
liaison avec les figures 1 et 2 présentent des limitations qui restreignent
grandement leur utilisation. Ces limitations sont illustrées aux figures 3-A
et
3-B. Sur ces figures, on a illustré schématiquement le fait que de tels
transformateurs tournants ne peuvent pas facilement - voire pas du tout -
être installés dans certains endroits. En effet, tous les transformateurs
tournants, comme un transformateur 300 représenté sur les figures 3-A et 3-
B, à noyau externe annulaire 301 et à noyau interne annulaire 302
concentriques existant sont réalisés d'un seul tenant. Ils doivent donc être
positionnés par glissement autour des éléments, notamment de type arbre,
qu'ils sont destinés à équiper. Ils ne peuvent ainsi pas, par exemple, être
installés autour d'un arbre mécanique 303 sans démontage de l'arbre
considéré lorsque ledit arbre 303 présente certaines particularités. Ces
particularités peuvent être de différents types, comme par exemple des
WO 2011/064377 PCT/EP2010/068454
-3-
extrémités 304 évasées représentées à la figure 3-A, ou encore des parois
305 reliées à l'arbre 303 par des roulements 306, comme représenté à la
figure 3-B.
DESCRIPTION GENERALE DE L'INVENTION
L'objet de l'invention propose une solution aux problèmes qui viennent
d'être exposés. La présente invention a précisément pour but de réaliser un
transformateur tournant non affecté par les limitations évoquées ci-dessus.
D'une façon générale, l'invention propose essentiellement un transformateur
tournant dont la topologie proposée permet une installation ou un retrait
dudit
transformateur autour d'un arbre sans opération de manipulation, notamment
sans opération de glissement de l'arbre dans le c ur du transformateur.
Avantageusement, le transformateur tournant selon l'invention permet
également de résoudre un problème fréquemment rencontré dans les
transformateurs tournants de l'état de la technique : dans les transformateurs
tournants existants, le type de matériau de l'arbre interne peut affecter les
caractéristiques de transformateur, notamment les caractéristiques
d'inductance magnétisante, d'inductance de fuite, ou encore les
caractéristiques de rendement. En effet, si l'arbre interne est conducteur de
flux magnétique, on observe une augmentation de la réluctance du circuit
magnétique formé par les noyaux du transformateur tournant. Dans des
modes de réalisation avantageux de l'invention, les caractéristiques du
transformateur sont indépendantes de l'arbre considéré.
L'invention concerne donc essentiellement un transformateur tournant
destiné à être installé autour d'un arbre mobile en rotation, ledit
transformateur tournant comportant notamment un noyau interne annulaire et
un noyau externe annulaire pour la transmission d'énergie électrique par
induction électromagnétique entre ledit noyau interne et ledit noyau externe
montés coaxialement de manière qu'une surface interne du noyau externe
puisse tourner en regard d'une surface externe du noyau interne, caractérisé
en ce que le noyau interne est constitué d'une pluralité de portions
disjointes
de noyau interne assemblées par un premier moyen de fixation, et en ce que
le noyau externe est constitué d'une pluralité de portions disjointes de noyau
externe assemblées par un deuxième moyen de fixation.
Outre les caractéristiques principales qui viennent d'être mentionnées
WO 2011/064377 PCT/EP2010/068454
-4-
dans le paragraphe précédent, le transformateur tournant selon l'invention
peut présenter une ou plusieurs caractéristiques complémentaires parmi les
suivantes, considérées individuellement ou selon toutes combinaisons
techniquement possibles :
- les portions disjointes de noyau interne présentent des formes et des
dimensions identiques ;
- les portions disjointes de noyau externe présentent des formes et
des dimensions identiques ;
- chaque portion disjointe de noyau interne et chaque portion disjointe
de noyau externe comporte un bobinage électrique ;
- chaque portion disjointe de noyau interne et/ou de noyau externe
présente une première gorge latérale et une deuxième gorge latérale dans
lesquelles passe le bobinage électrique de la portion considérée ;
- chaque portion disjointe de noyau interne et/ou de noyau externe
présente une gorge annulaire, présente sur la face interne et/ou sur la face
externe de la portion considérée, dans laquelle passe le bobinage électrique
de la portion considérée ;
- l'ensemble des portions disjointes de noyau interne et/ou l'ensemble
des portions disjointes de noyau externe sont alimentées par une même
source de courant ;
- le premier moyen de fixation et/ou le deuxième moyen de fixation
consiste en un cerclage d'armatures des portions disjointes du noyau interne
et/ou du noyau externe ;
- le premier moyen de fixation et/ou le deuxième moyen de fixation
comporte des boulons disposés au niveau d'armatures des portions
disjointes du noyau interne et/ou du noyau externe ;
- deux portions disjointes de noyau interne assemblées présentent
une première surface plane de jonction et en ce que deux portions disjointes
de noyau externes assemblées présentent une deuxième surface plane de
jonction, chaque première surface plane de jonction et chaque deuxième
surface plane de jonction étant radialement alignées ;
- le noyau interne et le noyau externe sont chacun constitués de deux
portions disjointes de noyau.
WO 2011/064377 PCT/EP2010/068454
-5-
L'invention et ses différentes applications seront mieux comprises à la
lecture de la description qui suit et à l'examen des figures qui
l'accompagnent.
BREVE DESCRIPTION DES FIGURES
Celles-ci ne sont présentées qu'à titre indicatif et nullement limitatif de
l'invention. Les figures montrent :
- à la figure 1, déjà décrite, un premier exemple de transformateur
tournant de type connu ;
- à la figure 2, également déjà décrite, un deuxième exemple de
transformateur tournant de type connu ;
- aux figures 3-A et 3-B, des représentations schématiques d'arbres
internes autour desquels on ne peut pas aisément installer les
transformateurs tournants de types connus ;
- à la figure 4, une représentation schématique dune opération
d'installation d'un transformateur tournant selon l'invention autour d'un
arbre ;
- à la figure 5, une représentation détaillée d'un premier exemple de
réalisation d'un transformateur tournant selon l'invention ;
- à la figure 6, une représentation détaillée, en coupe, de l'exemple de
réalisation d'un transformateur tournant de la figure 5 ;
- à la figure 7, une représentation schématique en perspective du
premier exemple de réalisation du transformateur tournant selon l'invention ;
- à la figure 8, une représentation schématique en perspective d'un
deuxième exemple de réalisation du transformateur tournant selon
l'invention ;
- à la figure 9, une représentation schématique en perspective du
deuxième exemple de réalisation du transformateur tournant selon
l'invention avec une première possibilité d'assemblage ;
- à la figure 10, une représentation schématique en perspective du
deuxième exemple de réalisation du transformateur tournant selon l'invention
avec une deuxième possibilité d'assemblage.
DESCRIPTION DETAILLEE DES FORMES DE REALISATION
PREFEREES DE L'INVENTION
Sauf précision contraire, un même élément apparaissant sur des
figures différentes présente une référence unique.
WO 2011/064377 PCT/EP2010/068454
-6-
Le principe général des transformateurs tournants selon l'invention est
illustré à la figure 4. Sur cette figure, on a représenté un arbre 401, aux
extrémités duquel sont présents des évasements 402, qui rendent impossible
l'installation d'un transformateur tournant de l'état de la technique par une
opération de glissement le long de l'arbre 401. Pour rendre possible
l'installation de transformateurs tournants autour de tels arbres, on propose,
dans l'invention, de réaliser un transformateur tournant 400 comportant un
noyau interne annulaire 403 et un noyau externe annulaire 404 constitués
tous deux de plusieurs parties, ou portions, disjointes. Par l'expression
"portion disjointe d'un noyau", on désigne un élément destiné à contribuer à
la constitution d'un noyau magnétique annulaire fermé, par juxtaposition avec
d'autres portions de noyau.
Ainsi, dans l'exemple représenté, le noyau interne 403 est constitué
d'un premier demi-noyau 405 et d'un deuxième demi-noyau 406, et le noyau
externe 404 est constitué d'un premier demi-noyau 407 et d'un deuxième
demi-noyau 408. En proposant des noyaux internes et externes composés
de parties disjointes, on peut équiper l'arbre 401 d'un transformateur
tournant
en plaçant, par un positionnement directement latéral, les demi-noyaux qui
viennent d'être mentionnés autour de l'arbre 401, et en les assemblant entre
eux pour reconstituer un noyau interne annulaire, et un noyau externe
annulaire de transformateur tournant. Chacun des demi-noyaux considérés
comporte un bobinage électrique dont les caractéristiques, et notamment le
positionnement, seront décrites en détail par la suite.
La figure 5 montre plus en détail le transformateur tournant 400 de la
figure 4, avec une vue de face 500, une vue de dessous 501 et une vue de
profil 502 dudit transformateur 400. En particulier, on a détaillé les
différents
bobinages électriques présents dans le transformateur tournant 400.
Comme déjà précisé, chaque noyau (interne et externe) annulaire
constituant le transformateur tournant est constitué d'une pluralité de
parties
d'anneaux. Pour chaque anneau considéré, les parties d'anneaux le
constituant présentent avantageusement les mêmes formes et dimensions.
Les parties d'anneaux sont ainsi des portions de bagues annulaires,
présentant chacune une première partie latérale 511 et une deuxième partie
latérale 512, chaque partie latérale d'une partie d'anneau donnée étant
destinée à être positionnée en regard d'une partie latérale d'une partie
WO 2011/064377 PCT/EP2010/068454
-7-
d'anneau suivante, de telle sorte que l'assemblage des parties d'anneaux
correctement positionnées constitue effectivement un noyau annulaire.
Dans les transformateurs tournants selon l'invention, chaque portion
disjointe de noyau, interne ou externe, comporte un bobinage électrique
enroulé autour de lui. Ainsi, les demi-noyaux 405, 406, 407 et 408
comportent respectivement un bobinage électrique 505, 506, 507 et 508.
Dans les transformateurs selon l'invention, comme par exemple dans celui
des figures 4 et 5, chaque bobinage électrique est disposé autour de
l'élément disjoint qui lui est associé en procédant à un enroulement réalisant
une pluralité de passages autour dudit élément disjoint considéré, chacun
des passages de l'enroulement considéré étant globalement contenu dans
un plan perpendiculaire à un axe central X du transformateur tournant. Ainsi,
le bobinage électrique de chaque partie épouse la courbure des parties
d'anneaux auxquelles il est associé.
Dans l'exemple représenté, afin de faciliter l'assemblage des
différentes portions d'anneaux en limitant l'encombrement du à la présence
des bobinages électriques, on prévoit de ménager une gorge 513, désignée
comme gorge latérale, au niveau des parties latérales de chaque partie
d'anneau considérée. La dimension des gorges est telle que deux bobinages
électriques de deux portions d'anneaux disjointes consécutives n'entrent pas
en contact lorsque les deux éléments d'anneaux sont assemblés.
Avantageusement, comme illustré à la figure 5, on prévoit de réaliser,
pour chaque élément d'anneau, une gorge annulaire 514, c'est-à-dire une
gorge creusée selon la partie incurvée de la portion considérée, afin de faire
passer le bobinage électrique. Dans l'exemple représenté, les gorges
annulaires sont des gorges réalisées au niveau des faces internes des
portions d'anneaux constituant le noyau interne et le noyau externe. Par face
interne d'une portion de noyau, on désigne la face incurvée de plus faible
dimension, la face externe étant la face de plus grande dimension. Dans
d'autres exemples de réalisation, on prévoit de réaliser des gorges
annulaires au niveau des faces externes, à la place des gorges annulaires
des faces internes, ou en complément des gorges annulaires desdites faces
internes. La réalisation de gorges annulaires permet essentiellement de
supprimer les risques de contact entre les bobinages électriques disposés
sur les noyaux externes et sur les noyaux internes, d'augmenter un entrefer
WO 2011/064377 PCT/EP2010/068454
-8-
515 entre les noyaux interne et externe, ou de limiter l'encombrement du
transformateur tournant.
Chaque bobinage électrique présente une extrémité d'entrée 516-E et
une extrémité de sortie 516-F qui lui sont propres. Avantageusement, dans
l'invention, on prévoit que les bobinages électriques des différentes portions
constituant le noyau interne soient alimentés par une même première source
de courant. De la même manière, on prévoit que les bobinages électriques
des différentes portions constituant le noyau externe soient alimentés par
une même deuxième source de courant, éventuellement différente de la
première source de courant. En disposant d'une source de courant unique
pour chaque noyau du transformateur, on assure une stabilité optimale des
caractéristiques du transformateur.
Comme illustré à la figure 6, qui montre une portion angulaire du
transformateur tournant de la figure 5, avec la disposition des bobinages
électriques qui a été décrite en référence à la figure 5, on observe dans les
transformateurs selon l'invention, une circulation de flux magnétique dans
une zone 600 interne au noyau magnétique constitué par le noyau interne et
le noyau externe. Le flux magnétique est ainsi canalisé dans le noyau
magnétique, sans circulation dans l'arbre interne autour duquel est disposé
le transformateur selon l'invention. Les caractéristiques du transformateur
sont ainsi indépendantes de l'arbre mécanique, et elles sont peu impactées
par une faible translation du transformateur tournant suivant l'axe de l'arbre
mécanique.
La figure 7 montre une représentation schématique du transformateur
tournant de la figure 5, en perspective, avec un noyau interne sorti du noyau
externe pour mieux visualiser la forme les différents éléments constituant le
transformateur tournant.
Si, dans les représentations des figures 4 à 7, les noyaux interne et
externe sont chacun composés uniquement de deux demi-noyaux, dans
d'autres exemples de réalisation, on prévoit que les noyaux internes et
externes comportent plus de deux parties disjointes.
Ainsi, la figure 8 montre une représentation schématique d'un
deuxième exemple de transformateur tournant 800 selon l'invention, avec
chaque noyau annulaire (externe et interne) constitué de trois parties
d'anneau. La représentation est une représentation en perspective, avec un
WO 2011/064377 PCT/EP2010/068454
-9-
noyau interne sorti du noyau externe pour mieux visualiser la forme des
différents éléments constituant le transformateur tournant.
Dans un exemple avantageux de réalisation des transformateurs
tournants selon l'invention, deux portions disjointes de noyau interne
assemblées présentent une première surface plane de jonction 702, deux
portions disjointes de noyau externe assemblées présentant une deuxième
surface plane de jonction 701, chaque première surface plane de jonction
702 et chaque deuxième surface plane de jonction 701 étant radialement
alignées, comme visible notamment aux figures 7 et 8.
La figure 9 montre un premier exemple d'assemblage des différentes
portions de noyaux disjointes ; dans ce premier exemple, on réalise un
cerclage 901 au niveau d'armatures 601 - visibles notamment sur la figure 6
- disposées sur les portions de noyaux au niveau des parois latérales
orientées selon un plan perpendiculaire à l'axe X.
La figure 10 montre un deuxième exemple d'assemblage des
différentes portions de noyaux disjointes ; dans ce deuxième exemple, on
réalise un assemblage par boulons 911, lesdits boulons 911 étant disposés
au niveau des armatures 601.
D'une manière plus générale, les portions disjointes de noyau interne
sont assemblées par un premier moyen de fixation, les portions disjointes de
noyau externe étant assemblées par un deuxième moyen de fixation, le
premier moyen de fixation et le deuxième moyen de fixation n'étant pas
nécessairement identiques.
