Note : Les descriptions sont présentées dans la langue officielle dans laquelle elles ont été soumises.
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WO 2013/175098
PCT/FR2013/051050
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Système d'alimentation en énergie électrique comprenant une machine
asynchrone et moteur de propulsion équipé d'un tel système
d'alimentation en énergie électrique
Domaine technique et art antérieur
L'invention porte sur un système d'alimentation en énergie
électrique, notamment pour alimenter un équipement électrique porté par
un support en rotation. L'invention porte aussi sur un moteur de
propulsion équipé d'un tel système d'alimentation.
En particulier, l'invention fournit des moyens d'alimentation en
énergie électrique pour des équipements électriques portés par les pales
d'un rotor d'un moteur de propulsion, ou les pales de deux rotors en
rotations inverses d'un moteur de propulsion, tels que les équipements de
dégivrage de ces pales ou les systèmes de positionnement électrique de
telles pales.
On connait des systèmes d'alimentation électrique de tels dispositifs
utilisant une transmission électrique depuis les parties fixes de l'avion ou
du moteur à l'aide de dispositifs à balais, comme par exemple dans le
document US4621978. Néanmoins ceux-ci sont lourds, peu fiables, et
demandent une maintenance régulière ainsi qu'un système de
refroidissement en fonctionnement. Des problèmes de compatibilité avec
des matières huileuses présentes dans leur environnement sont aussi
constatés.
On connait également des transformateurs tournants assurant aussi
la transmission électrique depuis les parties fixes de l'avion ou du moteur.
Il existe de tels transformateurs basse fréquence (moins de 1 kHz) qui
possèdent une architecture de type U ou E avec des topologies cherchant
à résoudre le problème de feuilletage des matériaux. Par contre, dans les
domaines de hautes fréquences (plus de 1 kHz) et de forte puissance
(plus de 5 kW), les matériaux feuilletés perdent leurs propriétés dès que la
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température augmente (typiquement au-delà de 200 C). Il en résulte des
pertes importantes et une sensibilité des transformateurs aux vibrations et
aux chocs. Un exemple de document décrivant un transformateur tournant
dans le contexte évoqué est W02010/081654.
On connait aussi le document FR 2962271 enseigne, sur un support
en rotation, d'apporter de l'électricité par utilisation d'une machine
asynchrone fonctionnant en générateur auto-excité.
L'invention vise à résoudre les problèmes évoqués ci-dessus et
fournir une solution fiable, nécessitant peu de maintenance, ayant un
poids faible et occupant un espace limité.
Résumé de l'invention
Pour cela il est proposé un système d'alimentation en énergie
électrique, comprenant une machine asynchrone, un agencement pour
l'entrainement en rotation d'un rotor de la machine asynchrone par un
rotor d'un moteur de propulsion et une connexion électrique pour
l'alimentation d'au moins un équipement électrique par ledit rotor de la
machine asynchrone, caractérisé en ce que la machine asynchrone
étant de plus équipée pour recevoir de l'énergie électrique alternative par
un stator de ladite machine asynchrone, elle a, sur une plage
prédéterminée de vitesse d'entrainement par ledit rotor du moteur de
propulsion du rotor de la machine asynchrone, un rendement de transfert
d'énergie électrique dudit stator audit rotor privilégié par rapport au
rendement de conversion d'énergie mécanique de rotation en énergie
électrique.
En faisant ce choix de conception, on peut mettre en place une
machine asynchrone alimentant un équipement électrique par son rotor,
et dont la masse et le volume sont nettement abaissés par rapport à une
génératrice asynchrone telle que celle présentée dans l'art antérieur. On
conserve l'avantage d'utiliser une machine asynchrone par rapport à un
transformateur tournant de type U ou E, puisque l'on n'a pas de problème
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de feuilletage de matériaux. Les besoins en maintenance sont de plus très
faibles.
Dans un mode de réalisation particulier, la machine asynchrone
comporte un bobinage ondulé progressif au moins dans un rotor ou dans
un stator. Cela permet d'augmenter la fiabilité du transformateur
asynchrone.
Dans un mode de réalisation particulier, la machine asynchrone
comporte un bobinage avec une seule barre conductrice par encoche. Le
nombre de soudures nécessaire est ainsi diminué, ce qui permet de
diminuer le poids et l'encombrement du dispositif.
L'invention consiste également, selon un autre aspect, en un
moteur de propulsion dont un rotor porte au moins un équipement
électrique, le moteur comprenant au moins un système d'alimentation en
énergie électrique tel qu'évoqué plus haut, l'équipement électrique étant
relié à la connexion électrique du système d'alimentation. Un tel moteur a
des performances améliorées, du fait de l'utilisation en son sein d'un
dispositif plus léger, moins encombrant et plus fiable, pour alimenter en
énergie électrique les équipements électriques portés par le rotor du
moteur de propulsion.
Selon différents agencements possibles, le stator de la machine
asynchrone est agencé pour recevoir de l'énergie électrique alternative du
moteur de propulsion, par une génératrice, d'un boîtier d'entraînement
des accessoires du moteur de propulsion, ou d'un réseau électrique
alternatif. Selon d'autres différents agencements possibles, ledit stator de
la machine asynchrone est immobile par rapport à la nacelle du moteur de
propulsion, ou immobile par rapport à un deuxième rotor du moteur de
propulsion.
Dans un mode de réalisation particulier, le moteur comporte un
deuxième rotor portant au moins un deuxième équipement électrique, le
moteur comprenant au moins un deuxième système d'alimentation en
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énergie électrique tel qu'évoqué plus haut, le deuxième équipement
électrique étant relié à la connexion électrique du deuxième système
d'alimentation, les deux systèmes d'alimentation en énergie électrique
étant agencés en parallèle pour recevoir, par un stator respectif, de
l'énergie électrique alternative d'une même source. Ainsi, on peut équiper
de cette manière une soufflante non carénée à deux rotors contrarotatifs.
Selon différents agencements possibles, une liaison entre
l'équipement électrique et la connexion électrique du système
d'alimentation passe par un mécanisme de transmission de puissance
mécanique, ou par un transformateur tournant, ou par une génératrice ou
par un deuxième rotor du moteur de propulsion tournant en sens inverse
du premier rotor.
L'équipement peut notamment être un dispositif de dégivrage d'une
pale, ou un système de positionnement électrique d'une pale.
Brève description des figures
L'invention va maintenant être décrite en relation avec les figures
annexées suivantes :
La figure 1 présente un mode général de réalisation d'un système
d'alimentation en énergie électrique selon l'invention.
La figure 2 présente un aspect particulier d'un mode de réalisation
d'un système de la figure 1.
La figure 3 présente une autre vue de l'aspect particulier de la
figure 2.
La figure 4 présente une autre vue de l'aspect particulier des
figures 2 et 3.
La figure 5 présente une autre vue de l'aspect particulier de la
figure 2 à 4.
La figure 6 présente un mode de réalisation d'un moteur de
propulsion selon l'invention.
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La figure 7 présente certains aspects d'implémentation du mode de
réalisation de la figure 6.
La figure 8 présente un autre mode de réalisation d'un moteur de
propulsion selon l'invention.
5 La figure 9 présente certains aspects d'implémentation du mode de
réalisation de la figure 8.
Exposé détaillé de l'invention
En figure 1, on a représenté un système d'alimentation électrique
selon un mode général de réalisation de l'invention. Il comprend une
machine 100 composée d'un rotor 110 et d'un stator 120. Le rotor 110 est
relié à un agencement mécanique 130 pour son entrainement par un rotor
d'un moteur de propulsion. Les bobines du rotor sont reliées à une
connexion électrique 140 pour l'alimentation électrique d'un équipement
électrique. Les bobines du stator sont reliées à une connexion électrique
150 pour l'application d'une énergie électrique, notamment une énergie
électrique alternative. La machine asynchrone 100 a, sur une plage
prédéterminée de vitesse d'entrainement par le rotor du moteur de
propulsion du rotor de la machine asynchrone, un rendement de transfert
d'énergie électrique du stator 120 au rotor 110 privilégié par rapport au
rendement de conversion d'énergie mécanique de rotation en énergie
électrique. Cela est obtenu par conception : l'effet transformateur est
optimisé pour une plage de vitesse de rotation, au détriment du couple
prélevé.
Le rotor 110 est par exemple bobiné triphasé équilibré. Pour se
faire, la machine possède le même nombre de paires de pôles au stator et
au rotor, ou possède un bobinage pouvant s'adapter au courant triphasé
équilibré.
Par exemple, une conception possible du système de la figure 1
utilise 6 paires de pôles et un entrefer de 1 mm. On applique une tension
au stator de 120 V RMS (par rapport au neutre) à 600 Hz, pour une
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puissance électrique fournie de 24.7 kW, alors que le rotor de la machine
asynchrone est entrainé à 15 Hz. La tension obtenue au rotor a alors une
fréquence de 690 Hz, une amplitude de 108 V RMS (par rapport au
neutre) pour une puissance fournie de 24 kW. On constate qu'une
puissance mécanique de 3.3 kW est prélevée sur le rotor et que la
machine engendre seulement 4 kW de pertes, essentiellement liées à la
fonction transformateur.
La plage prédéterminée de vitesse d'entrainement par le rotor du
moteur de propulsion du rotor de la machine asynchrone, sur laquelle un
rendement de transfert d'énergie électrique du stator 120 au rotor 110 est
privilégié par rapport au rendement de conversion d'énergie mécanique de
rotation en énergie électrique est une plage autour de la fréquence de
rotation de 15 Hz, par exemple la plage 10 à 20 Hz, ou la plage 14 à 16
Hz. Dans l'exemple présenté, l'effet d'optimisation s'illustre par la faible
valeur de pertes (4 kW), combinée avec un prélèvement sur la puissance
dégagée par le moteur de propulsion qui, bien que loin d'être optimisée,
puisqu'elle a au contraire été négligée pour permettre l'optimisation de
l'effet transformateur, est de seulement 3.3 kW.
La régulation de la puissance fournie à la connexion électrique 140
se fait par réglage de la puissance appliquée par la connexion électrique
150. Le niveau de puissance requis au stator peut être, dans certaines
conditions, inférieur à la puissance de sortie au rotor, grâce à la puissance
fournie par le moteur de propulsion. La charge peut être observée à
travers la machine asynchrone, pour connaître son état de
fonctionnement.
De la puissance peut être transmise avec un rotor immobile, le
fonctionnement étant alors uniquement de type transformateur.
On précise que la machine asynchrone peut avoir une topologie de
type à variation de flux radial ou axial.
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En figure 2 on a présenté un mode de réalisation du bobinage d'un
rotor ou d'un stator de la machine 100 présentée en figure 1. Le même
type de bobinage peut être utilisé à la fois au stator et au rotor, mais des
bobinages différents peuvent aussi être utilisés au stator et au rotor. Le
bobinage est un bobinage ondulé progressif, qui permet de n'utiliser
qu'une barre de conducteur par encoche du rotor ou du stator, diminuant
les risques de court-circuit entre barres.
Sur la figure 2, 14 encoches sont représentées et numérotées 201 à
214, et le bobinage comprend 9 conducteurs, numérotées 301 à 309.
Dans le mode de réalisation présenté, chaque pôle comprend trois barres
conductrices reliées en parallèle à la même phase de la tension triphasée.
Ainsi, des portions des conducteurs 301, 302 et 303 insérées dans
les encoches successives 201, 202 et 203 forment un premier pôle. A la
sortie des encoches respectives, les conducteurs 301, 302 et 303 sont
orientés suivant un angle droit tous les trois dans la même direction, et
rejoignent, respectivement des encoches 212, 211 et 210 (c'est-à-dire
que, le long de la périphérie du rotor ou du stator, le premier conducteur
sorti de son encoche est ensuite le dernier à rentrer dans une encoche).
Les portions des conducteurs entre les encoches constituant des
chignons de conducteur, de volume et masse inutiles, et dont l'utilisation
d'un bobinage ondulé progressif permet de diminuer la longueur. Les
conducteurs 304, 305 et 306, reliés en parallèle à une deuxième phase de
la tension alternative triphasée, occupent quant à eux respectivement les
encoches 204, 205 et 206, puis, après un angle droit et une section de
type chignon rejoignent des encoches, respectivement non représentée et
référencée 214 et 213 sur la figure (à nouveau, le premier conducteur
sorti de son encoche est ensuite le dernier à rentrer dans une encoche).
On distingue également sur la figure les conducteurs 307, 308 et 309 qui
occupent les encoches 207, 208 et 209 et qui sont reliés en parallèle à la
troisième phase de la tension triphasée. Les chignons des conducteurs
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301, 302 et 303, entre les encoches 201, 202, 203 et 210, 2114 et 212,
sont disposés, dans ce mode de réalisation, à distance des encoches, alors
que les chignons des conducteurs 304, 305 et 306 entre les encoches 204,
205, 206 et 213 et 214 sont disposés à proximité des encoches.
En figure 3, on a représenté, de bout en bout, les conducteurs
d'une phase, dans une variante du mode de réalisation de la figure 2. Les
conducteurs sont reliés au circuit électrique externe à leurs extrémités 351
et 352. On retrouve sur cette figure des chignons à deux distances des
encoches, avec la séquence : chignon distant, chignon distant, chignon
proche, chignon proche, chignon distant. Sur cet arrangement, à nouveau,
le premier conducteur soit de son encoche est ensuite le dernier à rentrer
dans une encoche.
En figure 4, on a représenté les conducteurs des trois phases,
dans une variante des figures 2 et 3. Il y a ici trois barres conductrices par
pôles, comme dans les figures précédentes. Un seul conducteur est utilisé
pour chaque phase. Il fait trois fois le tour complet de la périphérie du
rotor ou du stator, entre deux extrémités libres, et en étant soudé à la
masse de celui-ci en quatre points, dont deux à proximité de la première
extrémité libre, et deux à proximité de la deuxième extrémité libre. Les
références 410 et 420 sont utilisées pour représenter les extrémités libres
d'un des trois conducteurs. Le même schéma de soudure est utilisé pour
les deux autres conducteurs. A l'approche d'une première des deux
extrémités libres, référencée 410, le conducteur croise les deux portions
du même conducteur effectuant les tours complets de la périphérie avant
de les suivre de manière parallèle, alors qu'à l'approche d'une deuxième
des deux extrémités libres, référencée 420, le conducteur suit les deux
portions du même conducteur effectuant les tours complets de la
périphérie de manière parallèle sans les croiser. Les soudures à proximité
de l'extrémité libre avec croisement sont référencées 411 et 412 et les
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soudures à proximité de l'extrémité libre avec croisement sont référencées
421 et 422.
En figure 5, on a représenté, de bout en bout le conducteur d'une
phase, et on précise que s'il y a n barres conductrices par pôle, la figure 5
ne représente que le nombre de tours de conducteurs divisé par n, pour
une seule des trois phases.
En figure 6, on a représenté une implémentation possible de
l'invention sur un moteur de propulsion à deux rotors contrarotatifs,
comme par exemple une soufflante non carénée.
De l'électricité alternative est obtenue, soit du réseau électrique de
l'avion 610, soit de la boîte d'engrenages d'entraînement des accessoires
615 (AGB pour accessory gear box ), soit du moteur 620 (turbine libre,
premier rotor ou rotor AFT, ou deuxième rotor ou rotor FWD). Dans les
deux derniers cas, une génératrice 616, respectivement 621, est utilisée.
Un interrupteur 625, sous le contrôle d'un système de commande 626
permet éventuellement de choisir la source d'électricité. Il comprend, si
nécessaire, un convertisseur de puissance pour la mise en forme de
l'énergie pour l'alimentation des machines asynchrones. La puissance
électrique est transférée du repère fixe A aux deux repères tournants
contrarotatifs B et C par deux transformateurs 630 et 631 montés en
parallèle l'un de l'autre en sortie de l'interrupteur 625. Les repères B et C
sont deux des rotors FWD 640 et AFT 641, respectivement. La puissance
électrique est enfin amenées aux dispositifs à alimenter sur les pales de
ces rotors, référencés respectivement 650 et 651.
Les transformateurs 630 et 631 sont des systèmes d'alimentation
en énergie électrique tels que décrits en relation avec les figures 1 à 5.
Une variante du mode de réalisation de la figure 6 est représentée
en figure 7, avec d'autres détails de réalisation. La puissance électrique
alternative (référence 625) est amenée du stator du moteur de propulsion
(repère A) par des lignes conductrices 700 et 710, qui pour la première
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inclut le transformateur 630 et se poursuit jusqu'aux pales 650 du rotor
640, et qui pour la deuxième inclut le transformateur 610 et se poursuit en
traversant le mécanisme de transmission de puissance mécanique PGB
(pour Power Gear Box ) 720, avant de parvenir aux pales 651 du rotor
5 641. Divers paliers sont représentés sur la figure pour indiquer les
rotations relatives des différents éléments.
En figure 8, on a représenté une autre implémentation possible de
l'invention également sur un moteur de propulsion à deux rotors
contrarotatifs.
10 De l'électricité alternative est obtenue, comme précédemment, soit
du réseau électrique de l'avion 610, soit de la boîte d'engrenages
d'entraînement des accessoires 615, soit du moteur 620.
La puissance électrique est tout d'abord transférée du repère fixe A
au repère tournant B en parallèle par un transformateur 810 et, en
parallèle par un transformateur 820, qui peut aussi être une génératrice
820. Le repère B est celui du rotor FWD 640. Les pales 650 du rotor 640
sont alimentées par le transformateur 810. Un transformateur 830
transfère l'énergie fournie par le transformateur ou la génératrice 820 du
repère B au repère C. Le repère C est celui du rotor AFT 641. Les pales
651 du rotor 641 sont alimentées par le transformateur 830. Les
transformateurs 830 et 810, et éventuellement le transformateur 820 sont
des systèmes d'alimentation en énergie électrique tels que décrits en
relation avec les figures 1 à 5.
Ce montage série permet de palier à certaines contraintes
d'intégration.
Une variante du mode de réalisation de la figure 8 est représentée
en figure 9, avec d'autres détails de réalisation. La puissance électrique
alternative (référence 625) est amenée du stator du moteur de propulsion
(repère A) par des lignes conductrices 900 et 910, qui pour la première
inclut le transformateur 8100 et se poursuit jusqu'aux pales 650 du rotor
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640, et qui pour la deuxième inclut le transformateur ou génératrice 910
et le transformateur 830, et se poursuit jusqu'aux pales 651 du rotor 641.
Divers paliers sont représentés sur la figure pour indiquer les rotations
relatives des différents éléments. Dans cette variante, les lignes
d'alimentation évitent le mécanisme de transmission de puissance
mécanique PGB.
L'invention a été décrite en relation avec des modes de réalisation
qui sont non limitatifs, et elle s'étend à toutes les variantes dans le cadre
de la portée des revendications.
