Brevet FR2553596A1 — publié le 19850419

a 1 2553596 La présente invention concerne les systèmes à hélices et, plus particulièrement, des systèmes de manoeuvre électriques et des moyens permettant de développer la puissance électrique qu'ils utilisent. Dans le but de lutter contre l'augmentation du coût des carburants, les constructeurs de moteurs d'avion se sont, ces dernières années, penchés sur les sytèmes de moteurs à hélice et plus particulièrement sur les moteurs à turbo-propulseurs en les proposant comme alternative aux mo10 teurs à turbosoufflante au rendement relativement moins bon. La réalisation de ces moteurs à turbo-propulseurs a fait appel à la technologie des systèmes à hélices Par exemple, on peut obtenir de meilleures performances en augmentant la longueur et la profondeur du profil ainsi que le nombre de 15 pales de l'hélice. Les pales des hélices de grandes dimensions tournant à vitesse élevée doivent comporter un moyen permettant d'en faire varier le pas et d'en assurer le dégivrage Ces fonctions peuvent nécessiter la présence d'une puissance 20 électrique de vingt à quarante chevaux au moyeu des moteurs à turbo-propulseur de ce type Dans l'art antérieur, lorsque le changement de pas s'effectuait avec un moyen électrique, la puissance électrique mise en jeu ne s'élevait qu'à quelques chevaux Il était possible de créer l'énergie nécessai25 re au moteur d'actionnement en produisant de l'électricité dans la partie non-tournante du moteur et en la transférant par un collecteur au moyeu animé d'un mouvement de rotation. En variante, la partie tournante elle-même constituant la 5 séparation pouvait être la source d'une production d'énergie comme le décrit le brevet des Etats-Unis d'Amérique n 3 900 274 Ce brevet a pour objet une source magnétique montée sur la partie non-tournante du moteur qui induit un courant dans un enroulement fixé sur le moyeu en rotation. Les deux moyens d'alimentation du moyeu en énergie électrique venant d'être décrits sont exploitables lorsque la demande d'énergie est faible Mais ils seraient anormalement volumineux s'ils devaient fournir une puissance de l'ordre de vingt à quarante chevaux. Les moyens de commande de ces moteurs à turbo-propulseurs sont classiquement installés à l'extérieur du moyeu tournant Les opérations de changement de pas sont par conséquent commandées par des signaux d'ordre produits à l'extérieur du moyeu Une défaillance soit de la fourniture 20 d'énergie depuis l'extérieur, soit du moyen de commande pourrait se traduire par la non exécution de la fonction de changement du pas. La présente invention a pour buts de réàliser: un système perfectionné de manoeuvre d'hélice; des moyens perfectionnés pour produire de l'énergie électrique dans le moyeu tournant d'un système de moteur à hélice; un système perfectionné d'hélice autonome dans lequel la production d'énergie sont effectuées à l'intérieur 30 du moyeu tournant d'un moteur à hélice. Selon la présente invention, un moyeu rotatif comporte intérieuremenet des moyens de production d'énergie électrique Ces moyens comprennent un arbre s'étendant dans le moyeu de façon que moyeu et arbre soient animés d'une ro35 tation à des vitesses différentes Ils comportent, en outre, -3 une génératrice comprenant un moyen magnétique sur l'arbre et un moyen d'enroulement monté sur le moyeu de façon à tourner avec lui La rotation différentielle du moyeu et de l'arbre a pour effet d'induire un courant électrique dans le moyen d'enroulement. Dans un mode de réalisation spécifique de la présente invention, un moyeu rotatif d'un système de moteur à hélice est rendu solidaire de l'arbre d'entraînement du moteur par des engrenages Des moyens de production d'énergie 10 électrique sont situés à l'intérieur du moyeu Ces moyens comportent un arbre de rotor à vitesse élevée qui s'étend dans le moyeu par l'intermédiaire des engrenages. Ils comprennent en outre un moyen de production d'un champ magnétique fixé à l'arbre du rotor et tournant 15 par conséquent avec lui, et un moyen d'enroulement couplé magnétiquement au moyen magnétique et assujetti au moyeu de manière à tourner avec lui La rotation de l'arbre du rotor ou du moyeu a pour effet d'induire un courant électrique dans le moyen d'enroulement. La description qui va suivre se réfère aux figures annexées qui représentent respectivement: Figure 1, une vue en coupe d'un système d'hélice selon un mode de réalisation de la présente invention; Figure 2, une vue en coupe d'un système d'hélice 25 selon un autre mode de réalisation de la présente invention. En figure 1, on a representé dans une vue en coupe la partie avant d'un système de moteur à hélice constitué d'un moyeu rotatif 10 et d'un bâti 12 non-tournant ou statique Le moyeu 10 est rendu solidaire de l'arbre 16 d'entrai30 nement du moteur par un moyen d'engrenages 18 L'arbre d'entralnement 16 constitue une partie du train de puissance du moteur et peut, par exemple, être entraîné par une turbine (non représentée) Des pales 14 d'hélice à pas variable sont disposées sur la circonférence du moyeu 10 et tournent en 35 même temps que ce dernier Il est nécessaire que le pas des -4 pales 14 soit variable de manière à permettre la commande de la force de propulsion qu'elles développent. A l'intérieur du moyeu tournant 10 on peut voir un système d'actionnement Ce système est constitué par un mo5 teur électrique 20 de dispositif d'actionnement comportant un arbre de sortie 22 L'arbre 22 est relié à un engrenage de réduction 24 qui communique un mouvement de rotation au pied 26 des pales 14 afin d'en modifier le pas On connaît bien dans la technique les engrenages de réduction tels que 10 ceux représentés en figure 1 La caractéristique essentielle des engrenages de réduction 24 est qu'ils relient le moteur 20 du dispositif d'actionnement aux pales 14 et fournissent la réduction de vitesse appropriée On remarquera que le moteur 20 et son arbre 22, ainsi que les engrenages de réduc15 tion 24 et les pales 14 de l'hélice tournent tous avec le moyeu 10 Par conséquent, chacun de ces éléments est fixe par rapport aux autres de sorte que l'actionnement des pales ne se produit que lors de la mise sous tension du moteur 20. Le système d'actionnement comporte en outre une 20 génératrice 28 entraînée en partie par l'arbre 30 d'un rotor La génératrice 28 comporte un moyen 34 produisant un champ magnétique, par exemple des aiments permanents, et un moyen d'enroulement 32 couplé magnétiquement au moyen magnétique On entend par "moyen d'enroulement" tout matériau 25 conducteur, capable de produire une force électromotrice en réponse à un champ magnétique variant dans le temps Le moyen d'enroulement 32 est fixé au moyeu 10 et tourne donc avec lui Le moyen magnétique 34 est assujetti à l'arbre 30 du rotor et peut tourner avec celui-ci L'arbre 30 du rotor 30 s'étend à partir d'une position située à l'arrière du moyeu , et pénètre dans le moyeu après avoir traversé les engrenages 18 Dans le mode de réalisation représenté en figure 1, l'extrémité arrière de l'arbre 30 du rotor est fixée à un pignon 36 en prise avec un engrenage 38 claveté sur l'arbre 35 16 d'entraînement du moteur à hélice L'arbre 30 du rotor ne tourne pas avec le moyeu 10 Au contraire, ils tournent indépendamment l'un de l'autre et peuvent, par conséquent être animés d'un mouvement de rotation différentielle Dans un mode de réalisation recommandé, l'arbre 30 sera celui d'un 5 rotor à haute vitesse, ce qui signifie que sa vitesse de rotation sera supérieure à celle du moyeu Il n'est pas nécessaire que l'arbre 30 soit commandé par l'arbre 16 d'entraînement du moteur à hélice par l'intermédiaire des engrenages 36 et 38 comme on l'a décrit précédemment, mais, en varian10 te, il pourrait constituer lui- même l'arbre principal d'entraînement du moteur à hélice. Le système d'actionnement peut comprendre aussi les liaisons électriques appropriées et des moyens de commande L'énergie électrique développée par la génératrice 28 15 est fournie à un moyen 40 de commande de moteur électrique par une connexion électrique 42 Le moyen de commande comprend une commande 44 du moteur à hélice située à l'extérieur du moyeu tournant 10, le moyen 40 de commande du moteur électrique monté à l'intérieur du moyeu, et un moyen de 20 signalisation 46 permettant de transmettre des signaux du moyen 44 de commande du moteur à hélice au moyen 40 de commande du moteur électrique Dans un mode de réalisation de la présente invention, le moyen de signalisation 46 est constitué d'un coupleur rotatif en fibre optique Cependant, 25 d'autres moyens de signalisation tels que les dispositifs de transmission de signaux électriques par les collecteurs classiques, la transmission HF, ou l'induction magnétique restent dans le domaine de protection de la présente invention. Une autre caractéristique de l'invention réside dans l'utilisation d'un détecteur de vitesse 50 monté dans la partie arrière du moyeu 10 de façon à être en regard du bâti statique 12 Le détecteur 50 a pour fonction de mesurer la vitesse de rotation du moyeu 10 auquel il est fixé Cette 35 information est transmise à la commande 40 du moteur élec- -6 trique par une liaison électrique 52 On connaît dans la technique les détecteurs de vitesse, et ceux-ci peuvent être du type optique, magnétique, ou faire appel à une autre technologie. S En fonctionnement, l'arbre d'entraînement 16 agissant par l'intermédiaire des engrenages 18 fait tourner le moyeu 10, les pales 14 et les divers composants du système d'actionnement montés à l'intérieur du moyeu 10 En outre, les éléments cités ci-dessus tournent en formant un même en10 semble, c'est-à- dire que leur vitesse est la même Par contraste, l'arbre 30 du rotor et le moyen magnétique 34 ont une vitesse de rotation différente Cette différence de vitesse a pour effet d'induire un courant électrique dans le moyen d'enroulement 32 L'intensité du courant ainsi produit 15 est fonction de la valeur de cette différence entre vitesses Pour des application dont la puissance est de l'ordre de trente à quarante chevaux, l'arbre 30 du rotor aura une vitesse élevée par rapport à celle du moyeu Par exemple, l'arbre 30 peut tourner à une vitesse d'environ 20 000 30 20 000 t/mn, alors que celle du moyeu peut être de l'ordre de 1100 t/mn Il apparaît donc qu'un courant électrique sera induit dans le moyen d'enroulement 32 lors de la rotation soit de l'arbre 30 du rotor, soit du moyeu 10. Le moyen d'enroulement 32 est relié électriquement 25 à la commande 40 du moteur électrique par la liaison 42 La commande 40 règle l'énergie électrique fournie au moteur 20 du dispositif d'actionnement lorsqu'elle a reçu le signal approprié émis par la commande 44 du moteur à hélice ou par le détecteur de vitesse 50 lors d'un fonctionnement autono30 me Le moyen de commande du moteur à hélice produit des signaux de commande du pas en réponse aux divers paramètres du système Dans un mode de réalisation recommandé, les signaux seront transmis par fibre optique et franchiront l'interface partie non-tournante/partie tournante au moyen d'un collec35 teur optique Lorsqu'il est mis sous tension, le moteur 20 fait tourner l'arbre 22 d'entraînement des engrenages de réduction dans le but de modifier le pas des pales 14. Le système d'actionnement venant d'être décrit peut être commandé par le moyen 44 de commande du moteur à 5 hélice ou par un moyen autonome contenu à l'intérieur du moyeu 10- Dans le mode de fonctionnement autonome, un signal prédéterminé ou son absence est soumis au moyen 40 de commande de moteur Ce signal ordonnera au moyen 44 de commande du moteur à hélice d'entrer dans le mode de fonctionnement 10 autonome en maintenant la vitesse de rotation à une valeur présélectionnée ou transmise Le moyen 40 de commande recevra alors des signaux concernant la vitesse du moyeu en provenance du détecteur de vitesse 50 Le moyen 40 de commande du moteur électrique procédera à la régulation du pas des 15 pales indépendamment du moyen 144 de commande du moteur à hélice de manière à obtenir une vitesse du moyeu relativement constante Ce mode de fonctionnement se terminera lorsqu'un signal de désactivation ou de cessation de signal d'activation, quel que soit le signal programmé, proviendra du moyen 20 44 de commande du moteur à hélice De nombreuses possibilités de systèmes de commande apparaîtront maintenant à l'homme du métier En ayant dans le moyeu un moyen de développement d'énergie et un moyen de commande, on peut obtenir une commande autonome et une redondance de commande supérieure à 25 celles offertes par les systèmes existants. Il y a d'autres possibilités d'utilisation de l'énergie électrique ainsi développée et de commande du système d'hélice Par exemple, le dégivrage des pales peut s'effectuer en faisant passer le courant électrique dans des 30 bobines de chauffage placées à des endroits appropriés Les opérations de dégivrage peuvent être régulées par la commande 40 du moteur électrique sur la base d'un temps partagé avec les changements du pas I 1 est vraisemblable que la priorité sera donnée au changement du pas, le dégivrage 35 s'effectuant à d'autres moments. La figure 2 est une vue d'un système d'hélice selon un autre mode de réalisation de la présente invention. Un bloc d'alimentation 48 combine le moteur 20 du dispositif d'actionnement et la génératrice 28 à l'intérieur d'un même 5 carter La génératrice 28 est située axialement à l'avant des engrenages de réduction 24 L'arbre de sortie 22 connecté aux engrenages de réduction 24 a le même axe que l'arbre 30 du rotor De nombreuses autres configurations du moteur 20 et de la génératrice 28, c'est-à-dire des dispositions 10 différentes de ces composants à l'intérieur du moyeu tournant, peuvent être envisagées. Il apparaîtra à l'homme du métier que la présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation spécifiques venant d'être décrits et illustrés Au contraire, 15 elle s'applique également à des systèmes d'actionnement montés à l'intérieur de n'importe quel bâti tournant Par exemple, les têtes de rotor d'hélicoptère et systèmes similaires comportant des pales tournantes entrent dans le domaine de protection de la présente invention Par conséquent, l'ex20 pression "système de moteur à hélice" utilisée ici s'entend comme incluant de telles applications De plus, de nombreux agencements matériels différents de la génératrice et des dispositifs d'actionnement restent dans le cadre de la présente invention. On comprendra que les dimensions, proportions et relations entre structures des figures ne sont données qu'à titre d'exemple et qu'elles ne doivent pas être considérées comme réelles dans une réalisation pratique du système de la présente invention. REVENDICATIONS 1 Moyens générateurs d'énergie électrique dans un moyeu rotatif, caractérisés en ce qu'ils comprennent: un arbre de rotor ( 30) s'étendant dans le moyeu 5 ( 10), o le moyeu et l'arbre de rotor peuvent être mis en rotation à des vitesses différentes; une génératrice ( 28) comportant un moyen magnétique ( 34) fixé à l'arbre du rotor et un moyen d'enroulement ( 32) monté sur le moyeu pour tourner avec lui, o la rota10 tion différentielle a pour effet d'induire un courant électrique dans le moyen d'enroulement. 2 Moyens générateurs d'énergie électrique dans un système de moteur à hélice comportant un moyeu rotatif ( 10), le moyeu étant connecté à l'arbre d'entraînement ( 16) du mo15 teur par l'intermédiaire d'engrenages ( 18), et les moyens générateurs d'énergie électrique étant montés à l'intérieur du moyeu, caractérisés en ce qu'il comprennent: un arbre de rotor ( 30) à haute vitesse s'étendant dans le moyeu ( 10) après avoir traversé les engrenages 20 ( 18); un moyen magnétique ( 34) fixé à l'arbre du rotor et pouvant tourner avec lui; et un moyen d'enroulement ( 32) fixé au moyeu de manière à tourner avec lui, et en ce que la rotation de l'ar25 bre du rotor ou du moyeu a pour effet d'induire un courant électrique dans le moyen d'enroulement. 3 Dispositif d'actionnement des pales ( 14) d'un système de moteur à hélice comportant un bâti statique ( 12) et un moyeu rotatif ( 10) équipé de pales à pas variable, le 30 moyeu étant connecté à l'arbre d'entraînement ( 16) du moteur à hélice par l'intermédiaire d'engrenages ( 18), caractérisé en ce qu'il comprend: un moteur électrique ( 20) de dispositif d'actionnement monté à l'intérieur du moyeu de manière à tourner 35 avec celui-ci, un arbre ( 30) de rotor à haute vitesse s'étendant dans le moyeu après avoir traversé les engrenages ( 18), et une génératrice ( 28) comportant un moyen ( 34) de 5 production de champ magnétique fixé à l'arbre du rotor et pouvant tourner avec lui, et un moyen d'enroulement ( 32) couplé magnétiquement au moyen magnétique, monté sur le moyeu pour tourner avec lui et pouvant être relié électriquement au moteur; et en ce que la rotation de l'arbre du rotor ou du moyeu a pour effet d'induire un courant électrique dans le moyen d'enroulement. 4 Dispositif d'actionnement selon la revendication 3, caractérisé en ce-qu'il comprend en outre des moyens 15 de commande permettant de réguler le pas des pales ( 14) de l'hélice, ces moyens de commande comportant: un moyen ( 40) de commande de moteur électrique situé à l'intérieur du moyeu ( 10) pour commander l'énergie électrique appliquée au moteur, un moyen ( 44) de commande du moteur à hélice situé à l'intérieur du bâti statique ( 12) pour produire des signaux de commande de pas en réponse à des paramètres concernant le moteur à hélice; et un moyen de signalisation ( 46) pour transmettre 25 les signaux entre le moyen ( 44) de commande de moteur à hélice et le moyen ( 40) de commande du domoteur électrique. Dispositif d'actionnement selon la revendication 4, caractérisé en ce que les moyens de commande comprennent en outre un détecteur de vitesse ( 50) destiné à me30 surer la vitesse de rotation du moyeu ( 10); le moyen ( 40) de commande du moteur électrique étant destiné à recevoir les signaux relatifs à la vitesse du moyeu en provenance du détecteur de vitesse ( 50) et à réguler le pas des pales ( 14) indépendamment du moyen ( 44) de commande du moteur à hélice 35 dans le but de maintenir une vitesse relativement constante 255359 ú du moyeu. 6 Dispositif d'actionnement selon la revendication 4, caractérisé en ce que le moyen de signalisation ( 46) comprend un coupleur rotatif à fibre optique. 7 Dispositif d'actionnement selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des engrenages de réduction ( 24) pour relier le moteur ( 20) du dispositif d'actionnement aux pales à pas variable. 8 Dispositif d'actionnement selon la revendica10 tion 7, caractérisé en ce que l'arbre du rotor pénètre dans les engrenages de réduction ( 24). 9 Dispositif d'actionnement selon la revendication 7, caractérisé en ce que la génératrice ( 28) est située entre les engrenages ( 18) et les engrenages de réduction 15 ( 24). Dispositif d'actionnement selon la revendication 7, caractérisé en ce que la génératrice est placée à l'avant des engrenages de réduction ( 24).