Brevet FR2772207A1 — publié le 19990611

L'invention concerne un moteur électrique autosynchrone alternatif pour la propulsion, en particulier de torpilles Les conditions d'emploi d'un moteur de torpille font apparaître des contraintes particulières dont il faut soit minimiser les incidences soit tirer avantage. Les principaux critères de performance sont les suivants: -masse limitée : le moteur doit avoir un ratio puissance/masse supérieure à 1 (kW/kg), -encombrement lié à l'implantation dans une coque de diamètre utile voisin de 500 mm. -le moteur actionne des hélices, et est assimilé à une machine de traction qui doit en particulier maîtriser les phases de démarrage. -le contrôle/commande, les tests, les commandes de sécurité vis-à-vis du stoppage doivent être fiables -les objectifs de bruits acoustiques et de vibrations doivent être les plus bas, -l'environnement "chocs et vibrations" du moteur est sévère (phases de stockage), L'invention a pour but de proposer un moteur, en particulier de propulsion de torpille, à au moins deux vitesses voire multivitesse, silencieux avec un coût de série attractif et un coût de maintenance réduit. L'invention a pour objet un moteur autosynchrone alternatif, pour la propulsion, en particulier de torpilles lourdes, comportant des moyens électroniques de puissance, caractérisé en ce qu'il comporte deux stators équipés de bobinages associés à deux rotors contrarotatifs supportant des aimants et régulés en couple et en vitesse, colinéaires d'arbres concentriques, le plus extérieur abritant le plus intérieur. Le moteur selon l'invention a une technologie "autosynchrone" (moteur alternatif synchrone à découpage, autopiloté). II comprend deux rotors contrarotatifs supportant des aimants capables de produire un champ magnétique. Les deux couples sont opposés et égaux en valeur absolue. Dans un mode de réalisation préférentiel, L'arbre intérieur traverse le moteur et présente une sortie mécanique pour test. Pour former un moteur monobloc, les moyens électroniques de puissance sont de préférence à la périphérie du carter de l'ensemble du moteur. Le moteur selon l'invention est alimenté par une source de courant continu. Préférentiellement, L'arbre intérieur est creux, pour abriter une commande de filoguidage. Le carter du moteur comporte un circuit d'eau de mer destiné au refroidissement des IGBT et des stators. La pompe de refroidissement peut être actionnée par liaison mécanique avec l'arbre extérieur ou intérieur. Dans le cas de l'application à la propulsion de torpilles, la vitesse est réglable et chaque rotor est associé à une hélice. Les vibrations mécaniques sont atténuées par des couronnes de suspension situées à l'avant et à l'arrière du moteur. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaitront à la lecture de la description suivante d'un mode de réalisation préférentiel, donné à titre illustratif et non limitatif, d'un moteur autosynchrone alternatif de propulsion d'une torpille, et de la figure unique qui représente une vue en coupe du moteur selon l'invention. Le moteur selon l'invention est constitué de deux stators 10 cylindriques colinéaires équipés de bobinages et de deux rotors cylindriques colinéaires 1 et 2, qui supportent des aimants 11; les arbres sont concentriques, I'un étant extérieur et référencé 3, I'autre intérieur et référencé 4. L'ensemble est intégré dans un carter 12 à l'intérieur d'une coque 13 de torpille. L'arbre extérieur est creux et a un diamètre qui lui permet de recevoir l'arbre intérieur. L'arbre intérieur 4 est entièrement creux et peut laisser libre un diamètre de 30 mm , permettant le passage central d'une commande de guidage de la torpille 7. II traverse de part en part le moteur, et sert à l'avant de sortie mécanique pour un frein quand le moteur est testé sur banc. A l'arrière, les deux arbres d'hélices sont en prise directe sur les deux arbres du moteur. Les bouts d'arbres devant se monter sur les arbres d'hélices ont une longueur par exemple de 100 mm et peuvent être cannelés pour l'entraînement. Chaque rotor met en mouvement une hélice et la propulsion de l'engin, qui peut être une torpille lourde de diamètre voisin de 530 mm, est assurée par deux hélices contrarotatives. L'électronique de puissance (IGBT référencés 14, filtre, condensateurs) est implantée à la périphérie et alimentée via un bus barre par la source, I'ensemble constituant ainsi une machine monobloc. Les composants sont sur les faces extérieures du carter du moteur dont le nombre est imposé par le nombre et la taille des IGBT, et par la nécessité de garder une ou deux zones pour le passage de câblages vers l'arrière de la torpille, ou pour la connectique. Dans un mode de réalisation particulier, les deux stators sont triphasés et l'ensemble moteur comporte six IGBT. La coque de la torpille comporte un circuit d'eau 5 qui refroidit à la fois les IGBT et les bobinages des stators. Le refroidissement est facilité par la proximité de l'eau de mer (refroidissement direct ou bien par échangeur en coque). Le moteur est équipé de sa propre pompe de refroidissement 6, qui est actionnée par liaison mécanique avec l'arbre extérieur 3 (courroies, roues dentées,...). Cette pompe peut aussi être raccordée à l'arbre intérieur sur la face opposée. La source d'alimentation est une pile ou une batterie. L'arrivée de puissance sur le moteur est réalisée par un connecteur enfichable pour câble de 75 mm2. Le moteur est suspendu dans la coque 13 de façon que les vibrations mécaniques transmises à la coque soient réduites par des couronnes de suspension avant et arrière 8 et 9 appartenant à la coque. Des dispositifs de manutention, qui peuvent être éventuellement les couronnes 8 et 9, éventuellement amovibles sont prévus pour faciliter la manutention. Le moteur peut être utilisé plusieurs fois pour des durées relativement courtes (de l'ordre de 30 minutes), dans le cadre de tirs d'exercice, au cours desquels il doit assurer toutes ses performances compatibles toutefois avec la source d'alimentation. Le moteur est capable de fonctionner à différentes vitesses commandées par la torpille. Au cours d'un tir, le moteur peut fonctionner à des régimes variables, les durées et le nombre de cycles étant aléatoires ; en particulier, un tir complet à pleine vitesse constitue un scénario probable. Le moteur peut être alimenté par différentes sources électriques de la torpille de tension de 250 à 600 V et de courant jusqu'à 540 A. Dans tous les cas y compris pour le test, I'électronique est alimentée par exemple sous 48 V. Pendant l'attente du démarrage la tension à vide de la pile ou de la batterie est appliquée au moteur : durée normale de l'ordre de 10 secondes. Cette durée peut atteindre 3 heures. Deux modes de lancement de la torpille sont possibles: -lancement en "pusn-out" : la torpille est éjectée du tube par un système de poussée, le moteur étant commandé quelques instants après l'éjection et les hélices de la torpille étant entraînées pendant cette course non propulsée à une vitesse d'environ 500 tours/mn. -lancement en autodémarrage : la propulsion est commandée dans le tube et la torpille est éjectée par sa propre poussée. La vitesse est commandée par la centrale de guidage (CG) de la torpille, qui génère un signal analogique 0-10 volts proportionnel à la vitesse requise. -entre 0 et 0,5 volt il y a arrêt du moteur, -une tension de test (48 V) est appliquée pendant 10 s, à 4,7 volts la vitesse est de 750 tours/mn -à 6 volts la vitesse est de 960 tours/mn -à 6,9 volts la vitesse est de 1100 tours/mn -a 10 volts la vitesse est de 1600 tours/mn L'amplitude de l'incrément de vitesse est d'environ 15 tours/mn. Une rampe d'accélération réglable évite les accoups mécaniques lors des changements de vitesse. Le mode de commande envisagé consiste à piloter le moteur de l'hélice avant (arbre extérieur) en vitesse selon la définition ci-dessus, le second moteur étant piloté pour délivrer un couple équivalent. L'écart de vitesse entre les deux arbres est, à grande vitesse stabilisée, inférieur a 50 tours/mn. Au démarrage le moteur accélère de manière continue jusqu'à la vitesse de consigne (accélération réglable de l'ordre de 5 tours/s2). L'électronique de contrôle/commande du moteur est alimentée par une partie de la pile ou de la batterie sous une tension par exemple de 48 V. L'électronique du moteur fournit les signaux suivants: -I'intensité absorbée par le moteur sous forme d'un signal analogique optoisolé dans le moteur et conditionné 0/10 avec une précision meilleure que + / - 2 % de la mesure; -la vitesse de rotation du moteur (de préférence représentatif de l'hél. ice avant ou encore de l'arbre extérieur), sous la forme d'impulsions de fréquence : 5 impulsions par tour. Une prise de mesure de tension intermédiaire peut être prévue au niveau de l'une des phases du moteur (sortie de l'onduleur la plus proche possible de l'lGBT) à des fins d'enregistrement lors de l'intégration ou d'expertises durant le développement. Le moteur déclenche une procédure d'autotest lors de chaque mise sous tension, pouvant être redéclenchée sur commande extérieure (signal 10 volts par exemple), dont la durée est de moins de 2 secondes. Le compte-rendu de type "bon/mauvais" est transmis à l'extérieur sous la forme d'un signal analogique de niveau 10 volts par exemple. Ce test ne déclenche pas la rotation du moteur. La fréquence de découpage est par exemple de 15 kHz. Une commande à 6 états permettant d'améliorer le rendement du moteur peut etre prévue pour la vitesse maximale en tant qu'option. La procédure normale de stoppage est commandée par la centrale de guidage (CG) (ordre 0 Volt sur la consigne en vitesse). Dans le cadre d'une procédure d'urgence, un contact sec ouvert par la CG entraîne la mise à zéro de la vitesse et après un temps réglable (2 s) provoque le blocage de l'électronique de puissance. Le test à terre consiste à faire tourner le moteur avec une alimentation extérieure stabilisée de 48 volts, la torpille étant montée. L'alimentation de l'électronique sous 48 V est fournie également au travers de la prise de test de la torpille. Les pertes thermiques du moteur et de son électronique sont évacuées par le circuit d'eau de mer 5. Le circuit est ouvert à la mer peu après le lancement de la torpille (pas de circuit d'eau ouvert à la mer durant toutes les phases de stockage de la torpille en tube immergé). Le moteur résiste à la corrosion de l'eau de mer sur une durée d'environ 3 semaines. Le moteur supporte la pression d'immersion de la torpille. La température maximale de l'eau est prise égale à 250 C. Le débit d'eau de l'ordre de 30 litres/minute est assuré par une pompe appartenant au moteur. Les caractéristiques dites "nominales" ci-dessous correspondent à un fonctionnement sous 300 V: à grande vitesse: -vitesse de rotation des arbres + et - 1100 tours/mn. -couple sur chaque arbre moteur: 530 Nm à vitesse intermédiaire : -vitesse de rotation des arbres: + et - 960 tours/mn. -couple sur chaque arbre moteur 410 Nm à petite vitesse: -vitesse de rotation: + et - 770 tours/mn -couple sur chaque arbre moteur: 260 Nm Les performances requises en fonction de la tension de la source d'énergie sont les suivantes : 2 kW à 48 V, 82 kW à 200 V, 122 kW à une tension > ou = à 250 V. Le rendement du moteur est supérieur à 89 % à grande vitesse. La commande à six états du moteur permet d'améliorer le rendement du moteur. Le moteur peut être piloté aux vitesses définies ci-dessus pour des durées aléatoires, jusqu'à épuisement de la source d'énergie. Le courant absorbé par le moteur est dans tous les cas limité à 540 A. L'un des deux arbres est piloté en vitesse par la consigne de vitesse fournie par la centrale de guidage (CG). Le deuxième arbre est piloté en couple de façon à ce que le couple soit égal au couple du premier + ou - 2%. Un signal d'équilibrage de couple fourni par la CG permet de faire varier la consigne de couple de + ou - 20 Nm de façon à compenser les erreurs de couples, les différences de moteurs ou les différences de frottement sur les arbres. La vitesse du deuxième arbre est limitée à la vitesse du premier à + ou - 10 %. La différence de couple peut augmenter significativement lors des transitoires de vitesse (ordre de grandeur 10 %) et à vitesse plus faible en restant dans la limite des 10 N.m. Le moteur est capable de réaliser 30 tirs sans reconditionnement, hormis éventuellement des interventions mineures ne nécessitant pas de démontage (rinçage du circuit d'eau,...). La masse du moteur et de son électronique de puissance est de moins de 106 kg. Le sens de rotation du rotor intérieur (hélice arrière) est le sens anti-horaire pour un observateur regardant la sortie mécanique du moteur. L'isolement électrique mesuré sous 500 V C C est au moins de 5 MOhm. Par ailleurs, la masse mécanique du moteur est reliée par une tresse à la masse mécanique de la torpille (coques). Le moteur tournant à vide entre 750 et 1100 tours/mn, I'équilibrage est conforme à la Norme NFE 90-600 Classe G1. Le moteur est suspendu dans la coque de la torpille de sorte que la fréquence de résonance de l'ensemble est inférieure à 100 Hz, avec pour objectif 50 Hz. Les vibrations propres au moteur seront réduites autant que possible par des actions de conceptions éprouvées. Les bobinages et les tôles des stators sont calés et imprégnés à coeur de façon à éviter toute vibration sous l'effet des charges électromagnétiques. Le moteur selon l'invention répond aux conditions d'environnement définies par les normes en vigueur. Outre la propulsion de torpilles sous-marines, le moteur selon l'invention peut trouver d'autres applications dans la propulsion d'engins navigables, sur mer ou dans les airs. REVENDICATIONS 1. Moteur autosynchrone alternatif, pour la propulsion, en particulier de torpilles lourdes, comportant des moyens électroniques de puissance, caractérisé en ce qu'il comporte deux stators (10) équipés de bobinages associés à deux rotors (1, 2) contrarotatifs supportant des aimants (11) et régulés en couple et en vitesse, colinéaires d'arbres concentriques (3, 4), le plus extérieur abritant le plus intérieur. 2.Moteur autosynchrone alternatif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'arbre intérieur (4) traverse le moteur et présente une sortie mécanique pour test. 3. Moteur autosynchrone alternatif selon l'une des revendications 1 ou 2 intégré dans un carter (12), caractérisé en ce que les moyens électroniques de puissance sont à la périphérie du carter, pour former un moteur monobloc. 4.Moteur autosynchrone alternatif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il est alimenté par une source de courant continu. 5.Moteur autosynchrone alternatif selon l'une des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que l'arbre intérieur (4) est creux, pour abriter une commande de filoguidage. 6.Moteur autosynchrone alternatif selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le carter (12) comporte un circuit d'eau de mer destiné au refroidissement des IGBT (14) et des stators (10). 7.Moteur autosynchrone alternatif selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comporte une pompe de refroidissement (6) actionnée par liaison mécanique avec l'arbre extérieur (3) ou intérieur (4). 8.Moteur autosynchrone alternatif pour la propulsion de torpilles selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il est multivitesse. 9.Moteur autosynchrone alternatif pour la propulsion de torpilles selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que chaque rotor est associé à une hélice. 10. Moteur autosynchrone alternatif pour la propulsion de torpilles selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'il est suspendu par des couronnes de suspension à l'avant et à l'arrière (9,10). Il .Moteur autosynchrone alternatif pour la propulsion de torpilles selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce qu'il est équipé de dispositifs de manutention. 12.Moteur autosynchrone alternatif pour la propulsion de torpilles selon l'une des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que les dispositifs de manutention sont constitués par les couronnes de suspension (9, 10).