Brevet FR3025953A1 — publié le 20160318

DOMAINE DE L'INVENTION L'invention concerne le domaine des alternateurs. L'invention est avantageusement appliquée à la production d'électricité dans un aéronef, par récupération d'énergie mécanique d'une turbomachine. ETAT DE LA TECHNIQUE La génération d'électricité dans un aéronef est réalisée à partir d'alternateurs qui prélèvent une partie de la puissance mécanique disponible sur un arbre de turbomachine, pour la convertir en puissance électrique. L'implantation d'un alternateur dans une turbomachine impose des contraintes de fonctionnement très fortes. En particulier, chaque alternateur doit résister à des températures élevées, par exemple de l'ordre de 200 à 250°C, et doit être en mesure de fournir une puissance importante, par exemple de l'ordre de 500 kW. Les alternateurs utilisés jusqu'à présente comprennent un inducteur, installé généralement sur une partie tournante de l'alternateur, et un induit, installé sur une partie fixe. L'inducteur comprend une bobine qui doit être alimentée en courant électrique pour générer un champ magnétique entre l'inducteur et l'induit. L'alimentation de la bobine de l'inducteur est réalisée par l'utilisation de balais, qui établissent un contact électrique avec la bobine et donc frottent sur des bagues appropriées lorsqu'elle est entrainée en rotation. Ceci implique une usure des balais et la nécessite de mettre en oeuvre des opérations de maintenance pour les remplacer occasionnellement. Or l'accès à un alternateur dans une turbomachine peut être complexe et nécessiter de démonter et remonter certains sous-ensembles de la turbomachine, ce qui impose de garder l'aéronef au sol le temps de la maintenance. On comprend donc que ces opérations de maintenance pour remplacer les balais peuvent être longues et coûteuses. Une autre solution a été proposée dans des conditions d'application différentes. Cette solution est dépourvue de balais frottant, et consiste à former dans un alternateur un générateur permettant d'alimenter l'inducteur de l'alternateur. Cette solution requiert d'ajouter un pont redresseur pour transformer le courant alternatif issu du générateur en courant continu ainsi que des pièces magnétiques et enroulements supplémentaires dans la machine. 3025953 2 Cette solution n'est cependant pas implantable dans une turbomachine car les composants du pont redresseur ne peuvent pas résister aux contraintes thermiques. 5 PRESENTATION DE L'INVENTION L'invention a pour but de proposer une solution de génération de puissance électrique ne présentant pas les inconvénients de l'art antérieur. En particulier, un but de l'invention est de proposer un alternateur du type sans-balai, capable de résister à des contraintes thermiques élevées et de générer 10 une puissance électrique importante. A cet égard, l'invention a pour objet un alternateur comprenant : - un arbre fixe, - un induit, comprenant un coeur d'induit de révolution autour de l'arbre et un 15 bobinage enroulé sur le coeur d'induit, et - un inducteur de révolution autour de l'arbre, comprenant un coeur d'inducteur et un bobinage d'inducteur, le coeur d'inducteur comprenant une pluralité de pôles magnétiques alternativement sud et nord dits tournants, adaptés pour générer un courant électrique alternatif dans le bobinage d'induit lorsqu'ils 20 sont entrainés en rotation, l'alternateur étant caractérisé en ce que le coeur d'inducteur comprend une partie fixe et une partie mobile portant les pôles magnétiques tournants, le bobinage d'inducteur étant enroulé sur la partie fixe, l'induit s'étendant autour dudit bobinage, et la partie mobile de l'inducteur entourant l'induit. 25 Avantageusement, mais facultativement, l'alternateur selon l'invention peut en outre comprendre au moins l'une des caractéristiques suivantes : - la partie fixe du coeur d'inducteur comprend un cylindre principal coaxial avec l'arbre et monté fixe sur celui-ci, et deux disques s'étendant à chaque 30 extrémité du cylindre principal. - chaque disque présente une surface radialement externe tronconique ou cylindrique. 3025953 3 - chaque disque présente une surface radialement externe tronconique, et la partie mobile du coeur d'inducteur présente à ses extrémités longitudinales des surfaces tronconiques. - les surfaces tronconiques des disques et de la partie mobile sont espacées 5 d'entrefers d'épaisseurs non nulles et inférieures à 1 mm, et de préférence comprises entre 0,2 et 0,5 mm. - un disque présente un rayon minimal strictement supérieur au rayon de la surface radialement externe de l'induit, et l'autre disque présente un rayon maximal inférieur ou égal au rayon minimal du premier disque. 10 - le diamètre de la partie mobile de l'inducteur est supérieur à sa longueur dans la direction de l'arbre. L'invention a également pour objet un ensemble comprenant une pluralité d'alternateurs selon l'une des revendications précédentes, comprenant un arbre fixe 15 et une partie mobile d'inducteur communs aux alternateurs. Avantageusement, mais facultativement, l'ensemble selon l'invention comporte une pluralité d'alternateurs dans lequel la partie fixe du coeur d'inducteur comprend un cylindre principal coaxial avec l'arbre et monté fixe sur celui-ci, et deux 20 disques s'étendant à chaque extrémité du cylindre principal, et dans lequel deux alternateurs adjacents comprennent chacun un cylindre principal et un disque commun entre les cylindres, les induits présentent des surfaces externes de rayons identiques, et dans lequel : - l'ensemble présente, à une extrémité, un disque de section tronconique dont 25 le rayon minimal est strictement supérieur au rayon de la surface radialement externe des induits, et - les autres disques de l'ensemble présentent une section cylindrique dont le rayon est inférieur ou égal au rayon minimal du disque du premier alternateur. 30 La structure de l'alternateur proposé, dont la seule pièce tournante entoure les autres pièces en étant à l'extérieur de celles-ci, permet de générer un flux magnétique alternatif, et donc un courant alternatif induit, uniquement par une pièce magnétique passive et sans contact frottant. 3025953 4 Les pièces d'usure sont donc supprimées et les besoins en maintenance minimisés. De plus, la structure proposée ne nécessite pas de pont redresseur ou d'autres composants électroniques, ce qui assure que le fonctionnement de 5 l'alternateur n'est pas impacté par des températures élevées en fonctionnement. DESCRIPTION DES FIGURES D'autres caractéristiques, buts et avantages de l'invention ressortiront de la description qui suit, qui est purement illustrative et non limitative, et qui doit être lue 10 en regard des dessins annexés sur lesquels : - La figure la représente une vue en coupe longitudinale d'un alternateur selon un mode de réalisation de l'invention - La figure lb représente une vue en coupe transversale de l'alternateur de la figure la. 15 - Les figures 2a à 2e représentent des variantes de réalisation d'entrefers de l'inducteur, - La figure 3 représente un exemple de partie mobile d'inducteur - La figure 4 représente un ensemble comprenant plusieurs alternateurs. 20 DESCRIPTION DETAILLEE D'AU MOINS UN MODE DE REALISATION DE L'INVENTION Un alternateur 1 est représenté en figures la et lb. Il comprend un arbre fixe de support 10 s'étendant le long d'un axe X-X, un inducteur 20 et un induit 30 25 montés sur l'arbre. L'alternateur 1 présente une forme généralement cylindrique et est coaxial avec l'arbre 10 support. L'induit 30 comprend un coeur d'induit 31, en matériau magnétique, par exemple en fer, qui est une pièce de révolution autour de l'arbre 10, et un bobinage 34 enroulé autour du coeur. 30 De préférence, le coeur 31 comporte une base 32 annulaire, et une pluralité de plots 33 répartis à intervalle angulaire constant sur la circonférence de la base, et le bobinage 34 comprend une pluralité de bobines 35, chacune étant enroulée sur un plot 33. 3025953 5 L'induit 30 est fixe et monté sur l'inducteur 20, et centré sur celui-ci au moyen d'une pièce de liaison cylindrique réalisée en un matériau non magnétique. Dans un mode de réalisation avantageux, le matériau est même un isolant magnétique, par exemple un matériau supraconducteur. 5 L'inducteur 20 comprend un coeur d'inducteur 21 également en matériau magnétique, par exemple en fer, et un bobinage d'inducteur 22. Le coeur d'inducteur 21 comprend une partie fixe 23 et une partie mobile 24. Comme visible sur la figure la, la partie fixe et la partie mobile de l'inducteur 20 10 coopèrent pour former un circuit magnétique et délimitent entre elles une cavité torique s'étendant autour de l'arbre 10, la partie mobile se trouvant radialement à l'extérieur autour de l'arbre. Ladite cavité est adaptée pour recevoir le bobinage d'inducteur 22 ainsi que l'induit 30. 15 Comme visible dans la figure 2b, l'alternateur présente donc une structure par couches concentriques, comprenant, par ordre croissant de distance par rapport à l'axe X-X : - L'arbre 10, - La partie fixe 23 de l'inducteur, 20 - Le bobinage 22 enroulé autour de la partie fixe de l'inducteur, - L'induit 30, et en particulier le coeur 31 puis le bobinage 34, et - La partie mobile 24 de l'inducteur. Cette structure déporte donc la partie tournante de l'alternateur à l'extrémité 25 radialement externe de l'alternateur, ce qui supprime la nécessité de contacts frottant. La partie fixe 23 comprend un cylindre principal 230 s'étendant autour de l'arbre 10, le cylindre et l'arbre étant coaxiaux. Le bobinage d'inducteur 22 est 30 enroulé autour du cylindre principal 230. De part et d'autre du cylindre principal 230, la partie fixe 23 de l'inducteur 20 comprend deux disques 231, 232 s'étendant radialement autour de l'axe de l'alternateur - qui est aussi l'axe de l'arbre 10. 3025953 6 Les disques 231, 232 sont des pièces de révolution autour de l'arbre 10, et solidaires de celui-ci. Comme décrit-ci-après, chaque disque 231, 232 présente une surface radialement externe 233, 234 qui peut être cylindrique ou tronconique, en étant coaxiale avec l'arbre 10. 5 La partie mobile 24 du coeur d'inducteur 20 comprend une pièce de révolution cylindrique ou présentant une section longitudinale en L, dont la forme est adaptée pour venir en regard des disques 231, 232 afin de former avec les disques et le cylindre 230 un circuit magnétique. Le circuit magnétique formé par la partie 10 fixe et la partie mobile comporte donc deux entrefers, qui sont les interstices entre chacun des disques et la partie mobile. On note respectivement el et £2 les entrefers correspondant aux disques 231 et 232. Les disques 231, 232 et la partie mobile 24 sont avantageusement conformés de manière à maximiser la perméance entre la partie fixe 23 et la partie 15 mobile au niveau de chaque entrefer. La perméance est proportionnelle à la surface d'échange entre les deux parties, et inversement proportionnelle à leur distance. La maximisation de la perméance est donc réalisée en maximisant la section de l'entrefer, et en réduisant la distance entre les disques et la partie mobile. 20 Concernant l'épaisseur de l'entrefer, elle doit être aussi étroite que possible, mais autoriser tout de même un jeu suffisant entre les pièces pour ne pas entraver la rotation de la partie mobile 24. Avantageusement, l'épaisseur e1,2 de l'entrefer £1,2 entre un disque et la partie mobile est strictement positive et inférieure ou égale à 1 mm, et de préférence comprise entre 0,2 et 0,5 mm: 0 REVENDICATIONS1. Alternateur (1) comprenant : - un arbre (10) fixe, - un induit (30), comprenant un coeur (31) d'induit de révolution autour de l'arbre et un bobinage (34) enroulé sur le coeur d'induit, et - un inducteur (20) de révolution autour de l'arbre, comprenant un coeur d'inducteur (21) et un bobinage (22) d'inducteur, le coeur d'inducteur comprenant une pluralité de pôles magnétiques (245', 246') alternativement sud et nord dits tournants, adaptés pour générer un courant électrique alternatif dans le bobinage d'induit (34) lorsqu'ils sont entrainés en rotation, l'alternateur étant caractérisé en ce que le coeur d'inducteur (21) comprend une partie fixe (23) et une partie mobile (24) portant les pôles magnétiques tournants, le bobinage d'inducteur (22) étant enroulé sur la partie fixe (23), l'induit (30) s'étendant autour dudit bobinage (22), et la partie mobile (24) de l'inducteur entourant l'induit (30). 2. Alternateur (1) selon la revendication 1, dans lequel la partie fixe (23) du coeur d'inducteur comprend un cylindre principal (230) coaxial avec l'arbre et monté fixe sur celui-ci, et deux disques (231, 232) s'étendant à chaque extrémité du cylindre principal. 3. Alternateur (1) selon la revendication 2, dans lequel chaque disque (231, 232) présente une surface radialement externe (233, 234) tronconique ou cylindrique. 4. Alternateur (1) selon la revendication 3, dans lequel chaque disque (231, 232) présente une surface radialement externe (233, 234) tronconique, et la partie mobile (24) du coeur d'inducteur (20) présente à ses extrémités longitudinales des surfaces (240, 241) tronconiques. 5. Alternateur (1) selon la revendication 3, dans lequel les surfaces tronconiques des disques et de la partie mobile (24) sont espacées d'entrefers (c1, £2) d'épaisseurs non nulles et inférieures à 1 mm, et de préférence comprises entre 0,2 et 0,5 mm. 30 3025953 13 6. Alternateur (1) selon l'une des revendications 3 à 5, dans lequel un disque (231) présente un rayon minimal strictement supérieur au rayon de la surface (Re30) radialement externe de l'induit (30), et l'autre disque (232) présente un rayon 5 maximal inférieur ou égal au rayon minimal du premier disque. 7. Alternateur selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le diamètre de la partie mobile (24) de l'inducteur est supérieur à sa longueur dans la direction de l'arbre. 10 8. Ensemble comprenant une pluralité d'alternateurs (1A, 1B, 1C) selon l'une des revendications précédentes, comprenant un arbre fixe (10) et une partie mobile (24) d'inducteur communs aux alternateurs. 15 9. Ensemble selon la revendication précédente, comprenant une pluralité d'alternateurs (1A, 1B, 1C) selon l'une des revendications 2 à 6, dans lequel deux alternateurs adjacents comprennent chacun un cylindre principal et un disque commun (232) entre les cylindres, les induits présentent des surfaces externes de rayons identiques, et dans lequel : 20 - l'ensemble présente, à une extrémité, un disque (231) de section tronconique dont le rayon minimal est strictement supérieur au rayon de la surface radialement externe des induits (30A, 30B, 30C), et les autres disques (232A, 232B, 232C) de l'ensemble présentent une section cylindrique dont le rayon est inférieur ou égal au rayon minimal du disque du 25 premier alternateur.