Brevet FR3044410A1 — publié le 20170602

SYSTÈME D'ÉQUILIBRAGE AUTO-ADAPTATIF, MACHINE TOURNANTE ÉLECTRIQUE ET VENTILATEUR ASSOCIÉS 1. Domaine technique de l'invention L'invention concerne un système d'équilibrage d'une pièce en rotation. En particulier, l'invention concerne un système d'équilibrage adapté pour corriger les défauts de balourds statiques d'une pièce en rotation, notamment un rotor d'un ventilateur , un moteur électrique ou un générateur électrique destiné à équiper un aéronef. 2. Arrière-plan technologique Les pièces en rotation autour d'un axe de rotation présentent généralement, suite à leur fabrication, un défaut d'équilibrage appelé balourd, qui est dû à une non-coïncidence de l'axe de rotation d'une pièce avec son axe d'inertie. Cette non-coïncidence entraine l'apparition d'efforts mécaniques qui peuvent endommager les équipements dans lesquels sont présents les pièces en rotation, et provoquer des vibrations et/ou du bruit. Notamment, un balourd fréquemment rencontré est un balourd statique, dans lequel l'axe d'inertie de la pièce est parallèle à l'axe de rotation de la pièce. Un autre défaut d'équilibrage connu est le couple de balourd (autrement appelé balourd de couple), dans lequel le centre de gravité est situé sur l'axe de rotation mais l'axe d'inertie forme un angle non nul avec l'axe de rotation. La combinaison d'un balourd statique et d'un couple de balourd est appelée balourd dynamique. Le couple de balourd est toutefois négligeable lorsque le diamètre de la pièce est important par rapport à la longueur de la pièce, et le balourd dynamique est équivalent au balourd statique. Pour corriger ce balourd, les procédés de fabrication actuels comprennent une étape d'équilibrage, dans laquelle de la masse est ajoutée ou enlevée de la pièce de façon à rapprocher l'axe d'inertie de l'axe de rotation. Selon les applications, les qualités des équilibrages requis sont définies dans des classes d'équilibrage, déterminées par une grandeur normalisée nommée G, qui s'exprime sous la forme G=e.w, avec e l'excentricité résiduelle du centre de gravité en 3044410 2 mm et w la vitesse de rotation en rad/s. Les moteurs électriques, générateurs électriques et ventilateurs utilisés dans le domaine de l'aéronautique, notamment les ventilateurs des circuits de ventilation et de refroidissement des aéronefs, ont généralement une classe d'équilibrage comprise entre 5 2,5 et 6,3, c'est-à-dire qu'une pièce tournant à 12000 tours/min doit avoir une excentricité résiduelle du centre de gravité de 2 à 5 um, ou inférieure. Du fait de la miniaturisation constante des équipements, les équilibrages par ajout ou suppression de matière des pièces sont de plus en plus complexes : il est parfois impossible de disposer de zones de la pièce sur lesquelles enlever ou ajouter de 10 la matière. En outre, la miniaturisation des pièces en rotation est fréquemment accompagnée d'une augmentation de la vitesse de rotation (pouvant atteindre plus de 150 000 tours/min pour un compresseur), nécessitant ainsi une diminution de l'excentricité résiduelle pour se conformer à la classe d'équilibrage requise. De plus, certaines pièces peuvent présenter un balourd s'aggravant en 15 exploitation, du fait d'une évolution de la pièce dans le temps (par exemple une usure) et/ou du fait de l'environnement (par exemple un changement de température, de pression, etc.). Ce balourd n'est donc pas corrigeable par les méthodes d'équilibrage classiques (ajout ou enlèvement de matière). Des solutions pour supprimer ce balourd s'aggravant en exploitation ont été 20 proposées, en utilisant des systèmes d'équilibrage comprenant des masses déplaçables de façon à modifier l'équilibrage de la pièce. Toutefois, ces solutions sont soit peu optimales, soit coûteuses, et parfois difficiles à adapter à des pièces en rotation de taille réduite et à vitesse de rotation élevée. 3. Objectifs de l'invention 25 L'invention vise à pallier au moins certains des inconvénients des systèmes d'équilibrage connus. En particulier, l'invention vise à fournir, dans au moins un mode de réalisation de l'invention, un système d'équilibrage permettant de corriger le balourd statique d'une pièce en rotation. 30 L'invention vise aussi à fournir, dans au moins un mode de réalisation, un système d'équilibrage permettant un équilibrage d'une pièce en rotation pendant 3044410 3 l'exploitation de celle-ci. L'invention vise aussi à fournir, dans au moins un mode de réalisation de l'invention, un système d'équilibrage présentant une maintenance aisée. L'invention vise aussi à fournir, dans au moins un mode de réalisation, un 5 système d'équilibrage peu coûteux. 4. Exposé de l'invention Pour ce faire, l'invention concerne un système d'équilibrage d'un rotor de machine tournante électrique apte à être entrainé en rotation autour d'un axe de rotation, caractérisé en ce qu'il comprend : 10 un dispositif de détection d'un défaut d'équilibrage, adapté pour mesurer un paramètre représentatif des vibrations du rotor et pour déterminer une force mécanique représentative du défaut d'équilibrage à partir des mesures de ces vibrations, un bobinage d'équilibrage, agencé autour dudit rotor, adapté pour être 15 alimenté avec un courant d'alimentation dépendant de la force mécanique déterminée, ledit courant d'alimentation générant un champ magnétique de façon à appliquer au rotor une force magnétique opposée à la force mécanique déterminée. On entend par rotor une pièce pouvant être mise en rotation, via un champ 20 magnétique, par une machine tournante électrique comprenant un stator. Le rotor est maintenu et guidé en rotation par des paliers, par exemple de type roulement. Un système d'équilibrage selon l'invention permet donc un équilibrage du rotor auto-adaptatif, c'est-à-dire que l'équilibrage est adapté au défaut d'équilibrage (ou balourd) détecté lors de la rotation du rotor en état de fonctionnement, et peut donc 25 compenser les éventuelles dégradations d'équilibrage dans le temps, par exemple des dilatations dues à la température, la pression, l'usure, etc. L'utilisation d'un champ magnétique pour compenser la force mécanique due au défaut d'équilibrage (aussi appelée effort de balourd), permet de ne pas ajouter de frottements supplémentaires. Grâce à la mesure des vibrations, le système peut équilibrer progressivement le 30 rotor par apprentissage, de sorte à réduire au maximum les vibrations du rotor dues au balourd. Cette réduction des vibrations permet de réduire l'usure du rotor et des paliers 3044410 4 maintenant le rotor, ainsi que le bruit du rotor en fonctionnement. L'ajout d'un bobinage d'équilibrage pour générer le champ magnétique permet de s'adapter à un rotor déjà existant, sans nécessiter de modifications importantes, ce qui permet de réduire les coûts. Notamment, le système peut s'adapter à des rotors 5 montés sur tout type de palier adapté, tel que roulement à billes, palier à air, etc. Avantageusement et selon l'invention, ladite machine électrique comprenant un stator comprenant des encoches destinées à recevoir un bobinage principal, ledit système d'équilibrage est caractérisé en ce que le bobinage d'équilibrage est adapté 10 pour être disposé dans lesdites encoches. Selon cet aspect de l'invention, le bobinage d'équilibrage est adapté pour être intégré dans une machine électrique déjà existante permettant d'entraîner le rotor en rotation. Le système d'équilibrage peut ainsi utiliser une partie des composants de la machine électrique (l'alimentation électrique notamment), et occuper un espace non 15 utilisé des encoches du stator. Avantageusement et selon l'invention, le dispositif de détection de défaut d'équilibrage comprend un capteur de vibrations adapté pour transmettre un signal vibratoire représentatif de l'amplitude des vibrations mesurées en fonction du temps, et 20 en ce que le dispositif de détection de défaut d'équilibrage est adapté pour calculer une transformée de Fourier dudit signal vibratoire et pour déterminer le défaut d'équilibrage à partir de ladite transformée de Fourier et de la vitesse de rotation du rotor. Selon cet aspect de l'invention, la mesure via le capteur de vibration et la transformation de Fourier du signal vibratoire permet de déterminer les caractéristiques 25 du défaut d'équilibrage, notamment un paramètre représentatif de l'amplitude de la force mécanique à compenser et la phase, c'est-à-dire la position du balourd. Avantageusement, un système d'équilibrage selon l'invention comprend un dispositif d'alimentation du bobinage d'équilibrage, adapté pour alimenter le bobinage 30 d'équilibrage en courant d'alimentation, et le dispositif de détection est adapté pour transmettre au dispositif d'alimentation une consigne indiquant la fréquence, la phase 3044410 5 et l'amplitude du courant d'alimentation en fonction de la force mécanique déterminée. Selon cet aspect de l'invention, le dispositif détermine les caractéristiques de la force mécanique, en déduit la force magnétique opposée à la force mécanique de façon à compenser le balourd, détermine les caractéristiques du courant d'alimentation 5 permettant de générer le champ magnétique nécessaire à l'application de la force magnétique au rotor, et transmet au dispositif d'alimentation une consigne indiquant ces caractéristiques. L'invention concerne également une machine tournante électrique, caractérisé 10 en ce qu'elle comprend un rotor et un système d'équilibrage selon l'invention équilibrant ledit rotor. Avantageusement, la machine tournante électrique est un ventilateur, un moteur électrique ou un générateur électrique, etc. Avantageusement, une machine tournante électrique selon l'invention 15 comprend un stator comprenant des encoches destinées à recevoir un bobinage principal, et le bobinage d'équilibrage du système d'équilibrage du rotor de la machine tournante électrique est disposé dans lesdites encoches. L'invention concerne également un ventilateur, caractérisé en ce qu'il comprend 20 un rotor et un système d'équilibrage selon l'invention équilibrant ledit rotor. Avantageusement, un ventilateur selon l'invention comprend un stator comprenant des encoches destinées à recevoir un bobinage principal, et le bobinage d'équilibrage du système d'équilibrage du ventilateur est disposé dans lesdites encoches. 25 L'invention concerne également un système d'équilibrage, une machine tournante électrique, un ventilateur, un moteur électrique, un générateur électrique caractérisés en combinaison par tout ou partie des caractéristiques mentionnées ci-dessus ou ci-après. 30 5. Liste des figures D'autres buts, caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la 3044410 6 lecture de la description suivante donnée à titre uniquement non limitatif et qui se réfère aux figures annexées dans lesquelles : la figure 1 est une vue schématique en coupe d'un rotor présentant un balourd statique, selon un plan perpendiculaire à l'axe de rotation du rotor, 5 la figure 2 est une vue schématique d'un système d'équilibrage selon un mode de réalisation de l'invention, la figure 3 est une vue schématique en coupe d'un rotor équilibré par un système d'équilibrage selon un mode de réalisation de l'invention, selon un plan perpendiculaire à l'axe de rotation du rotor, 10 la figure 4 est une vue schématique en coupe d'un rotor et d'un stator d'une machine électrique comprenant un système d'équilibrage selon un mode de réalisation de l'invention, selon un plan perpendiculaire à l'axe de rotation du rotor, la figure 4bis est un agrandissement d'une encoche du stator de la figure 4. 15 6. Description détaillée d'un mode de réalisation de l'invention Les réalisations suivantes sont des exemples. Bien que la description se réfère à un ou plusieurs modes de réalisation, ceci ne signifie pas nécessairement que chaque référence concerne le même mode de réalisation, ou que les caractéristiques s'appliquent seulement à un seul mode de réalisation. De simples caractéristiques de 20 différents modes de réalisation peuvent également être combinées pour fournir d'autres réalisations. Sur les figures, les échelles et les proportions ne sont pas strictement respectées et ce, à des fins d'illustration et de clarté. La figure 1 représente schématiquement une coupe d'un rotor 10 présentant un 25 balourd statique, selon un plan de coupe perpendiculaire à l'axe de rotation du rotor 10. Dans un repère Oxyz orthogonal où la droite Oz est l'axe de rotation du rotor 10, la coupe est effectuée selon le plan xOy. Le balourd statique est un défaut d'équilibrage correspondant à un axe d'inertie du rotor 10 parallèle et non confondu avec l'axe Oz de rotation du rotor 10. Le balourd est dû à un déséquilibre de la répartition de poids du 30 rotor 10 autour de l'axe Oz de rotation. Lors de la rotation du rotor 10, ce balourd se manifeste par un effort perpendiculaire à l'axe Oz de rotation du rotor 10, et est 3044410 7 symbolisé sur la figure 1 par une force mécanique Fbn, ayant pour origine un point 12 (et représentatif de la position du balourd) et colinéaire à l'axe Ox (car le point 12 est sur l'axe Ox). Le rotor 10 est entraîné en rotation par exemple par une machine électrique, la rotation (représentée par la flèche w) étant engendrée par un champ B, magnétique 5 de stator généré par un stator de la machine électrique et un champ BR magnétique de rotor généré par le rotor 10. Le point 12 suit la rotation du rotor 10, et la force mécanique Fbn, reste perpendiculaire à l'axe Oz de rotation du rotor 10. Le rotor 10 est le rotor d'une machine tournante électrique, par exemple un ventilateur, notamment un ventilateur installé dans un aéronef pour la ventilation et 10 climatisation de la cabine de l'aéronef. La machine tournante électrique peut aussi être un moteur électrique, un générateur électrique, etc. La figure 2 représente schématiquement un système 14 d'équilibrage selon un mode de réalisation. Le système 14 d'équilibrage comprend un dispositif 16 de 15 détection d'un défaut d'équilibrage, un bobinage 18 d'équilibrage et un dispositif 20 d'alimentation du bobinage 18 d'équilibrage. Le système 14 d'équilibrage est dédié à l'équilibrage d'un rotor 10 présentant un balourd, tel que décrit précédemment en référence à la figure 1. Le rotor 10 et le système 14 d'équilibrage peuvent être utilisés dans un aéronef et être compris dans un ventilateur de type ventilateur de climatisation 20 ou de ventilation de la cabine de l'aéronef. Le rotor 10 est adapté pour être mis en mouvement par la machine tournante électrique, comprenant un bobinage 24 principal et une alimentation 26 électrique de type onduleur alimentant en courant polyphasé le bobinage 24 principal et adaptée pour recevoir l'énergie électrique provenant d'un réseau 28 électrique de type continu 25 ou alternatif. En particulier, lors de l'utilisation du système 14 d'équilibrage dans un aéronef, le réseau 28 électrique est par exemple un réseau de bord 28V continu ou alternatif. Le bobinage 24 principal est disposé autour du rotor 10, dans un stator (décrit plus bas en référence avec la figure 4), et entraîne par exemple dans le cas d'un moteur électrique celui-ci en rotation par force magnétique selon un fonctionnement classique 30 de machine tournante électrique. Pour permettre la réduction ou l'annulation du balourd, le système 14 3044410 8 d'équilibrage procède à l'équilibrage du rotor 10 pendant sa rotation. L'équilibrage du rotor 10 nécessite une détection du balourd et une correction dudit balourd. La détection du balourd s'effectue par traitement de plusieurs informations par le dispositif 16 de détection d'un défaut d'équilibrage. En particulier, 5 l'alimentation 26 électrique transmet (comme représenté par la flèche 30) au dispositif 16 de détection d'un défaut d'équilibrage des informations relatives à la rotation appliquée au rotor 10 (notamment la vitesse de rotation). Un capteur de vibrations (non représenté) disposé à proximité du rotor 10, de préférence au niveau des paliers (non représentés) de maintien et de guidage en rotation du rotor 10, ou sur toute autre 10 partie fixe de la machine, mesure les vibrations engendrées par le rotor 10 (et dues principalement au balourd du rotor 10). La mesure des vibrations par le capteur de vibration permet de former un signal vibratoire représentatif de l'amplitude des vibrations mesurées en fonction du temps. Ce signal vibratoire est transmis au dispositif 16 de détection d'un défaut d'équilibrage, comme représenté par la flèche 32. 15 Le signal vibratoire est ensuite traité par le dispositif 16 de détection d'un défaut d'équilibrage de façon à extraire du signal vibratoire des informations représentatives du balourd. Une transformée de Fourier du signal vibratoire est notamment calculée. La transformée de Fourier du signal vibratoire permet d'obtenir un spectre fréquentiel des 20 vibrations mesurées par le capteur de vibration. Par analyse de la transformée de Fourier, notamment sur certaines fréquences dépendant de la vitesse de rotation du rotor 10, il est possible de déterminer notamment l'amplitude du balourd, représentative de la force Fbn, mécanique, et la phase du balourd, représentative de la position du balourd. 25 Les caractéristiques du balourd déterminées permettent la détermination d'une consigne d'alimentation du bobinage d'équilibrage. La consigne d'alimentation est transmise au dispositif 20 d'alimentation du bobinage d'équilibrage, comme représenté par la flèche 33, et ledit dispositif 20 d'alimentation applique la consigne d'alimentation pour alimenter le bobinage 18 d'équilibrage. La consigne d'alimentation comprend 30 notamment des paramètres indiquant la fréquence, la phase et l'amplitude du courant à fournir au bobinage 18 d'équilibrage. Le dispositif 20 d'alimentation alimente le 3044410 9 bobinage 18 d'équilibrage en courant polyphasé. Le bobinage 18 d'équilibrage comprend plusieurs paires de pôles. Le bobinage 18 d'équilibrage, ainsi alimenté par le dispositif 20 d'alimentation, génère un champ magnétique d'équilibrage. Ce champ magnétique d'équilibrage 5 applique au rotor une force magnétique opposée à la force mécanique représentative du balourd, et permet donc de compenser le balourd afin d'équilibrer le rotor 10 durant sa rotation. Compte tenu de la rotation du rotor 10, l'alimentation en courant polyphasé est variable de façon à suivre la rotation du rotor 10, pour appliquer le champ magnétique de sorte à ce que la force magnétique suive la direction de la force 10 mécanique. Cette force Fc magnétique de compensation est représentée en référence avec la figure 3, où est représenté en coupe le rotor 10 de la figure 1 équilibré par le système d'équilibrage représenté en référence avec la figure 2. La force Fbn, mécanique due au balourd et la force Fc magnétique générée par le système d'équilibrage s'annulent, et le 15 rotor 10 est ainsi équilibré : le balourd statique est corrigé. La figure 4 représente schématiquement en coupe un rotor 10 et un stator 34 d'une machine électrique comprenant un système d'équilibrage selon un mode de réalisation de l'invention, selon un plan perpendiculaire à l'axe de rotation du rotor 10. 20 Le stator 34 comprend notamment des encoches 36 dans lesquelles sont disposées le bobinage 24 principal et le bobinage 18 d'équilibrage. Le stator 34 comprend ici seize encoches 36 à des fins d'illustration et de clarté, mais peut comprendre un nombre plus élevé ou plus faible d'encoches 36, selon les caractéristiques souhaitées de la machine électrique (vitesse de rotation notamment), le 25 nombre de paires de pôles du bobinage 24 principal, la fréquence du courant d'alimentation du bobinage 24 principal, etc. La figure 4bis représente un agrandissement d'une des encoches 36 du stator 34. Le bobinage 18 d'équilibrage est disposé dans ce mode de réalisation au fond des encoches, dans un espace non occupé par le bobinage 24 principal. En pratique, cet 30 espace non occupé est soit présent à l'origine dans la machine électrique, soit les encoches 36 du stator 34 sont conçues ou agrandies de façon à avoir l'espace nécessaire 3044410 10 pour disposer à la fois le bobinage 24 principal et le bobinage 18 d'équilibrage. Le bobinage 18 d'équilibrage occupe ainsi une place réduite dans un élément préexistant, ce qui permet de limiter l'encombrement supplémentaire apporté par le système d'équilibrage. 5 REVENDICATIONS1. Système d'équilibrage d'un rotor (10) de machine tournante électrique apte à être entrainé en rotation autour d'un axe de rotation, caractérisé en ce qu'il comprend : un dispositif (16) de détection d'un défaut d'équilibrage, adapté pour mesurer un paramètre représentatif des vibrations du rotor (10) et pour déterminer une force (Fbn,) mécanique représentative du défaut d'équilibrage à partir des mesures de ces vibrations, un bobinage (18) d'équilibrage, agencé autour dudit rotor (10), adapté pour être alimenté avec un courant d'alimentation dépendant de la force mécanique déterminée, ledit courant d'alimentation générant un champ magnétique de façon à appliquer au rotor (10) une force (Fc) magnétique opposée à la force (Fbn,) mécanique déterminée. 2. Système d'équilibrage selon la revendication 1, ladite machine électrique comprenant un stator (34) comprenant des encoches (36) destinées à recevoir un bobinage (24) principal, ledit système d'équilibrage étant caractérisé en ce que le bobinage (18) d'équilibrage est adapté pour être disposé dans lesdites encoches (36). 3. Système d'équilibrage selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le dispositif (16) de détection de défaut d'équilibrage comprend un capteur de vibrations adapté pour transmettre un signal vibratoire représentatif de l'amplitude des vibrations mesurées en fonction du temps, et en ce que le dispositif (16) de détection de défaut d'équilibrage est adapté pour calculer une transformée de Fourier dudit signal vibratoire et pour déterminer le défaut d'équilibrage à partir de ladite transformée de Fourier et de la vitesse de rotation du rotor (10). 4. Système d'équilibrage selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif (20) d'alimentation du bobinage (18) d'équilibrage, adapté pour alimenter le bobinage (18) d'équilibrage en courant d'alimentation, et en ce que le dispositif (16) de détection est adapté pour transmettre au dispositif (18) d'alimentation 3044410 12 une consigne indiquant la fréquence, la phase et l'amplitude du courant d'alimentation en fonction de la force (Fbn,) mécanique déterminée. 5. Machine tournante électrique, caractérisée en ce qu'elle comprend un rotor (10) 5 et un système (14) d'équilibrage selon une des revendications 1 à 4 équilibrant ledit rotor (10). 6. Machine tournante électrique selon la revendication 5, caractérisée en ce qu'elle comprend un stator (34) comprenant des encoches (36) destinées à recevoir un 10 bobinage (24) principal, et en ce que le bobinage (18) d'équilibrage du système (14) d'équilibrage du rotor (10) de la machine tournante électrique est disposé dans lesdites encoches (36). 7. Ventilateur, caractérisé en ce qu'il comprend un rotor (10) et un système (14) 15 d'équilibrage selon une des revendications 1 à 4 équilibrant ledit rotor (10). 8. Ventilateur selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comprend un stator (34) comprenant des encoches (36) destinées à recevoir un bobinage (24) principal, et en ce que le bobinage (18) d'équilibrage du système (14) d'équilibrage du rotor (10) du 20 ventilateur est disposé dans lesdites encoches (36).