Brevet FR3057120A1 — publié le 20180406

MACHINE ELECTRIQUE POUR TURBOPROPULSEUR D'AERONEF DESCRIPTION Le sujet de l'invention est une machine électrique conçue pour un turbopropulseur, et aussi un turbopropulseur et un aéronef munis de cette machine. Les turbopropulseurs comprennent une hélice, un arbre porte-hélice et une turbine à gaz qui est généralement reliée à l'arbre porte-hélice pour entraîner cette dernière. Au cours d'un vol standard, l'aéronef reproduit 5 phases : roulage au sol avant décollage ou « taxiage », décollage, vol, atterrissage puis « taxiage » à nouveau. L'aéronef se déplace, propulsé par l'hélice, elle-même entraînée en rotation par la turbine à gaz. Il existe toutefois d'autres modes d'entrainement de l'hélice, parmi lesquels celui qu'on réalise lorsque la turbine à gaz est inactive. Ce mode de déplacement à turbine coupée est apprécié parce qu'il implique une économie importante de carburant. On a alors recours à un moteur électrique pour mouvoir l'aéronef. L'aéronef nécessite aussi une fourniture constante d'électricité pour assurer diverses servitudes, parmi lesquelles on mentionnera le dégivrage de l'hélice, qui peut être accompli indépendamment du fonctionnement du moteur électrique. On est donc incité à utiliser des machines indépendantes pour assurer ces différentes fonctions, mais au prix d'un accroissement de masse et d'encombrement assez important. Et les dispositifs de dégivrage connus, fondés sur l'emploi de collecteurs à balais pour transmettre un courant généralement continu à un dispositif tournant car incorporé à l'hélice et à l'arbre porte-hélice, sont eux-mêmes complexes, et sujets à une usure. L'objet fondamental de l'invention est de fournir une machine électrique facilement intégrée à la structure d'un turbopropulseur et qui soit apte à accomplir plusieurs fonctions de fourniture d'énergie parmi lesquelles le dégivrage d'une hélice, avec un encombrement et une masse réduits. Un premier aspect de l'invention est une machine électrique qui satisfait à cette exigence. Selon cet aspect de l'invention, la machine est caractérisée en ce qu'elle comprend une première machine disposée sur un stator et un premier rotor, et une 3057120 2 seconde machine disposée sur le stator et un second rotor, le stator, le premier rotor et le second rotor étant concentriques, la première machine et la seconde machine étant commandées par des circuits électriques différents. On obtient alors deux machines électriques dont les fonctionnements 5 sont indépendants, mais qui sont intégrées l'une à l'autre en une disposition compacte à la structure simple, et susceptible d'occuper un volume et une masse réduits dans un turbopropulseur et un aéronef. La première machine électrique est avantageusement une machine électrique réversible à fonctionnement en génératrice ou en moteur, et la seconde 10 machine une génératrice d'électricité appartenant à un dispositif de dégivrage. Le second rotor est avantageusement l'arbre porte-hélice, le premier rotor et le stator entourant ledit arbre. Une bonne intégration de la machine de l'invention dans son environnement de turbopropulseur est alors réalisée. Les deux machines fonctionnent indépendamment, et quel que soit l'état - tournant ou au repos - de l'arbre porte-hélice. 15 Un autre aspect de l'invention est un turbopropulseur comprenant cette machine électrique combinée, et un autre aspect de l'invention encore est un aéronef équipé d'un tel turbopropulseur. Les différents aspects, caractéristiques et avantages de l'invention seront maintenant décrits au moyen des figures suivantes : 20 - la figure 1 illustre schématiquement un turbopropulseur équipé de l'invention ; - la figure 2 illustre une réalisation de la machine électrique ; - et la figure 3, une autre réalisation de la machine électrique. La figure 1 représente le turbopropulseur de l'invention, comprenant une turbine à gaz 1, 25 une hélice 2, un arbre porte-hélice 3, s'étendant vers la turbine à gaz 1 et pouvant être connecté à un arbre de turbine 4, qui lui est parallèle et s'étend à peu de distance de lui, par une transmission connue et qui n'est pas représentée. L'arbre porte-hélice 3 est entouré par un carter 5 de protection. Il est soutenu dans le carter 5 par des roulements 6 et 7. L'un des roulements 6 est proche de l'hélice 2, et l'autre des roulements 7 est 30 adjacent à une roue dentée 8 d'entraînement de l'arbre porte- hélice 3, qui engrène avec 3057120 3 la transmission mentionnée ci-dessus. Une machine électrique 9, caractéristique de l'invention, est disposée autour de l'arbre porte-hélice 3, entre le premier roulement 6 et la roue dentée 8, en étant entourée par le carter 5 L'aéronef de l'invention n'est pas modifié par ailleurs et n'est donc pas représenté en entier. 5 On passe à la figure 2, qui décrit la machine électrique 9. Dans ce mode de réalisation, l'arbre porte-hélice 3 est entouré par un rotor 10 concentrique, lui-même entouré par une couronne de stator 11 appartenant au carter 5. La couronne de stator 11 est munie d'un bobinage principal 13 qui peut être triphasé mais plus généralement multiphasé. Le rotor 10 est muni d'une couronne de 10 pôles magnétiques 14. Enfin, l'arbre porte-hélice 3 est muni d'un bobinage récepteur 15 légèrement décalé axialement du rotor 10 et de la couronne de stator 11. D'autres équipements qu'on peut reconnaître sur cette figure 2 sont une denture 12 disposée à l'extrémité du rotor intérieur 10 et qu'on connecte à une transmission mécanique quelconque et non représentée pour communiquer une énergie mécanique au rotor 10 15 ou au contraire recueillir cette énergie selon le mode de fonctionnement de la machine ; un pont magnétique 16, comprenant une partie 17 reliée au stator 11 et d'extension axiale et cylindrique, et une partie 18 d'extension radiale et s'étendant depuis la précédente jusqu'à une extrémité proche de l'arbre porte-hélice 2, soit devant le bobinage récepteur 15, soit à côté, de sorte que le bobinage récepteur 15 s'étend alors 20 entre cette partie 18 et le rotor 10; et un dispositif électrique 19 reliant le bobinage principal 13 à un bus continu 20 et comprenant notamment, à partir de ce dernier, des filtres 21, un convertisseur principal 22, un circuit principal 23 composé d'au moins trois fils menant aux phases du bobinage principal 13 et un circuit auxiliaire 24, muni d'un convertisseur auxiliaire 25, et menant au neutre du bobinage principal 13. 25 Voici comment le dispositif fonctionne. Le bobinage principal 13 et le rotor 10 pourvu de la couronne de pôles magnétiques 14 forment une première machine électrique apte, selon les exigences du moment, à fournir une énergie électrique à l'aéronef, ou au contraire une énergie mécanique permettant de le mouvoir, alors que la turbine à gaz 1 est à l'arrêt. La transmission par laquelle l'énergie mécanique du rotor 10 3057120 4 est exploitée peut consister en un train d'engrenages reliant la denture 12 à une denture de l'arbre porte-hélice 3, pour faire tourner celui-ci Le bobinage récepteur 15 est un bobinage induit qui, associé au bobinage principal 13, forme une seconde machine électrique, fonctionnant uniquement 5 en génératrice et qui est prévue pour être affectée au dégivrage des pales de l'hélice 2 : un circuit électrique 26, solidaire de l'arbre porte-hélice 3, relie à cet effet le bobinage récepteur 14 à un dispositif chauffant 27 thermo-électrique contenu dans l'hélice 2. On s'aperçoit que la machine électrique combinée est facilement intégrée au turbopropulseur, en occupant en pratique une cavité du carter 5 qui était vide 10 auparavant, et que son aménagement fait appel à un nombre réduit de pièces et nécessite peu de modifications de la structure existante, si bien que la masse et l'encombrement sont réduits. On évite en particulier la nécessité de transmettre l'électricité d'une génératrice fixe à l'arbre porte-hélice 2 par un collecteur à balais ; le groupement d'une portion de chaque machine sur le stator 11 (et, ici, dans le même 15 bobinage principal 13) est très économique ; et l'emploi d'une machine réversible est aussi très avantageux, tout en permettant de combiner le dégivrage au « taxiage » grâce à la seconde machine électrique. Voici comment un fonctionnement indépendant des deux machines électriques est obtenu. La première machine électrique est de fonctionnement classique 20 et son fonctionnement est fondé sur l'interaction électromagnétique entre le bobinage principal 13 et les pôles magnétiques 14 qui lui sont concentriques. L'énergie électrique passe par le circuit principal 23. La seconde machine électrique fonctionne par induction du bobinage récepteur 15 au moyen d'un flux magnétique homopolaire produit par le bobinage principal 13. Le flux homopolaire est en forme de boucle passant par le pont 25 magnétique 16, l'arbre porte-hélice 3, le rotor intérieur 10 et le stator 11, et donc par le bobinage récepteur 15. Le bobinage récepteur 15, étant à l'écart du flux principal, est donc excité seulement quand cette composante homopolaire est imposée au bobinage principal 13, indépendamment du fonctionnement en moteur ou générateur de la première machine électrique. Le courant fourni au dispositif chauffant 27 peut être 3057120 5 alternatif, ou rendu continu par un redresseur. Enfin, la vitesse de rotation (ou le repos) de l'arbre porte-hélice 3 n'a pas d'influence. La composante de flux homopolaire peut être créée par un générateur de courant alternatif indépendant, connecté entre le pôle négatif de l'alimentation 5 primaire du convertisseur principal 22 et le point neutre du bobinage principal 13, afin de superposer aux courants principaux une composante homopolaire à haute fréquence, en instaurant un déséquilibre des phases du bobinage principal 13 excitateur, par une modification de la tension du neutre par le circuit 24, avec un montage en étoile des phases du bobinage principal 13. On peut recourir au convertisseur auxiliaire 25 pour 10 donner ce courant supplémentaire, ou au convertisseur principal 22 lui-même, en exploitant la fréquence de découpage à haute fréquence de celui-ci en faisant en sorte que la somme des courants instantanés du bobinages 13 soient volontairement déséquilibrés, créant ainsi un courant homopolaire ; le convertisseur auxiliaire 25 serait alors omis. 15 La commande des deux machines électriques par deux circuits 23 et 24 électriques différents garantit l'indépendance de leurs fonctionnements. Par commodité, on dira que le circuit « commande » la machine réversible même si elle fonctionne en moteur. Un autre mode de réalisation de l'invention sera décrit au moyen de la 20 figure 3. La machine électrique porte la référence 29. L'arbre porte-hélice 3 comprend de nouveau un bobinage récepteur 30, et il est entouré par une couronne de stator 31 et un rotor 32. Le rotor 32 est pourvu d'une couronne de pôles magnétiques 33, comme précédemment ; toutefois, il entoure ici la couronne de stator 31, qui s'étend donc entre lui et l'arbre porte-hélice 3. La couronne de stator 31 porte un bobinage principal 34 et un 25 bobinage auxiliaire 35 concentrique, le bobinage principal 34 étant à l'extérieur. De plus, le bobinage récepteur 30 est concentrique au bobinage auxiliaire 35. Le bobinage auxiliaire 35, triphasé, est commandé par un convertisseur auxiliaire 36 auquel il est relié par un circuit électrique 37 à trois fils. Le convertisseur auxiliaire 36 est par ailleurs relié au bus continu 20 par des filtres 21, comme c'était le cas 3057120 6 du convertisseur principal 22 de la réalisation précédente. Et le bobinage principal 34 est commandé par un convertisseur 38 et un circuit électrique 39 analogues et indépendants. La première machine électrique de ce dispositif est constituée par les pôles magnétiques 33 du rotor 32 et le bobinage principal 34 ; il s'agit d'une machine 5 réversible dont le fonctionnement est le même que le précédent. La seconde machine électrique est composée du bobinage auxiliaire 35 qui est inducteur, et du bobinage récepteur 30 dans lequel un courant est induit par le précédent. L'induction ne fait pas ici nécessairement appel à une composante homopolaire éveillant un flux magnétique de forme particulière, mais comme 10 précédemment, le bobinage récepteur 30 est affecté au dégivrage de l'hélice 2 par un dispositif de chauffage. Les avantages de ce mode de réalisation sont analogues au précédent en ce qui concerne la bonne intégration de la machine électrique combinée dans le carter 5, sa compacité, sa simplicité. 15 Selon certaines caractéristiques : - le stator porte au moins un bobinage 13, 34, 35 de la machine ; - le bobinage 13 sur le stator est relié à chacun des circuits électriques ; - la seconde machine est disposée sur le second rotor (l'arbre porte- hélice 3) soit face à une extrémité du pont magnétique adjacente au second rotor soit 20 entre ladite extrémité et une portion du second rotor qu'entoure le stator ; - la seconde machine électrique est reliée à un dispositif chauffant thermo-électrique. REVENDICATIONS1. Machine électrique (9, 29), caractérisée en ce qu'elle comprend une première machine formée sur un stator (11, 31) et un premier rotor (10, 32), et une seconde machine formée sur le stator et un second rotor (3), le stator, le premier rotor et le second rotor étant concentriques, la première machine et la seconde machine étant commandées par des circuits électriques (23, 24, 37, 39) différents. 2. Machine électrique selon la revendication 1, caractérisée en ce que la première machine est réversible et la seconde machine est une génératrice d'électricité, le stator portant au moins un bobinage (13, 34, 35), le premier rotor portant des pôles magnétiques (14, 33), et le second rotor (3) portant un bobinage (15, 30) induit. 3. Machine électrique selon la revendication 2, caractérisée en ce que le bobinage (13) sur le stator est unique et commun à la première et à la seconde machine, et relié à chacun des circuits électriques. 4. Machine électrique selon la revendication 3, caractérisée en ce que le bobinage est multiphasé, le circuit électrique (23) de la première machine est relié aux phases du bobinage (13) sur le stator, et le circuit électrique (24) de la seconde machine est relié à un neutre dudit bobinage (13). 5. Machine électrique selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce qu'elle comprend un pont magnétique (16) entre le stator (11) et le second rotor (3), la seconde machine étant disposée sur le second rotor soit face à une extrémité du pont magnétique adjacente au second rotor, soit entre ladite extrémité et une portion du second rotor qu'entoure le stator. 6. Machine électrique selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que le premier rotor (32) entoure le stator (31), et la première machine et la seconde machine comprennent des bobinages concentriques (34, 35) disposés sur le stator. 7. Machine électrique selon la revendication 6, caractérisée en ce que le bobinage (35) de la seconde machine disposé sur le stator est concentrique à un bobinage (30) induit de la seconde machine disposé sur le second rotor. 3057120 8 8. Machine électrique selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que la seconde machine électrique est reliée à un dispositif chauffant thermo-électrique (27). 9. Turbopropulseur, comprenant une hélice (2) et un arbre porte-hélice 5 (3), caractérisé en ce qu'il comprend une machine électrique (9, 29) selon l'une quelconque des revendications précédentes autour de l'arbre porte-hélice, le second rotor correspondant à l'arbre porte-hélice, et la seconde machine électrique appartenant à un circuit de dégivrage de l'hélice. 10. Aéronef, caractérisé en ce qu'il comprend un turbopropulseur selon 10 la revendication 9.