Brevet FR3099315A1 — publié le 20210129

Description Titre de l'invention : Turbogénérateur pour propulsion électrique hybride aéronautique Domaine technique [0001] La présente invention se rapporte au domaine de la propulsion hybride aéronautique et elle concerne plus particulièrement un turbogénérateur dont le générateur électrique peut délivrer une pluralité de tensions de sortie avec des niveaux de puissances distinctes. Technique antérieure [0002] Dans un turbogénérateur classique, un générateur électrique couplé à une machine thermique génère une puissance globale à un niveau de tension donnée. Cette énergie est ensuite convertie aux différents niveaux de tension de sortie requis par les récepteurs électriques via une électronique de puissance qui a l'inconvénient d'une masse élevée, notamment lorsque les rapports de conversion en tension sont très importants, ce qui nécessite de recourir à différents étages de conversion. [0003] Cette électronique de puissance est aussi un maillon supplémentaire dans la chaine des rendements et entraine une dégradation de la fiabilité, engendrant à la fois un besoin de puissance supplémentaire pour compenser cette baisse de rendement, et un besoin de refroidissement supplémentaire lié à la nature thermique des pertes associées. [0004] De plus, classiquement les générateurs de gaz des turbines aéronautiques sont munis d'un démarreur électrique pouvant fonctionner en mode générateur lorsque la turbine est démarrée (avec un niveau de tension classique de 28Vdc), dont le rendement est en général faible (environ 70-75%) et qui possède en outre une masse relativement élevée (environ 1,5kg par kW). [0005] Or, la montée en maturité des architectures hybrides électriques propulsives aéro- nautiques permet l'utilisation de récepteurs électriques exploitant potentiellement des niveaux de puissance et de tension différents. [0006] On connait avec la demande FR2566975 un générateur électrique à plusieurs sorties comportant un rotor à aimants permanents commun et un stator muni d'une pluralité de bobinages permettant notamment la création de trois systèmes triphasés distincts mais non indépendants. [0007] 11 existe en outre aujourd'hui une nécessité de répondre aux défis techniques posés par ces nouvelles architectures tant dans la rationalisation à la fois des dispositifs de génération et de conversion électrique que dans une réduction de l'encombrement de ces dispositifs de génération et conversion électrique tout en améliorant leur rendement 2 et leur fiabilité. Exposé de l'invention [0008] C'est pour répondre à cette nécessité qu'il est proposé un turbogénérateur aéro- nautique pour propulsion électrique hybride comprenant : [0009] - une machine thermique [0010] - un générateur électrique, couplé mécaniquement à la machine thermique et comportant un rotor et un stator, [0011] le rotor s'étendant selon une direction axiale et comportant une culasse aimantée commune rotorique comprenant une pluralité d'aimants permanents définissant des secteurs annulaires mobiles répartis axialement, [0012] le stator comportant une culasse magnétique statoriquc comprenant une pluralité de bobinages électriques définissant des secteurs fixes répartis axialement et/ou radialement, les secteurs fixes étant au moins en partie annulaires, [0013] caractérisé en ce qu'au moins deux secteurs fixes sont disposés angulaircment de sorte à être non coïncidant axialement entre eux et de sorte à coopérer avec au moins un secteur annulaire mobile pour délivrer au moins deux niveaux de tension distincts. [0014] Ainsi, il est possible de mettre à disposition de récepteurs électriques des réseaux électriques alternatifs polyphasés directement utilisables tout en augmentant la fiabilité, la disponibilité de la puissance électrique et en réduisant l'encombrement. [0015] Dc préférence, chaque secteur fixe de stator a axialement une dimension identique ou non. [0016] Avantageusement, à un secteur annulaire mobile de rotor d'une dimension dé- terminée, correspond un secteur fixe axial de stator dc même dimension ou non. [0017] Dc préférence, le rotor comporte au moins trois secteurs annulaires mobiles et le stator comporte au moins un secteur fixe axial recouvrant au moins deux secteurs annulaires mobiles. [0018] Avantageusement, au moins un secteur fixe de stator est également sectorisé selon une direction radiale. [0019] Selon le mode de réalisation envisagé, les secteurs fixes radiaux dc stator sont en nombre pair et disposés symétriquement dc part et d'autre d'un axe longitudinal du générateur électrique ou les secteurs fixes radiaux de stator sont disposés asymétriquement par rapport à un axe longitudinal du générateur électrique. [0020] De préférence, la machine thermique est une turbine à gaz ou un moteur à combustion interne. [0021] Avantageusement, le rotor est à aimantation radiale, parallèle ou de type Halbach et le stator présente un bobinage diamétral ou concentrique. Brève description des dessins 3 100221 D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront mieux de la description faite ci-dessous, en référence aux dessins annexés qui en illustrent des exemples de réalisation non limitatifs et sur lesquels : [0023] [fig.1] La figure 1 est une vue schématique d'un turbogénérateur aéronautique, [0024] [fig.2] La figure 2 représente deux demi-vues en coupe longitudinale d'un générateur électrique de turbogénératcur aéronautique selon des premier et deuxième exemples de réalisation de l'invention, [0025] [fig.3] La figure 3 représente deux demi-vues en coupe longitudinale d'un générateur électrique de turbogénératcur aéronautique selon des troisième et quatrième exemples de réalisation de l'invention, [0026] [fig.4À-4B] La figure 4 représente deux vues en coupe transversale d'un générateur électrique de turbogénératcur aéronautique selon des cinquième et sixième exemples de réalisation de l'invention, [0027] [fig.SÀ-SB] La figure 6 représente des premier et second exemples de connexion mécanique des bobinages des secteurs radiaux de stator du générateur électrique de la figure 4, et [0028] [fig.6] La figure 6 représente une vue en déroulé du dessus d'un générateur électrique de turbogénératcur aéronautique selon un septième exemple de réalisation de l' invention. Description des modes de réalisation [0029] La figure 1 illustre de façon schématique un système dc génération de puissance électrique P pour aéronef comportant un générateur électrique 10 couplé mécaniquement à une machine thermique 12 via un arbre d'cntraincment 14 lui-même relié à unc charge propulsive 16 dc l'aéronef [0030] Dans un aéronef, et plus particulièrement un aéronef à propulsion électrique hybride, la machine thermique est typiquement une turbine à gaz et l'ensemble formé par cette turbine à gaz et le générateur électrique constitue ce qu'il est convenu d'appeler un turbogénérateur aéronautique. Dans certains domaines plus spécifiques, cette machine thermique peut être aussi un moteur à combustion interne, par exemple un moteur diesel. [0031] La turbine à gaz comporte classiquement un compresseur à un ou plusieurs étages (de type axial ou centrifuge), une ou plusieurs chambres de combustion et une turbine de puissance à un ou plusieurs étages (de type radial ou centrifuge) pouvant ou non comporter une turbine libre. Lorsqu'elle comporte une telle turbine libre, la turbine libre et le générateur électrique sont montés sur le même arbre d'entrainement concentrique à un arbre dit haute pression support du compresseur et de la turbine de puissance. Cet arbre supporte alors aussi un démarreur/génératrice assurant le démarrage de la turbine à gaz. Lorsque la turbine à gaz est du type turbine liée, l'arbre d'entrainement est constitué directement par l'arbre haute pression. Dans la suite de la description, l'arbre d'entrainement 14 pourra donc se référer indistinctement à l'une ou l'autre de ces deux configurations de turbines à gaz ou encore à l'arbre de sortie d'un moteur à combustion interne. [0032] Conformément à l'invention et comme le montrent les figures 2 et 3, le générateur électrique 10 comporte un axe longitudinal XX' qui définit une direction axiale et une direction radiale perpendiculaire. Il comprend un rotor à aimants permanents formé d'une culasse aimantée commune 100 et d'une couronne formée d'une pluralité d'aimants permanents 102 à polarité alternée répartis radialement autour de cette culasse aimantée commune rotoriquc 100 (voir la loupe associée à cc rotor). Le rotor est sectorisé dans la direction axiale en cc sens que cette couronne d'aimants est disposée en plusieurs secteurs successifs (seuls trois secteurs sont illustrés pour la simplification des dessins) indépendants les uns des autres et pouvant être soit de dimension identique, selon cette direction axiale, comme le montrent les trois secteurs 102A, 102B, 102C de la partie supérieure de la figure 2, soit de dimension différente comme le montrent les trois secteurs 102A, 102B, 102C de la partie inférieure de cette même figure 2. Cette pluralité d'aimants permanents définie ainsi des secteurs annulaires mobiles répartis axialement. [0033] Cc rotor à aimants permanents sectorisé est entouré par un ou plusieurs stator(s). Un stator est formé d'une culasse magnétique commune statorique 200 et d'une pluralité de bobinages 201 distribués radialement au sein de cette culasse magnétique commune statorique 200 (voir la loupe associée à ce stator). [0034] Un stator est configuré pour délivrer, indépendamment les uns des autres, un niveau distinct de tension polyphasée via une connexion électrique 203. [0035] Ce stator est également sectorisé selon la direction axiale, chaque secteur axial de stator 202A, 202B, 202C pouvant avoir dans cette direction axiale une dimension identique (voir la partie supérieure de la figure 2) ou non (voir la partie inférieure de la figure 2), définissant des secteurs fixes répartis axialement. Les secteurs fixes répartis axialement de stator peuvent être d'une dimension identique à celle des secteurs annulaires mobiles répartis axialement de rotor en vis-à-vis, comme le montre la figure 2, ou être de dimension différente comme le montre la figure 3. Ainsi, sur la partie supérieure de la figure 3, à trois secteurs axiaux de rotor (pris pour cet exemple de même dimension) correspond deux secteurs axiaux de stator 202A, 202D et sur la partie inférieure de la figure 3, à trois secteurs axiaux de rotor correspond un secteur unique ou commun 202E de stator qui recouvre toutes les parties des secteurs axiaux de rotor. Plus généralement, le rotor comporte au moins trois secteurs annulaires mobiles et le stator comporte au moins un secteur fixe axial recouvrant au moins deux secteurs an- nulaires mobiles. [0036] L'aimantation des aimants 102 du rotor peut être radiale, parallèle, de type Halhach ou toute autre configuration appropriée et le bobinage 201 du stator de type diamétral ou concentrique. [0037] Les figures 4A et 4B illustrent deux autres exemples de réalisation de l'invention dans lesquels la sectorisation du stator n'est plus axiale mais radiale définissant des secteurs fixes répartis radialemcnt et donc au moins en partie annulaires, la sectorisation du rotor restant quant à elle axiale. Sur la figure 4A, cette sectorisation radiale est symétrique dans ce sens où les secteurs fixes répartis radialement de stators 204A-204F sont en nombre pair (six dans l'exemple illustré qui ne saurait être limitatif) et disposés symétriquement de part et d'autre de l'axe longitudinal XX' du générateur électrique. Sur la figure 4B, cette sectorisation radiale est asymétrique dans ce sens où les secteurs fixes répartis radialemcnt de stators 206A- 206F qui peuvent être en nombre pair (six également dans l'exemple illustré) sont disposés asymétriquement par rapport à l'axe longitudinal XX' du générateur électrique, c'est à dire sans respecter aucune symétrie particulière autour du rotor. A chaque secteur est associée une connexion électrique permet de délivrer un niveau de tension polyphasée particulier. Les ensembles stators formés par la culasse 200, les bobinages 201 et la connexion électrique 203 sont supportés par la carcasse 210 du moteur. [0038] Comme le montrent schématiquement les figures 5A et 5B, la tenue mécanique des bobinages peut être assurée par des obstacles formant parois 208 ou un boulonnage extérieur 209. Dans cette seconde configuration, la carcasse du moteur est constituée seulement par un anneau extérieur formant cage 220, les stators étant espacés par un simple vide d'air 230. [0039] Enfin, la figure 6 illustre un dernier exemple de réalisation préférentiel dans lequel au moins un secteur fixe axial de stator est également sectorisé selon une direction radiale. Ainsi, à un premier stator 240A (culasse, bobinage et connexion électrique) qui s'étend sur plusieurs secteurs axiaux de rotor 102A, 102B succède un second stator 240B (culasse, bobinage et connexion électrique) qui s'étend également sur plusieurs secteurs axiaux de rotor 102B, 102C, un secteur axial de rotor commun 102B étant entouré d'un stator sectorisé radialement pour recevoir à la fois une partie du premier stator 240A et une partie du second stator 240B. [0040] Avec l'invention, au moins cieux secteurs fixes sont disposés angulairement pour être non coïncidant axialement entre eux et coopérer avec au moins un secteur mobile pour délivrer au moins deux niveaux de tension distincts. [0041] On notera que l'ensemble des architectures précédemment décrites permet la gé- nération de N puissances électriques avec N niveaux différents de tension polyphasée avec un seul turbogénérateur. En outre, la connexion mécanique directe sur l'arbre de 6 la machine thermique donne accès à des vitesses de rotations élevées (considérées comme de la haute vitesse) permettant ainsi de minimiser la niasse des générateurs électriques et dans le cas de l'utilisation d'une turbine à gaz de type turbine liée (monocorps), il est possible de supprimer l'alternateur-démarreur. 7 REVENDICATIONS[Revendication 1] Turbogénérateur aéronautique pour propulsion électrique hybride comprenant : - unc machine thermique (12) - un générateur électrique (10) couplé mécaniquement à la machine thermique et comportant un rotor et un stator, le rotor s'étendant selon une direction axiale et comportant une culasse aimantée commune rotorique (100) comprenant une pluralité d'aimants permanents (102) définissant des secteurs annulaires (102A, 102B, 102C) mobiles répartis axialement, le stator comportant une culasse magnétique statorique (200) comprenant une pluralité de bobinages électriques (201) définissant des secteurs fixes répartis axialement (202A, 202B, 202C, 202D, 202E ; 240A, 240B) et/ou radialement (204A, 204B, 204C, 204D, 204E, 204F ; 206A, 206B, 206C, 206D, 206E, 206F ; 240A, 240B), les secteurs fixes étant au moins en partie annulaires, caractérisé en ce qu'au moins deux secteurs fixes sont disposés angulairement de sorte à être non coïncidant axialement entre eux et de sorte à coopérer avec au moins un secteur annulaire mobile pour délivrer au moins deux niveaux de tension distincts. [Revendication 2] Turbogénérateur aéronautique selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque secteur fixe de stator a axialement une dimension identique ou non. [Revendication 3] Turbogénérateur aéronautique selon la revendication 2, caractérisé en ce que, à un secteur annulaire mobile de rotor d'une dimension déterminée, correspond un secteur fixe axial de stator de même dimension ou non. [Revendication 4] Turbogénérateur aéronautique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le rotor comporte au moins trois secteurs annulaires mobiles et le stator comporte au moins un secteur fixe axial recouvrant au moins deux secteurs annulaires mobiles. [Revendication 5] Turbogénérateur aéronautique selon la revendication 4, caractérisé en ce que au moins un secteur fixe axial de stator est également sectorisé selon une direction radiale. [Revendication 6] Turbogénérateur aéronautique selon la revendication 1, caractérisé en ce que les secteurs fixes radiaux de stators sont en nombre pair et disposés symétriquement de part et d'autre d'un axe longitudinal du générateur électrique. 8 [Revendication 7] Turbogénératcur aéronautique selon la revendication 1, caractérisé en ce que les secteurs fixes radiaux de stators sont disposés asymétriqucment par rapport à un axe longitudinal du générateur électrique. [Revendication 8] Turbogénératcur aéronautique selon l'une quelconque des reven- dications 1 à 7, caractérisé en cc que la machine thermique (12) est une turbine à gaz ou un moteur à combustion interne. [Revendication 9] Turbogénératcur aéronautique selon l'une quelconque des reven- dications 1 à 8, caractérisé en cc que le rotor (100, 102) est à aimantation radiale, parallèle ou de type Halhach. [Revendication 10] Turbogénératcur aéronautique selon l'une quelconque des reven- dications 1 à 9, caractérisé en cc que le stator (200, 201, 203) présente un bobinage diamétral ou concentrique.