Brevet FR3105885A1 — publié le 20210702

L’invention concerne un système d’entraînement électrique à deux étages comportant un arbre d’entrainement central (11), une génératrice électrique principale (1), une génératrice secondaire (1bis) et une unité de commande et de régulation (4), les deux rotors (2, 9) étant solidaires dudit arbre d’entrainement. Dans le système selon l’invention, La génératrice principale comporte un premier stator (14) comprenant un bobinage (8) principal polyphasé et un bobinage auxiliaire (7), le bobinage principal polyphasé délivrant une source alternative polyphasée lorsque l’arbre est en rotation ; L’unité de commande et de régulation comporte un pont redresseur polyphasé (5) et une unité de de régulation de tension (6) alimentée par ledit pont redresseur, l’unité de régulation de tension délivre une tension continue au bobinage auxiliaire ; La génératrice secondaire comporte un second stator (3) bobiné polyphasé qui alimente le pont redresseur polyphasé lorsque l’arbre est en rotation ; le premier stator et le second stator étant montés dans une carcasse mécanique commune. Figure pour l’abrégé : Fig. 1 Système d’entraînement électrique à deux étages L’invention se situe dans le domaine des génératrices électriques intégrées utilisées notamment dans les domaines de l’avionique, du spatial, de l’automobile ou de la navigation maritime. Le système selon l’invention peut être utilisé dans une large gamme de vitesses et/ou de puissances délivrées. Dans le domaine aéronautique, en particulier, il existe un besoin croissant pour des génératrices électriques performantes et hautement fiables, nécessitant peu d’opérations de maintenance. On trouvera d’autres informations dans la publication de V. Madonna, P. Giangrande, M. Galea, intitulée “Electric Power Generation in Aircraft. Review, challenges, opportunities” parue dans IEEE Transactions on Transportation Electrification, 2018, Volume: 4, Issue: 3. Les caractéristiques importantes de ce type de génératrices électriques sont la puissance électrique délivrée, la régulation des tensions délivrées, la masse et le volume du système embarqué, son autonomie et sa fiabilité, de façon à réduire autant que possible les opérations de maintenance. La durée entre deux interventions de maintenance grandissant, certaines technologies sont naturellement exclues telles que les machines à balais. La nécessité de réguler les tensions et de les maintenir constantes sur une large plage de vitesse, nécessite l’utilisation de machines électriques offrant cette flexibilité telles que les machines à réluctance variable ou les machines à aimants enterrés. Les exigences de sécurité relative aux équipements imposent de maitriser et de maintenir les niveaux de surtensions en cas de défaillance telles qu’une survitesse, une variation brusque du courant, une auto excitation. Ces exigences nécessitent de disposer d’un bobinage auxiliaire et d’une unité de régulation et de commande pouvant agir ou influer sur le niveau de tension délivré par le bobinage principal de la génératrice. L’absence possible d’une source d’alimentation externe ou la non disponibilité d’une telle source d’énergie auxiliaire pour alimenter l’unité de commande et de régulation, nécessite d’avoir une source autonome permise par la présence d’une génératrice auxiliaire. La promiscuité des éléments et l’encombrement limité impose l’intégration des différents sous-ensembles dans une même structure commune formant ainsi un système compact. Le mode de refroidissement des différentes machines et des convertisseurs doit également être commun. L’entraînement des machines principale et auxiliaire est réalisé sur un arbre commun pour les mêmes raisons. Différentes solutions techniques ont été proposées. Une première solution consiste en l’utilisation d’un starter-générateur à trois étages comportant essentiellement un alternateur principal, un étage d’excitation et un générateur à aiment permanent. On trouvera plus d’informations sur ce type de générateur dans la publication de V. Madonna et al déjà citée et dans la thèse de A.A. Naghad intitulée “Multi-physic simulation for an All Electric Aircraft on board systems for the assessment of electrical power absorptions”. On trouvera d’autres informations sur les structures d’alternateurs à trois étages dans les publications suivantes de références CN 108964532 intitulée « Staged start control system and method of three stage brushless synchronous motor » - CN 108847796 intitulée « Three-stage brushless synchronous motor reluctance type starting control method and system » - CN106059430 intitulée « Method for estimating rotor position of three-stage brushless AC synchronous motor » - CN 10884779 intitulée « Three-stage brushless synchronous motor reluctance type starting control method and system » - CN 104617788 intitulée « Rectification circuit of three-stage brushless synchronously starting/power generating excitation system ». Cette solution a l’inconvénient de présenter une puissance spécifique moindre comparée à celle de topologies de machines plus récentes. Or, les niveaux de densités de puissance et de couple exigés sont de plus en plus importants et remettent en cause l’utilisation de telles machines à rotor bobinées à trois étages. L’utilisation d’une topologie à commutation de flux et/ou à double excitation a également été développée. Celle-ci présente l’avantage d’être plus compacte et robuste que la précédente. L’excitation auxiliaire permet d’ajuster la tension et de la maintenir constante sur une plage de vitesse conséquente, prérequis des réseaux embarqués avioniques. On trouvera plus d’informations sur cette technologie dans les publications de H. Nakane, Y. Okada, T. Kosaka and N. Matsui intitule “Experimental Study on Windage Loss Reduction using Two Types of Rotor for Hybrid Excitation Flux Switching Motor”, 2016 XXII International Conference on Electrical Machines (ICEM) et de A. Nasr, M. Gabsi, S. Hlioui, «Machine à commutation de flux à double excitation. Analyse des performances : Fonctionnement Alterno-Démarreur», Conférence Internationale en Sciences et Technologies Electriques au Maghreb, Maroc. L’inconvénient de cette solution est que le système d’alimentation du bobinage auxiliaire est assuré par une alimentation externe déportée via un dispositif de contrôle et de régulation. Il est également possible de mettre en œuvre une topologie à aimants à double excitation. On trouvera plus d’informations sur cette technologie dans la publication de Flur Ismagilov, Vavilov Viacheslav, Denis Gusakov, Nikolay Tarasov, “Permanent Magnet Generator with the Tooth-Coil Winding and Saturation Magnetization of the Magnetic Core”, publiée dans International Review of Aerospace Engineering (I.RE.AS.E), Vol. 10, N. 4, 2017. Cette technologie a la réputation d’être compacte. A l’instar de la topologie à commutation de flux, l’excitation auxiliaire permet de réguler la tension délivrée. Le dispositif d’alimentation de la bobine auxiliaire est cependant déporté et généralement apporté par une source externe. On trouvera également des informations sur les structures à stator hybride à haute densité de puissance dans les publications de références suivantes : EP 2 002 529 intitulée «Machine électrique à commutation de flux et à double excitation» - CN 104539125 intitulée « Mixed excitation flux switching motor » - CN 101510701 intitulée « Parallel type mixing excitation switch magnetic linkage motor » - CN 101834474 intitulée « Multitooth magnetic bridge type hybrid excitation magnetic flux switching motor » - CN 104935095 intitulée « U-shaped stator hybrid-excitation switch reluctance machine ». Actuellement aucune de ses solutions ne permet d’obtenir une machine fiable, robuste, autonome, de dimensions réduites permettant de réguler les tensions sur une large gamme de vitesse et délivrant des puissances élevées. Le système d’entraînement électrique selon l’invention répond à ces spécifications. Il comporte essentiellement une génératrice électrique principale, une génératrice auxiliaire et une unité de commande et de régulation disposée entre les deux génératrices. Plus précisément, l’invention concerne un système d’entraînement électrique à deux étages comportant un arbre d’entrainement central, une génératrice électrique principale, une génératrice secondaire et une unité de commande et de régulation, le rotor de la génératrice principale et le rotor de la génératrice secondaire étant solidaires dudit arbre d’entrainement, caractérisé en ce que : La génératrice principale comporte un premier stator comprenant un bobinage principal polyphasé et un bobinage auxiliaire, le bobinage principal polyphasé délivrant une source alternative polyphasée lorsque l’arbre est en rotation ; L’unité de commande et de régulation comporte un pont redresseur polyphasé et une unité de de régulation de tension alimentée par ledit pont redresseur, l’unité de régulation de tension délivre une tension continue au bobinage auxiliaire ; La génératrice secondaire comporte un second stator bobiné polyphasé qui alimente le pont redresseur polyphasé lorsque l’arbre est en rotation ; Au moins, le premier stator et le second stator étant montés dans une carcasse mécanique commune. Avantageusement, le bobinage principal polyphasé alimente un redresseur. Avantageusement, le bobinage principal polyphasé alimente ou est alimenté par un convertisseur bidirectionnel. Avantageusement, l’unité de commande et de régulation et le redresseur sont montés dans la carcasse commune. Avantageusement, l’unité de commande et de régulation et le convertisseur bidirectionnel sont montés dans la carcasse commune. Avantageusement, le rotor de la génératrice principale est un rotor ferromagnétique denté ou un rotor à aimants montés en surface ou un rotor à aimants enterrés. Avantageusement, le rotor de la génératrice électrique principale et le rotor de la génératrice secondaire sont montés sur des éléments de guidage. Avantageusement, le système d’entraînement électrique comporte un moyen de ventilation. Avantageusement, le moyen de ventilation est un ventilateur monté sur l’arbre d’entraînement central ou un dispositif de ventilation forcée à gaz ou à fluide réfrigérant. L’invention concerne également un véhicule à moteur comportant un système d’entraînement électrique tel que défini ci-dessus. Ce véhicule peut être de toute nature. Le dispositif selon l’invention est particulièrement bien adapté au domaine aéronautique. Mais le véhicule peut être un véhicule terrestre, maritime ou spatial. D’autres caractéristiques, détails et avantages de l’invention ressortiront à la lecture de la description faite en référence aux dessins annexés donnés à titre d’exemple et qui représentent, respectivement : une illustration d’un synoptique d’un premier mode de réalisation d’un système d’entraînement électrique selon l’invention ; une vue de côté du système d’entraînement électrique représenté en figure 1 ; une illustration d’un synoptique d’une première variante de réalisation d’un système d’entraînement électrique selon l’invention ; une illustration d’un synoptique d’une seconde variante de réalisation d’un système d’entraînement électrique selon l’invention ; une illustration d’un synoptique d’une troisième variante de réalisation d’un système d’entraînement électrique selon l’invention. Le principe du système d’entrainement électrique selon l’invention consiste à : Utiliser une machine électrique à double excitations à aimants au rotor ou au stator et à réluctance au rotor ou pas. L’association d’un bobinage auxiliaire et d’un bobinage principal du dit stator permet d’ajuster et de réguler la tension délivrée pour la maintenir constante sur une large plage de vitesse et quel que soit la charge. Cette machine étant la machine principale du système. L’utilisation d’une machine à aimants permanents répond au besoin de la densité de puissance ; Utiliser une machine électrique secondaire à aimants permanents polyphasée et multipolaire pour alimenter le bobinage auxiliaire de la machine électrique principale. Cette machine auxiliaire permet de s’affranchir d’une source externe d’alimentation ; Intégrer les deux machines électriques au sein d’une même carcasse pour les stators et ayant le même arbre pour les deux rotors ; Intégrer une unité de commande et de régulation entre les deux machines. Cette unité étant alimentée par la machine secondaire, délivre la tension redressée au bobinage auxiliaire de la machine principale et régule la tension par la même occasion ; Délivrer une tension redressée au réseau via la machine principale et un redresseur électronique ; Intégrer l’unité de commande et de régulation à l’intérieur de la carcasse ou associée à la carcasse de l’extérieur ou interfacer cette unité indépendamment de la carcasse ; Intégrer le redresseur associé au bobinage principal à l’intérieur de la carcasse ou interfacer ce redresseur sur la carcasse. A titre d’exemple de réalisation, le système selon l’invention est représenté sur les figures 1 et 2. La figure 1 représente le synoptique fonctionnel du système. La figure 2 représente une vue de côté des éléments montés sur l’arbre central. Les références sont identiques sur ces deux figures et sur les figures suivantes. Le système comporte essentiellement une génératrice principale 1, une génératrice secondaire 1bis et une unité de commande et de régulation 4, connue également sous les acronymes « GCU », signifiant « Generator Control unit » ou « AVR », signifiant « Automatic Voltage Regulation ». La génératrice principale 1 comporte un rotor ferromagnétique denté 9 et un stator 14 comprenant un bobinage principal polyphasé 8 et un bobinage auxiliaire 7. La génératrice secondaire 1bis comporte un rotor à aimants permanents 2 représenté sur la figure 1 par un dipôle et un stator bobiné polyphasé 3. La génératrice secondaire 1bis alimente une unité de commande et de régulation 4 qui est équipée d’un pont redresseur polyphasé 5 et d’une unité de régulation de tension 6. Cette unité de commande et de régulation 4 délivre une tension continue DC au bobinage auxiliaire 7. Cette unité de commande 4 peut être munie d’une carte électronique de surveillance des défaillances. Le bobinage principal 8 de la génératrice principale 1 délivre une source alternative polyphasée qui alimente un redresseur polyphasé 10. Le rotor 2 de la génératrice secondaire 1bis et le rotor 9 de la génératrice principale 1 sont tous deux montés sur le même arbre 11 en rotation sur des éléments de guidage 18 et tournent donc à la même vitesse. Ces éléments de guidage peuvent être réalisés au moyen de différentes technologies. A titre d’exemples non limitatifs, ils peuvent être réalisés par des roulements, des paliers lisses, des paliers passifs réalisés au moyen d’aimants permanents ou des paliers actifs réalisés au moyen d’électro-aimants. Ils peuvent également être à air. Le stator contenant le bobinage 3 et le stator 14 contenant les bobinages 7 et 9 sont insérés dans une carcasse commune non représentée sur les différentes figures. L’unité de commande et de régulation 4 ainsi que le redresseur 10 sont également montés soit à l’intérieur de la carcasse soit fixés sur elle. L’ensemble des éléments forme ainsi un système compact et solidaire. Le système comporte également des éléments usuels de mesures tels que des capteurs ou des sondes qui font partie des composants intrinsèquement présents dans ce type ce système. Ils sont connus de l’homme du métier et ne sont pas représentés sur les différentes figures. De la même façon, un dispositif de refroidissement fait partie des éléments intrinsèques du dispositif. Sur la figure 2, il est représenté par un ventilateur intégré 16 monté sur l’arbre 11. Sur cette figure, ce ventilateur 16 est en amont de la génératrice principale et de la génératrice secondaire. Il peut occuper d’autres positions sur l’arbre moteur 11. Ce dispositif de refroidissement peut être un dispositif d’amené de gaz ou de fluide de refroidissement issus d’une source externe. La génératrice secondaire 1bis et le redresseur 5 de l’unité de commande et de régulation 4 peuvent être intégrés dans une même structure. De la même façon, la génératrice principale 1 peut comprendre l’intégration du redresseur 10. D’autres combinaisons peuvent être envisagées selon les spécifications du système. La figure 3 représente une première variante de réalisation. Dans cette variante, la génératrice principale 1 est munie d’un rotor à aimants montés en surface 12. La figure 4 représente une seconde variante de réalisation. Dans cette seconde variante, la génératrice principale est munie d’un rotor à aimants enterrés 13. Les aimants et l’aimantation résultante peuvent être de différents types selon les caractéristiques souhaitées. Pour assurer la fonction de démarreur de l’ensemble, le redresseur polyphasé 10 peut être remplacé par un convertisseur bidirectionnel 17 comme on le voit sur la figure 5. Cette configuration intégrée à double étage et à double excitation, permet d’assurer une compacité du système grâce à l’utilisation de deux machines à aimants et grâce à une gestion et une régulation de la tension de manière dissociée assurée par un bobinage auxiliaire, évitant ainsi de surdimensionner le convertisseur de sortie du bobinage principal. L’utilisation d’un étage auxiliaire/secondaire comportant une seconde machine à aimants permet de rendre autonome l’excitation de la bobine auxiliaire de l’étage principal et de s’affranchir d’une source extérieur telle une batterie d’alimentation qui introduirait une masse supplémentaire. Les systèmes selon l’invention sont bien adaptés à une utilisation dans des systèmes embarqués ne possédant pas un dispositif ou une source externe d’alimentation des unités de commande et de régulation de tension. Les systèmes selon l’invention peuvent également être utilisés dans des systèmes embarqués soumis à des contraintes fortes de poids et/ou de volume. Enfin, compte-tenu de leur grande fiabilité, ils conviennent à des systèmes où les durées entre deux interventions de maintenance peuvent être importantes, au-delà de 4000 heures, ce qui exclut l’utilisation de générateurs « à balais » dont la fiabilité est moins importante. Système d’entraînement électrique à deux étages comportant un arbre d’entrainement central (11), une génératrice électrique principale (1), une génératrice secondaire (1bis) et une unité de commande et de régulation (4), le rotor (9) de la génératrice principale et le rotor (2) de la génératrice secondaire étant solidaires dudit arbre d’entrainement, caractérisé en ce que : La génératrice principale comporte un premier stator (14) comprenant un bobinage (8) principal polyphasé et un bobinage auxiliaire (7), le bobinage principal polyphasé délivrant une source alternative polyphasée lorsque l’arbre est en rotation ; L’unité de commande et de régulation comporte un pont redresseur polyphasé (5) et une unité de de régulation de tension (6) alimentée par ledit pont redresseur, l’unité de régulation de tension délivre une tension continue au bobinage auxiliaire ; La génératrice secondaire comporte un second stator (3) bobiné polyphasé qui alimente le pont redresseur polyphasé lorsque l’arbre est en rotation ; Au moins, le premier stator et le second stator étant montés dans une carcasse mécanique commune. Système d’entraînement électrique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le bobinage principal polyphasé alimente un redresseur (10). Système d’entraînement électrique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le bobinage principal polyphasé alimente ou est alimenté par un convertisseur bidirectionnel (17). Système d’entraînement électrique selon la revendication 2, caractérisé en ce que l’unité de commande et de régulation et le redresseur sont montés dans la carcasse commune. Système d’entraînement électrique selon la revendication 3, caractérisé en ce que l’unité de commande et de régulation et le convertisseur bidirectionnel sont montés dans la carcasse commune. Système d’entraînement électrique selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le rotor de la génératrice principale est un rotor ferromagnétique denté ou un rotor à aimants montés en surface (12) ou un rotor à aimants enterrés (13). Système d’entraînement électrique selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le rotor de la génératrice électrique principale et le rotor de la génératrice secondaire sont montés sur des éléments de guidage. Système d’entraînement électrique selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le système d’entraînement électrique comporte un moyen de ventilation (16). Système d’entraînement électrique selon la revendication 8, caractérisé en ce que le moyen de ventilation est un ventilateur monté sur l’arbre d’entraînement central. Système d’entraînement électrique selon la revendication 8, caractérisé en ce que le moyen de ventilation est un dispositif de ventilation forcée à gaz ou à fluide réfrigérant. Véhicule à moteur, caractérisé en ce qu’il comporte un système d’entraînement électrique selon l’une des revendications précédentes.