Brevet FR3118350A1 — publié le 20220624

Une génératrice électrique à aimants permanents (G) pour aéronef, la génératrice électrique (G) étant du type conique et comportant un organe de stator (S) et un organe de rotor (R) configuré pour être entrainé par une turbomachine de l’aéronef en rotation autour d’un axe (X) afin de générer de l’énergie électrique par couplage magnétique, l’organe de rotor (R) étant monté mobile en translation selon ledit axe (X), la génératrice électrique (G) comprenant une butée avant (6), une butée arrière (7) et au moins un ressort (5), monté entre la butée avant (6) et l’organe de rotor (R), configuré pour contraindre l’organe de rotor (R) vers la butée arrière (7) selon l’axe (X) de manière à écarter l’organe de rotor (R) de l’organe de stator (S). Figure de l’abrégé : Figure 2 Génératrice électrique à aimants permanents du type conique pour aéronef La présente invention concerne le domaine des génératrices électriques embarquées dans un aéronef pour alimenter un réseau de distribution électrique d’un aéronef. De manière connue, un aéronef comporte une ou plusieurs génératrices électriques pour générer de l’énergie électrique. En pratique, une génératrice électrique comporte un organe de rotor coopérant magnétiquement avec un organe de stator de manière à générer un courant électrique suite à l’entrainement de l’organe de rotor par une turbomachine de l’aéronef. Dans l’art antérieur, pour alimenter un réseau de distribution électrique d’un aéronef, il est connu d’utiliser une génératrice électrique synchrone à excitation bobinée permettant de réguler la tension d’alimentation générée et aussi d’assurer la désexcitation. En général, une génératrice électrique synchrone à excitation bobinée possède un encombrement important, ce qui présente un inconvénient pour une application embarquée. Par ailleurs, une génératrice électrique synchrone à excitation bobinée possède des performances magnétiques inférieures à une génératrice à aimants permanents. Par contre, une génératrice à aimants permanents ne permet pas de réguler directement la tension générée ou d’assurer une désexcitation de manière optimale, ce qui est un inconvénient à son utilisation dans un aéronef. De manière incidente, en référence à la , il est connu par la demande de brevet US9825510B2 une machine électrique M_AA du type conique comportant un organe de stator S_AA et un organe de rotor R_AA, rotatif selon un axe X_AA, de manière à ménager entre eux un entrefer de forme conique. Un système de contrôle C permet de définir les courants de commande qui circulent dans l’organe de stator S_AA afin de contrôler le couple de l’organe de rotor R_AA. Lorsque le flux magnétique devient trop important dans la machine électrique M_AA, il est connu de prévoir un actionneur extérieur AE, relié à l’organe de rotor R_AA de la machine électrique M_AA, qui est configuré pour déplacer l’organe de rotor R_AA selon l’axe X_AA par rapport à l’organe de stator S_AA de manière à les écarter et stopper le couplage magnétique. L’intégration d’un tel actionneur extérieur augmente le coût, l’encombrement et la masse d’une machine électrique M_AA, ce qui présente un inconvénient. Le but de la présente invention est de proposer une génératrice électrique à aimants permanents permettant de réguler de manière optimale la tension d’alimentation et qui puisse être désexcitée et découplée de manière pratique. PRESENTATION DE L’INVENTION L’invention concerne une génératrice électrique à aimants permanents pour aéronef, la génératrice électrique étant du type conique et comporte un organe de stator et un organe de rotor configuré pour être entrainé par une turbomachine de l’aéronef en rotation autour d’un axe par rapport à l’organe de stator afin de générer de l’énergie électrique par couplage magnétique, l’organe de rotor comprenant selon l’axe une extrémité avant et une extrémité arrière dont la section est plus grande que l’extrémité avant, l’organe de rotor étant monté mobile en translation selon ledit axe, la génératrice électrique comprenant une butée avant, une butée arrière et au moins un ressort monté entre la butée avant et l’organe de rotor et configuré pour contraindre l’organe de rotor vers la butée arrière selon l’axe de manière à écarter l’organe de rotor de l’organe de stator. La génératrice à aimants permanents selon l’invention permet de réaliser une régulation de la tension d’alimentation et une désexcitation de la génératrice en agissant sur la position axiale du rotor dont l’équilibre dépend des forces exercées par le ressort, les aimants et les courants circulant dans l’organe de stator. Grâce à l’invention, on peut former une génératrice électrique à aimants permanents ayant des fonctions analogues à une génératrice synchrone à excitation bobinée tout en ayant un rendement plus élevé. De préférence, l’organe de rotor comporte un corps principal conique et des aimants permanents montés à la périphérie du corps principal conique. De manière préférée, l’organe de rotor est mobile selon l’axe entre une position d’utilisation dans laquelle l’organe de rotor est positionné en vis-à-vis de l’organe de stator et une position de repos dans laquelle l’organe de rotor est décalé vers l’arrière par rapport à l’organe de stator contre la butée arrière. Ainsi, en position de repos, le couplage magnétique est plus faible par comparaison à la position d’utilisation. De préférence, un entrefer étant défini entre l’organe de rotor et l’organe de stator, l’entrefer possède une épaisseur maximale lorsque l’organe de rotor est en position de repos. De préférence, le ressort est configuré pour exercer une force de rappel sur l’organe de rotor qui est supérieure à la force d’attraction axiale des aimants permanents de l’organe de rotor en position de repos. Ainsi, lorsqu’aucun courant de magnétisation ne circule dans l’organe de stator, l’organe de rotor est contraint en position de repos par le ressort qui s’oppose à la force d’attraction axiale des aimants permanents. Cette position de repos peut être utilisée comme une mise en sécurité de la génératrice afin de diminuer ou annuler la tension délivrée ou encore activer un mécanisme de déconnexion mécanique. Selon un aspect de l’invention, la génératrice électrique comprend un organe de déconnexion configuré pour déconnecter l’organe de rotor de la turbomachine d’aéronef. Ainsi, l’organe de rotor n’est plus entrainé en rotation, ce qui améliore la sécurité de fonctionnement. De préférence, l’organe de déconnexion est configuré pour être activé par un déplacement axial de l’organe de rotor. Ainsi, l’activation est pratique et ne requiert pas d’équipement dédié comme dans l’art antérieur. L’invention concerne également un ensemble d’une génératrice électrique à aimants permanents telle que présentée précédemment et d’un système de contrôle de ladite génératrice électrique, le système de contrôle étant configuré pour faire circuler un courant de magnétisation dans l’organe de stator de manière à modifier la position axiale de l’organe de rotor. Ainsi, le système de contrôle permet de contrôler entièrement la génératrice sans recourir à d’autres équipements. De préférence, le système de contrôle est configuré pour prélever de la puissance électrique à l’organe de stator de manière à alimenter un réseau de distribution électrique d’un aéronef. L’invention concerne en outre un aéronef comprenant au moins une turbomachine et un ensemble tel que présenté précédemment dans lequel l’organe de rotor de la génératrice électrique à aimants permanents est relié à la turbomachine. L’invention concerne aussi un procédé de commande d’une génératrice électrique à aimants permanents d’un ensemble tel que présenté précédemment, la génératrice électrique alimentant un réseau de distribution électrique d’un aéronef selon une tension d’alimentation, le procédé comprenant une étape de régulation du courant de magnétisation dans l’organe de stator de manière à modifier la position axiale de l’organe de rotor afin de réguler la tension d’alimentation. PRESENTATION DES FIGURES L’invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre d’exemple, et se référant aux figures suivantes, données à titre d’exemples non limitatifs, dans lesquelles des références identiques sont données à des objets semblables. La est une représentation schématique d’une machine électrique conique avec un actionneur externe selon l’art antérieur. La est une représentation schématique en coupe longitudinale d’une génératrice électrique à aimants permanents selon une forme de réalisation de l’invention. La est une représentation schématique vue de face de la génératrice électrique. La est une représentation schématique des forces qui s’exercent sur l’organe de rotor. La est une représentation schématique en coupe de la génératrice électrique en configuration de repos. La est une représentation schématique en coupe de la génératrice électrique en configuration d’utilisation. La est une représentation schématique en coupe de la génératrice électrique au cours d’une étape de désexcitation. La est une représentation schématique en coupe de la génératrice électrique au cours d’une étape de déconnexion. Il faut noter que les figures exposent l’invention de manière détaillée pour mettre en œuvre l’invention, lesdites figures pouvant bien entendu servir à mieux définir l’invention le cas échéant. DESCRIPTION DETAILLEE DE L’INVENTION En référence à la , l’invention concerne une génératrice électrique G à aimants permanents pour un aéronef, la génératrice électrique G est du type conique et comporte un organe de rotor R configuré pour être entrainé en rotation autour d’un axe X par rapport à un organe de stator S afin de générer de l’énergie électrique par couplage magnétique entre l’organe de rotor R et l’organe de stator S. L’organe de rotor R comprend une extrémité avant et une extrémité arrière dont la section est plus grande que l’extrémité avant. L’axe X est ainsi orienté d’arrière vers l’avant sur la . L’organe de stator S et l’organe de rotor R sont de formes coniques de manière à définir entre eux un entrefer conique ENT qui comporte une épaisseur g et une longueur L. Dans cet exemple, en référence à la , l’organe de rotor R possède un angle conique γ, défini entre l’axe X et l’axe de cône Xc. L’organe de stator S possède, de préférence, le même angle conique γ de manière à former un entrefer ENT qui possède une épaisseur constante g (pour une position axiale donnée de l’organe de rotor R comme cela sera présenté par la suite) qui est définie normalement à la surface du cône dont l’organe de rotor R a la forme comme illustré à la . L’angle conique γ est déterminé en fonction des critères de dimensionnement pour une application donnée, tels que la force du ressort, la force d’attraction axiale des aimants permanents, le déplacement axial souhaité et autres critères. La longueur L est définie selon l’axe de cône Xc et correspond à la longueur en vis-à-vis entre l’organe de rotor R et l’organe de stator S. En référence à la , l’organe de rotor R et l’organe de stator S sont entièrement en vis-à-vis et la longueur d’entrefer L correspond à la longueur conique de l’organe de rotor R. En référence à la , l’organe de rotor R est monté sur un arbre 4 s’étendant selon l’axe X. L’organe de rotor R comporte un corps principal conique 2 solidaire de l’arbre 4 et des aimants permanents 3 montés à la périphérie du corps principal conique 2 comme illustré à la . Les aimants permanents 3 sont organisés selon des polarités nord et sud. L’organe de stator S comporte un corps extérieur 1 définissant une cavité intérieure conique dans laquelle l’organe de rotor R peut tourner et se translater selon l’axe X. En référence à la , l’organe de stator S comporte une pluralité d’éléments de stator 10 répartis à la périphérie du corps extérieur 1 de manière à générer un flux magnétique entrant en interaction avec les aimants permanents 3 de l’organe de rotor R. Chaque élément de stator 10 comporte une pluralité d’enroulements 11 comme illustré à la . En référence à la , la génératrice électrique G est reliée de manière connue à un système de contrôle COM qui assure la régulation de la tension délivrée à un réseau de distribution électrique LOAD dans une certaine plage de vitesse de rotation de l’entraînement mécanique et de courant appelé par les charges, c’est-à-dire, le réseau de distribution électrique LOAD. Cette régulation agit sur la position axiale de l’organe de rotor R en contrôlant le courant I, notamment, le courant de magnétisation Id comme cela sera présenté par la suite. L’organe de rotor R est configuré pour être entrainé par une turbomachine de l’aéronef, en particulier, au niveau de l’extrémité avant de l’arbre 4. En référence à la , il est représenté un arbre de turbomachine 9 entrainant l’arbre 4 de l’organe de rotor R. En référence à la , l’organe de rotor R est monté mobile en translation selon ledit axe X afin de régler l’entrefer ENT. En particulier, l’arbre 4 est monté mobile en translation selon ledit axe X. Dans cette forme de réalisation, la génératrice électrique G comprend une butée avant 6 et une butée arrière 7 pour limiter le déplacement axial de l’organe de rotor R. La génératrice électrique G comprend également un ressort 5, monté entre la butée avant 6 et l’organe de rotor R, qui est configuré pour contraindre l’organe de rotor R vers la butée arrière 7. Autrement dit, plus l’épaisseur de l’entrefer ENT est faible, plus le ressort 5 exerce un effort important pour s’opposer à l’attraction magnétique entre l’organe de rotor R et l’organe de stator S. En pratique, l’épaisseur g de l’entrefer ENT est limitée par les butées 6,7. L’épaisseur maximale gM est obtenue lorsque l’organe de rotor R est en condition de repos contre la butée arrière 7 ( ). L’épaisseur minimale gm est obtenue lorsque l’organe de rotor R est en vis à vis de l’organe de stator S ( ). Une telle génératrice électrique à aimants permanents G permet de réguler la tension d’alimentation E à l’aide du système de contrôle COM pour alimenter le réseau de distribution électrique LOAD. Comme cela sera présenté par la suite, une telle génératrice électrique G permet de réguler la tension d’alimentation E, de réaliser une désexcitation et de réaliser une déconnexion. Le système de contrôle COM gère les courants triphasés délivrés par l’organe de stator S et permet de collecter l’énergie électrique générée par la génératrice électrique G. Les courants de commande sont triphasés, mais ils sont contrôlés dans le repère dq. En référence à la , il est représenté de manière schématique la force électromagnétique F qui est exercée sur l’organe de rotor R par magnétisme par l’organe de stator S. Cette force F se décompose en une composante radiale Fr, une composante tangentielle Ft et une composante axiale FXI. Le système de contrôle COM permet de régler le courant de magnétisation Id de la génératrice électrique G qui participe à la génération de la force d’attraction F entre l’organe de rotor R et l’organe de stator S. En pratique, les effets de la composante radiale Fr sur l’organe de rotor R se compensent et le système de contrôle COM permet de contrôler la composante axiale FXI et la composante tangentielle Ft. Autrement dit, le courant de magnétisation Id de la génératrice électrique G permet d’agir sur la force axiale FXI appliquée à l’organe de rotor R tandis que le courant Iq agira sur la force tangentielle Ft de ce même organe de rotor R. En référence à la , lors du fonctionnement de la génératrice électrique G, la force axiale globale FX appliquée par l’organe de rotor R résulte d’une combinaison de la force axiale des aimants permanents FXM et de la force axiale liée au courant de magnétisation FXI. Cette force axiale globale FX s’oppose à la force de rappel du ressort FXR. Ainsi, si la force axiale globale FX est supérieure ou inférieure à la force de rappel du ressort FXR, l’organe de rotor R peut avancer ou reculer selon l’axe X. Le mouvement de l’organe de rotor R conséquent à la compression du ressort 5 génère une variation de l’épaisseur g de l’entrefer ENT. En réduisant le courant de magnétisation Id, l’organe de rotor R recule, l’épaisseur d’entrefer g augmente et la tension d’alimentation E baisse. La tension d’alimentation E peut ainsi être régulée pour différents niveaux de vitesse de rotation par la variation de la densité du flux dans l’entrefer ENT qui peut être obtenue par la variation de l’épaisseur de l’entrefer g. La tension d’alimentation E est fonction de la densité de flux et de l’aire de l’entrefer ENT selon les formules suivantes : Avec qui sont respectivement le flux, la densité du flux et l’aire de l’entrefer ENT est le flux conductif N est le nombre de conducteurs de l’enroulement/ bobine dans chaque élément de stator 10 e, E sont respectivement le vecteur et l’amplitude de la tension we, θ sont respectivement la vitesse de rotation et la position angulaire du rotor De manière connue, l’aire Ag de l’entrefer ENT dépend de l’épaisseur g et de la longueur L de l’entrefer ENT. Ainsi, pour une réduction de moitié de l’épaisseur g, on obtient de manière avantageuse une réduction de moitié de l’amplitude de la tension d’alimentation E. Ainsi, selon l’invention, il suffit de contrôler le courant de magnétisation Id pour contrôler l’épaisseur de l’entrefer g ainsi que l’amplitude de la tension d’alimentation E. Une génératrice à aimants permanents G peut être contrôlée de manière pratique pour réguler la tension d’alimentation E. Un exemple de mise en œuvre va être présenté en référence aux figures 5 à 8. Comme illustré à la , en condition de repos, l’organe de stator S n’est pas alimenté (I=0) et il n’existe pas de couplage magnétique. Le ressort 5 contraint l’organe de rotor R contre la butée arrière 7. L’épaisseur d’entrefer g est maximale (épaisseur maximale gM). Dans cette configuration de repos, l’arbre 4, relié à l’organe de rotor R, peut être entrainé en rotation par la turbomachine de l’aéronef. En condition d’utilisation, en référence à la , l’organe de stator S est alimenté par le système de contrôle COM, ce qui induit un couplage magnétique entre les aimants permanents 3 de l’organe de rotor R et l’organe de stator S. L’organe de rotor R est positionné en vis-à-vis de l’organe de stator S. Le courant de magnétisation Id du système de contrôle COM permet de définir précisément la position axiale de l’organe de rotor R et donc la tension d’alimentation E qui est générée par la génératrice électrique G. L’arbre 4, relié à l’organe de rotor R, est entrainé en rotation par la turbomachine de l’aéronef et une tension d’alimentation E peut être fournie au réseau de distribution électrique LOAD de l’aéronef. De manière avantageuse, la force F XR du ressort 5 permet de s’opposer à la force globale axiale F X et ainsi assurer un positionnement axial dynamique tout en évitant que l’épaisseur g de l’entrefer ENT soit trop faible. Pour désexciter la génératrice électrique G, en référence à la , le courant de magnétisation Id du système de contrôle COM est annulé de manière à permettre au ressort 5 de repousser l’organe de rotor R même si la force axiale des aimants permanents FXM demeure présente. Autrement dit, la génératrice électrique G est configurée de manière à ce que la force FXR du ressort 5 soit supérieure à la force axiale FXM générée par les aimants 3 de l’organe de stator S en l’absence de courant de magnétisation Id. En position de repos, l’organe de rotor R est décalé vers l’arrière par rapport à l’organe de stator S contre la butée arrière 7. Le déplacement axial Δx, entre la position d’utilisation et la position de repos, permet de réduire le couplage des aimants permanents 3 et ainsi désexciter la génératrice électrique G. Une désexcitation peut être commandée, par exemple, pour des raisons de sécurité. A cet effet, l’épaisseur maximale d’entrefer ENT est déterminée de manière à respecter des limites de sécurité prédéterminées. La variation de l’épaisseur Δg autorisée dépend du déplacement axial Δx ainsi que de l’angle conique γ de la génératrice électrique G selon la formule suivante : La butée arrière 7 est ainsi positionnée pour permettre d’obtenir le déplacement axial Δx respectant les limites de sécurité. En référence à la , la génératrice électrique G peut comprendre un organe de déconnexion 8 configuré pour empêcher un entrainement de l’arbre 4 par l’arbre 9 de la turbomachine de l’aéronef. De manière préférée, l’organe de déconnexion 8 peut être commandé directement par le déplacement axial Δx. Une telle déconnexion permet d’augmenter la sécurité. Grâce à la génératrice électrique à aimants permanents G selon l’invention, la tension d’alimentation E peut être régulée, la génératrice électrique G désexcitée ou déconnectée de manière pratique. En outre, la génératrice électrique à aimants permanents G possède un rendement supérieur à celui d’une génératrice électrique synchrone à excitation bobinée, une densité de puissance supérieure et un encombrement réduit. Génératrice électrique à aimants permanents (G) pour aéronef, la génératrice électrique (G) étant du type conique et comportant un organe de stator (S) et un organe de rotor (R) configuré pour être entrainé par une turbomachine de l’aéronef en rotation autour d’un axe (X) par rapport à l’organe de stator (S) afin de générer de l’énergie électrique par couplage magnétique, l’organe de rotor (R) comprenant selon l’axe (X) une extrémité avant et une extrémité arrière dont la section est plus grande que l’extrémité avant, l’organe de rotor (R) étant monté mobile en translation selon ledit axe (X), la génératrice électrique (G) comprenant une butée avant (6), une butée arrière (7) et au moins un ressort (5) monté entre la butée avant (6) et l’organe de rotor (R) et configuré pour contraindre l’organe de rotor (R) vers la butée arrière (7) selon l’axe (X) de manière à écarter l’organe de rotor (R) de l’organe de stator (S). Génératrice électrique (G) selon la revendication 1, dans laquelle l’organe de rotor (R) comporte un corps principal conique (2) et des aimants permanents (3) montés à la périphérie du corps principal conique (2). Génératrice électrique (G) selon l’une des revendications 1 à 2, dans laquelle l’organe de rotor (R) est mobile selon l’axe (X) entre une position d’utilisation dans laquelle l’organe de rotor (R) est positionné en vis-à-vis de l’organe de stator (S) et une position de repos dans laquelle l’organe de rotor (R) est décalé vers l’arrière par rapport à l’organe de stator (S) contre la butée arrière (7). Génératrice électrique (G) selon la revendication 3, dans laquelle, un entrefer (ENT) étant défini entre l’organe de rotor (R) et l’organe de stator (S), l’entrefer (ENT) possède une épaisseur maximale (g M ) lorsque l’organe de rotor (R) est en position de repos. Génératrice électrique (G) selon l’une des revendications 1 à 4, dans laquelle le ressort (5) est configuré pour exercer une force de rappel (F XR ) sur l’organe de rotor (R) qui est supérieure à la force d’attraction axiale (F XM ) des aimants permanents (3) de l’organe de rotor (R) en position de repos. Génératrice électrique (G) selon l’une des revendications 1 à 5, comprenant un organe de déconnexion (8) configuré pour déconnecter l’organe de rotor (R) de la turbomachine d’aéronef. Génératrice électrique (G) selon la revendication 6, dans laquelle l’organe de déconnexion (8) est configuré pour être activé par un déplacement axial de l’organe de rotor (R). Ensemble d’une génératrice électrique à aimants permanents (G) selon l’une des revendications précédentes et d’un système de contrôle (COM) de ladite génératrice électrique (G), le système de contrôle (COM) étant configuré pour faire circuler un courant de magnétisation (Id) dans l’organe de stator (S) de manière à modifier la position axiale de l’organe de rotor (R). Aéronef comprenant au moins une turbomachine et un ensemble selon la revendication 6 dans lequel l’organe de rotor (R) de la génératrice électrique à aimants permanents (G) est relié à la turbomachine. Procédé de commande d’une génératrice électrique à aimants permanents (G) d’un ensemble selon la revendication 6, la génératrice électrique (G) alimentant un réseau de distribution électrique (LOAD) d’un aéronef selon une tension d’alimentation (E), le procédé comprenant une étape de régulation du courant de magnétisation (Id) dans l’organe de stator (S) de manière à modifier la position axiale de l’organe de rotor (R) afin de réguler la tension d’alimentation (E).