Brevet FR3150635A1 — publié le 20250103

Transformateur tournant à entrefer radial segmenté à grand diamètre Transformateur tournant à entrefer radial destiné à être installé autour d'un arbre mobile en rotation, le transformateur tournant étant constitué d'une pluralité de secteurs annulaires de stator (22) et d'une pluralité de secteurs annulaires de rotor (24), la juxtaposition de ces secteurs annulaires formant un anneau de stator et un anneau de rotor constitués de circuits magnétiques stator et rotor élémentaires comportant des noyaux magnétiques externes (30) et internes (34) et des premier (32) et second (36) bobinages électriques pour permettre un transfert d'énergie électrique par induction électromagnétique entre les anneaux de stator et de rotor, les noyaux magnétiques internes (34) et externes (30), présentant chacun une forme standard en C ou en I, étant montés axialement et séparés par un entrefer radial e et les noyaux magnétiques externes et/ou les noyaux magnétiques internes présentent à chacune de leurs deux extrémités des épanouissements annulaires (30A, 30B ; 34A, 34B) réalisés par la découpe en secteurs adjacents d’un anneau circulaire magnétique formé d’un empilement axial de tôles circulaires avantageusement pourvues d’encoches pour faciliter leur assemblage sur les noyaux magnétiques externes et internes. Figure pour l’abrégé : Fig. 4A. Transformateur tournant à entrefer radial segmenté à grand diamètre La présente invention se rapporte au domaine du transfert de puissance entre un repère fixe et un repère tournant pour le dégivrage électrique (électrothermique) des pales d’hélice d’une turbomachine d’aéronef et a pour objet un transformateur tournant monophasé utilisé dans un environnement sévère pour la transmission d'énergie électrique sans contact par induction électromagnétique entre des premier et second bobinages électriques de ce transformateur. Sur les aéronefs électriques ou hybrides comme sur les aéronefs conventionnels, il y a plusieurs surfaces à protéger contre le givre sur les parties fixes et tournantes de la turbomachine. La protection envisagée pour les parties tournantes est en général exclusivement électrothermique à base de tapis chauffants électriques formés de nappes de résistances couvrant les surfaces à protéger. Pour assurer le transfert de puissance et donc acheminer l’énergie électrique de la partie fixe à la partie tournante où les tapis chauffants électriques sont installés, il est connu de recourir à un dispositif appelé « slip ring » dont le principe consiste à faire frotter plusieurs bagues conductrices fixes solidaires de la partie fixe sur des pistes conductrices circulaires et solidaires de la partie tournante, afin de créer une connexion électrique entre la partie fixe et la partie tournante de la turbomachine. Toutefois, l’inconvénient majeur de cette solution réside dans sa durée de vie très limitée due à l’usure des pièces en frottement continu, laquelle génère donc des coûts d’exploitation inacceptable sur un avion commercial monocouloir du type A320 ou B737 où la partie tournante endure de multiples rotations. Par ailleurs, il est connu que du fait de l’environnement sévère (thermique, électromagnétique et vibratoire) existant dans les aéronefs hybrides comportant de nombreuses charges moteurs électrifiées, l’intégration d’équipements électriques est un enjeu majeur et doit répondre à de multiples contraintes liées à la fois à une accessibilité pour le montage/démontage et à un cheminement des câbles de puissance avec d’importants rayons de courbure et des servitudes comme le refroidissement. Il existe donc un besoin actuel pour une solution fiable et à durée de vie importante de transfert de puissance d’un repère fixe vers un repère tournant applicable à des arbres de rotation de grand diamètre et dans le respect des contraintes d’un équipement remplaçable en ligne sous aile (LRU : Line Replaceable Unit). La présente invention a donc pour but principal un transformateur tournant de grand diamètre, segmenté en quartiers, dont la maintenance est facilitée et n’interfère pas avec les autres systèmes et modules de la turbomachine de l’aéronef et ce malgré son installation dans une zone confinée, contrainte et difficile d’accès. Un autre but est de proposer un transformateur dont la topologie facilite la « première monte » en insérant axialement le transformateur dans le moteur en une seule opération. Un autre but est de proposer un transformateur adapté au transfert en mode résonnant ou non avec un contrôle simplifié mais robuste. Encore un autre but est de permettre une industrialisation de ce transformateur tournant à moindre coût, tout en limitant les rebuts de matériaux à la fabrication. Ces buts sont atteints par un transformateur tournant destiné à être installé autour d'un arbre mobile en rotation, le transformateur tournant étant constitué d'une pluralité de secteurs annulaires externes de stator et d'une pluralité de secteurs annulaires internes de rotor, la juxtaposition sur 360° de ces secteurs annulaires externes de stator et internes de rotor formant un anneau externe de stator et un anneau interne de rotor constitués d’un ensemble de circuits magnétiques stator et rotor élémentaires, chacun des circuits magnétiques stator élémentaires comportant un noyau magnétique externe et un premier bobinage électrique et chacun des circuits magnétiques rotor élémentaires comportant un noyau magnétique interne et un second bobinage électrique pour permettre un transfert d'énergie électrique par induction électromagnétique entre les anneaux externe de stator et interne de rotor, caractérisé en ce que les noyaux magnétiques internes et externes sont montés axialement et séparés par un entrefer radial, les noyaux magnétiques externes et internes présentant chacun une forme en C ou en I et en ce que les noyaux magnétiques externes et/ou les noyaux magnétiques internes présentent au niveau de chacun des entrefers des épanouissements annulaires réalisés par la découpe en secteurs adjacents d’un anneau circulaire magnétique formé d’un empilement axial de tôles circulaires. Ainsi, avec ce transfert de puissance sans contact, une amélioration de la fiabilité, de la durée de vie et par conséquent du coût d’exploitation du transformateur, peut être obtenu. De plus, une meilleure accessibilité au transformateur est possible facilitant son intégration dans les systèmes et modules de la turbomachine de l’aéronef. Usage de formes standards de circuit magnétique facilite une industrialisation. Un tel transformateur tournant est avantageusement utilisé pour le dégivrage électrique des pales d’hélice et du cône avant d’une turbomachine d’aéronef. De préférence, les noyaux magnétiques internes et externes en forme de C ou de I sont formés d’un empilement radial de tôles planes d’un matériau magnétique de type amorphe ou nanocristallin ou FeNi, d’un bloc de poudre magnétique constitué de poudre d’Amorphe ou autre matériau ou d’un empilement axial de tôles enroulées en FeNi ou un autre matériau comme le FeSi ou le FeCo et les épanouissements annulaires sont formés d’un empilement axial de tôles circulaires en FeNi ou un autre matériau comme le FeSi ou le FeCo. Avantageusement, l’anneau circulaire magnétique comporte des encoches en forme de créneaux pour faciliter son assemblage par emmanchement avec les éléments magnétiques en C ou en I. De préférence, les noyaux magnétiques externes ou internes en forme de C ou en I sont issus de la découpe en deux parties identiques d’un élément magnétique standard de forme oblongue constituée d’un empilement radial de tôles enroulées ou axial de tôles planes. Avantageusement, le nombre des noyaux magnétiques externes par secteur annulaire externe de stator est ou non identique au nombre des noyaux magnétiques internes par secteur annulaire interne de rotor. De préférence, le bobinage au stator comme au rotor qui peut être filaire ou en rubans est soit un bobinage concentrique autour de chaque noyau magnétique externe pour le stator et interne pour le rotor soit un bobinage unique entourant tous les noyaux magnétiques externe pour le stator et interne pour le rotor d’un secteur annulaire déterminé. Avantageusement, les secteurs annulaires externes de stator sont identiques et interchangeables entre eux et/ou les secteurs annulaires internes de rotor sont identiques et interchangeables entre eux. Selon le mode de réalisation considéré, les secteurs annulaires externes de stator sont interconnectés entre eux électriquement par des pièces d’interconnexions souples accessibles au montage/démontage au travers de trappes d’accès circonférentielles et les secteurs annulaires internes de rotor sont interconnectés entre eux électriquement par des pièces d’interconnexions souples accessibles au montage/démontage au travers de trappes d’accès circonférentielles. Selon le mode d’intégration du transformateur, le stator et le rotor peuvent être inversé : le stator peut être formé de secteurs annulaires internes comme le rotor peut être formé de secteurs annulaires externes. 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 dépourvus de tout caractère limitatif et sur lesquels : la illustre une partie d’une turbomachine d’aéronef intégrant un transformateur tournant conforme à l’invention, la montre un quartier du transformateur tournant de la , [Fig. 3A-3B] les figures 3A et 3B montrent un exemple de réalisation d’un noyau magnétique externe de stator composant le quartier de transformateur tournant de la , [Fig. 4A-4B] les figures 4A et 4B montrent deux exemples d’un segment du quartier de stator composant le quartier de transformateur tournant de la , la illustre un autre exemple de réalisation d’une partie de transformateur tournant selon l’invention, la illustre un premier exemple de segment de quartier de transformateur tournant selon l’invention, et la illustre un deuxième exemple de segment de quartier de transformateur tournant selon l’invention. Le principe de l’invention mis en œuvre est basé sur une segmentation du transformateur tournant, au stator (dit primaire) comme au rotor (dit secondaire), en plusieurs secteurs annulaires ou quartiers ayant chacun une masse et un temps de remplacement compatible avec une opération de maintenance au sol limitant le temps d’immobilisation de l’avion, de sorte que les interventions de maintenance et de remplacement (montage /démontage) sont facilitées et peuvent être réalisées par un outillage classique à travers de trappes d’accès dédiées, sans avoir à démonter ni à interférer avec les autres parties de la turbomachine de l’aéronef. Pour ce faire, les secteurs annulaires de stator sont identiques et interchangeables entre eux et les secteurs annulaires de rotor sont identiques et interchangeables entre eux. Le transfert de puissance entre le stator et le rotor se fait par induction électromagnétique et sans contact. Le stator est alimenté par une électronique dédiée (onduleur monophasé résonant (soft switching) ou non (hard switching) ou pleine onde) fonctionnant à des fréquences élevées (plusieurs dizaines de kilohertz) ou à des fréquences basses. Comme le montre la qui est une partie de turbomachine d’aéronef, le transformateur tournant 10 selon l’invention est monté entre un arbre de transmission 12 mobile en rotation formant une partie tournante de la turbomachine et un carter 14 formant une partie fixe de la turbomachine, muni de trappes d’accès circonférentielles 14A au travers desquelles chacun des quartiers ou secteurs annulaires du transformateur tournant 10 peut être installé ou aisément retiré pour réparation ou maintenance puis réinstallé une fois ces interventions de remplacement effectuées. La illustre plus précisément un exemple d’un secteur annulaire ou quartier 20 du transformateur tournant 10 (qui dans l’exemple illustré comporte une seule voie mais deux voies redondantes axialement décalées seraient aussi possibles) constitué d’un quartier de stator fixe 22 solidaire du carter et d’un quartier de rotor tournant 24 solidaire de l’arbre de transmission, le quartier de rotor étant monté axialement dans le quartier de stator pour former le quartier de transformateur en conservant un entrefer radial e entre stator et rotor. Le transformateur tournant formé par la juxtaposition sur 360° de plusieurs quartiers 20 présente un grand diamètre, de l’ordre du mètre et plus, qui permet au rotor de recevoir un arbre de transmission également de grand diamètre, comme un arbre d’hélice. Selon l’invention, la juxtaposition sur 360° de ces différents secteurs annulaires au stator et au rotor forment un anneau externe de stator et un anneau interne de rotor constitués d’une pluralité de circuits magnétiques stator et rotor élémentaires monophasés comportant respectivement un noyau magnétique statorique 30 et un premier bobinage électrique (primaire 32) et un noyau magnétique rotorique 34 et un second bobinage électrique (secondaire 36), les noyaux magnétiques statorique et rotorique étant séparés par l’entrefer radial e . Les bobinages stator (ou rotor) au niveau d’un secteur sont interconnectés entre eux en série. De même, les secteurs stator (ou rotor) sont également interconnectés entre eux en série pour former le bobinage primaire du transformateur monophasé complet (ou secondaire). D’autres mode de connexion au primaire comme au secondaire sont possibles pour optimiser les performances de transfert. Par exemple, dans le cas de N secteurs (N étant un nombre pair), l’homme du métier peut envisager sans faire preuve d’activité inventive de connecter en deux branches parallèles les N/2 secteurs montés en série. Comme indiqué précédemment, tant au stator qu’au rotor, les secteurs annulaires sont identiques et interchangeables entre eux. Par contre, le nombre de ces circuits magnétiques élémentaires par secteur annulaire n’est pas forcément identique au stator et au rotor, le choix du nombre de circuits magnétiques au stator et au rotor étant guidé par des considérations de conception et d’optimisation de performances de transfert. Un secteur annulaire au stator ou au rotor est conçu comme un LRU (Line Replaceable Unit) démontable et remplaçable sous aile au travers de trappes d’accès circonférentielles dédiées 14A. Ils sont interconnectés entre eux électriquement par des pièces d’interconnexions souples également accessibles au montage/démontage au travers des trappes d’accès circonférentielles 14A. Il est important de noter que ces pièces d’interconnexions électriques tant au stator qu’au rotor doivent être souples (type tresses ou équivalent) et non mécaniquement structurales pour limiter (voire éviter) la transmission d’efforts mécanique entre secteurs adjacents. Le type de matériau utilisé pour le noyau magnétique pourra être différent ou non au stator et au rotor (par exemple empilement de tôles enroulées en FeNi au stator et bloc de poudre au rotor). Mais un noyau magnétique en tôle enroulée de type amorphe ou nanocristallin ou sous forme de bloc de poudre de tout autre matériau magnétique adapté (par exemple en poudre d’Amorphe) est envisagé de préférence. L’usage de matériaux de type Amorphe ou Nanocristallin particulièrement adapté à la haute fréquence permet de réduire la taille et la masse du transformateur ainsi que ses pertes. Différentes topologies sont envisageables pour chaque circuit magnétique élémentaire au stator et au rotor permettant la réalisation du transformateur tournant selon l’invention. Ces topologies ont toutes en commun le fait que les noyaux magnétiques statoriques (ou externe de stator 30) et/ou les noyaux magnétiques rotoriques (ou interne de rotor 34) présentent à leurs deux extrémités des épanouissements 30A, 30B ; 34A, 34B réalisés de façon économique avec des formes magnétiques standards sans gaspillage de matériaux à la découpe. Les épanouissements ont pour but d’éviter une discontinuité des lignes de champs magnétiques pendant la rotation, améliorant de ce fait l’efficacité du transfert et une simplification de la gestion du mode résonant ou non par un contrôle simplifié indépendant de la rotation (pas de variation des paramètres magnétiques du transformateur en fonction de la position angulaire). Ainsi, et comme le montrent les figures 3A et 3B, le noyau magnétique 30 du stator comme le noyau magnétique 34 du rotor sont obtenus chacun à partir d’un assemblage de deux éléments : un élément magnétique standard 40 en forme de C ou de U (plus connu sous le sigle C-core) issu de préférence d’une découpe d’un empilement radial de tôles enroulées 42, et un épanouissement annulaire 44 issu de la découpe d’un anneau circulaire magnétique 46 fait d’un empilement axial de tôles circulaires prédéfini au bon diamètre. L’anneau circulaire est découpé en un nombre déterminé de secteurs annulaires prévus pour constituer le transformateur complet. Pour améliorer la robustesse mécanique de l’assemblage et faciliter l’emmanchement des C-core dans les épanouissements, les anneaux sont avantageusement découpés pour créer des encoches 44A en forme de créneaux. La montre l’assemblage obtenu avec un empilement radial de tôles enroulées au stator et un empilement axial de tôles circulaires découpées au rotor. La illustre une variante avec un empilement axial de tôles planes au stator et un empilement axial de tôles circulaires découpées au rotor. Dans ces deux variantes illustrées qui ne sauraient être limitatives, les épanouissements sont dépourvus d’encoches. Comme illustré sur ces figures 4A et 4B, le bobinage 32 au stator 30 est un bobinage concentrique autour de chaque C-core du stator. De même, le bobinage 36 au rotor 34 est un bobinage concentrique autour de chaque C-core du rotor. Les bobinages peuvent être filaires ou en rubans selon les différentes contraintes d’intégration et de performances à respecter. De façon préférentielle, les bobinages du stator au niveau d’un secteur annulaire sont interconnectés entre eux en série. Les secteurs annulaires sont également interconnectés entre eux en série pour former le bobinage primaire du transformateur complet. Le même principe d’interconnexion entre secteurs et dans chaque secteur est mis en œuvre pour le rotor. Toutefois, d’autres modes d’interconnections sont possibles, comme il a pu être précisé précédemment. Le noyau magnétique du stator 30 comme celui du rotor 34 comportent des épanouissements annulaires 30A, 30B ; 34A, 34B à chacune de leurs deux extrémités mais une configuration sans épanouissement au stator ou au rotor (mais pas aux deux, stator et rotor) est aussi possible, comme il sera montré plus avant en référence aux figures 6 et 7. Les épanouissements stator et rotor (qui ne comportent pas d’encoches sur les deux exemples illustrés) sont séparés par l’entrefer radial e . Dans le mode de réalisation illustré à la , les noyaux magnétiques au stator et au rotor sont fait de l’assemblage d’un élément magnétique en forme de I (ou I-Core 50, 52) et d’un épanouissement annulaire 54A, 54B ; 56A, 56B monté à chacune des deux extrémités opposées de ces deux éléments magnétiques formant chacun un pont entre deux épanouissements. Les épanouissements annulaires stator et rotor sont chacun séparés par l’entrefer radial e. Les bobinages au stator 58, 60 ou au rotor peuvent chacun être enroulé autour d’un unique élément magnétique (un unique pont en I-Core) ou autour de plusieurs comme illustré (par exemple un par quartier ou secteur de transformateur). L’ensemble des pièces sont assemblées et maintenues par des pièces mécaniques adaptées (non représentées). La illustre un premier exemple d’un segment (une partie comportant quatre noyaux magnétiques de stator) d’un quartier de transformateur dans lequel seuls les noyaux magnétiques du stator 30 comportent à chacune de leurs deux extrémités des épanouissements annulaires 30A, 30B, l’entrefer radial e se trouvant entre ces épanouissements annulaires au stator et les deux extrémités des noyaux magnétiques du rotor 34. Les bobinages au stator comme au rotor sont des bobinages concentriques 32, 36 autour de chaque élément de type C-core. La illustre un deuxième exemple d’un segment (une partie comportant quatre noyaux magnétiques de stator) d’un quartier de transformateur dans lequel seuls les noyaux magnétiques du rotor 34 comportent à chacune de leurs deux extrémités des épanouissements annulaires 34A, 34B, l’entrefer radial e se trouvant alors entre ces épanouissements annulaires du rotor et les deux extrémités des noyaux magnétiques du stator 30. Les bobinages au stator comme au rotor sont ici aussi des bobinages concentriques 32, 36 autour de chaque élément C-core. Bien entendu, les deux exemples précités peuvent être mis en œuvre avec des éléments statoriques de forme I-core tels qu’illustrés à la au lieu de C-Core. On pourra noter que si dans les exemples précédents, les bobinages au stator comme au rotor autour chaque C-Core indépendamment, il est toutefois possible de former un unique bobinage entourant tous les éléments C-core d’un secteur annulaire déterminé de transformateur tant au stator qu’au rotor. On notera que si la zone d’intégration du transformateur est accessible et permet un démontage d’un anneau complet au stator comme au rotor, un bobinage unique sur 360° pourrait aussi être envisagé au stator comme au rotor. Si à titre d’application, il a été fait référence au dégivrage des pales d’hélice et du cône avant d’une turbomachine d’aéronef, parmi les autres applications possibles, notamment dans l'industrie aéronautique, qui peuvent tirer profit de l'utilisation de transformateurs tournants, on peut citer, la remontée d’informations de capteurs de couple pour le calage variable d'aubes dans les avions et le calage du pas d'hélice dans les hélicoptères, par exemple. Pour de telles applications, la suppression du collecteur à balais frottant classique et son remplacement par un transformateur tournant sont avantageux car il permet de fiabiliser le matériel en supprimant le risque de panne créé par l'usure fréquente des balais. Ainsi, l’invention présente notamment les avantages suivants : . une facilitation des opérations de première monte, . une amélioration de la fiabilité et de la durée de vie du système de dégivrage par une solution de transfert sans contact, . un coût d’exploitation du système réduit à travers l’amélioration de sa fiabilité et de son accessibilité (amélioration du temps de remplacement de l’équipement), . une intégration facilitée du système de dégivrage sur la turbomachine. Transformateur tournant (10) à entrefer radial destiné à être installé autour d'un arbre mobile en rotation (12), le transformateur tournant étant constitué d'une pluralité de secteurs annulaires externes de stator (22) et d'une pluralité de secteurs annulaires internes de rotor (24), la juxtaposition sur 360° de ces secteurs annulaires externes de stator et internes de rotor formant un anneau externe de stator et un anneau interne de rotor constitués de circuits magnétiques stator et rotor élémentaires, chacun des circuits magnétiques stator élémentaires comportant un noyau magnétique externe (30, 50) et un premier bobinage électrique (32, 58) et chacun des circuits magnétiques rotor élémentaires comportant un noyau magnétique interne (34, 52) et un second bobinage électrique (36, 60) pour permettre un transfert d'énergie électrique par induction électromagnétique entre les anneaux externe de stator et interne de rotor, caractérisé en ce que les noyaux magnétiques internes (34, 52) et externes (30, 50), présentant chacun une forme standard en C ou en I, sont montés axialement et séparés par un entrefer radial ( e ) , les noyaux magnétiques externes et/ou les noyaux magnétiques internes présentant à chacune de leurs deux extrémités des épanouissements annulaires (30A, 30B ; 34A, 34B ; 54A, 54B ; 56A, 56B) réalisés par la découpe en secteurs adjacents d’un anneau circulaire magnétique (46) formé d’un empilement axial de tôles circulaires. Transformateur tournant selon la revendication 1, dans lequel les noyaux magnétiques internes et externes (30, 34 ; 50, 52) en forme de C ou en I sont formés d’un empilement radial de tôles enroulées d’un matériau magnétique de type amorphe ou nanocristallin, d’un empilement axial de tôles planes ou d’un bloc de poudre magnétique constitué de poudre d’Amorphe et les épanouissements annulaires sont formés d’un empilement axial de tôles circulaires en FeNi, en FeSi ou FeCo. Transformateur tournant selon la revendication 1 ou la revendication 2, dans lequel l’anneau circulaire magnétique comporte des encoches (44A) en forme de créneaux pour faciliter son assemblage par emmanchement avec les éléments magnétiques en C ou en I. Transformateur tournant selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel les noyaux magnétiques externes ou internes en forme de C ou en I sont issus de la découpe en deux parties identiques d’un élément magnétique standard de forme oblongue (42) constituée d’un empilement radial de tôles enroulées ou axial de tôles planes. Transformateur tournant selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel le nombre des noyaux magnétiques externes par secteur annulaire externe de stator est ou non identique au nombre des noyaux magnétiques internes par secteur annulaire interne de rotor. Transformateur tournant selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel le bobinage au stator comme au rotor qui peut être filaire ou en rubans est soit un bobinage concentrique autour de chaque noyau magnétique externe ou interne soit un bobinage unique entourant tous les noyaux magnétiques externe ou interne d’un secteur annulaire déterminé. Transformateur tournant selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel les secteurs annulaires externes de stator sont identiques et interchangeables entre eux et/ou les secteurs annulaires internes de rotor sont identiques et interchangeables entre eux. Transformateur tournant selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel les secteurs annulaires externes de stator sont interconnectés entre eux électriquement par des pièces d’interconnexions souples accessibles au montage/démontage au travers de trappes d’accès circonférentielles (14A). Transformateur tournant selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel les secteurs annulaires internes de rotor sont interconnectés entre eux électriquement par des pièces d’interconnexions souples accessibles au montage/démontage au travers de trappes d’accès circonférentielles (14A). Utilisation d’un transformateur tournant selon l’une quelconque des revendications 1 à 9 pour le dégivrage électrique des pales d’hélice et du cône avant d’une turbomachine d’aéronef.