EP4526985A1 - Machine électrique synchrone pour aéronef, dispositif de propulsion, turbomoteur et procédé associés - Google Patents

Machine électrique synchrone pour aéronef, dispositif de propulsion, turbomoteur et procédé associés

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EP4526985A1
EP4526985A1 EP23726111.0A EP23726111A EP4526985A1 EP 4526985 A1 EP4526985 A1 EP 4526985A1 EP 23726111 A EP23726111 A EP 23726111A EP 4526985 A1 EP4526985 A1 EP 4526985A1
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EP
European Patent Office
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rotor
stator
coils
stator coils
electric machine
Prior art date
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Pending
Application number
EP23726111.0A
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German (de)
English (en)
Inventor
Thomas Klonowski
Sophie HUMBERT
David Lemay
Alexandre Edouard Emile FIGIELSKI
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Safran Helicopter Engines SAS
Original Assignee
Safran Helicopter Engines SAS
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Filing date
Publication date
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Pending legal-status Critical Current

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    • H02K11/30—Structural association with control circuits or drive circuits
    • H02K11/33—Drive circuits, e.g. power electronics
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
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    • H02K23/26—DC commutator motors or generators having mechanical commutator; Universal AC/DC commutator motors characterised by the armature windings
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    • H02K2213/12—Machines characterised by the modularity of some components

Definitions

  • TITLE Synchronous electric machine for aircraft, propulsion device, turbine engine and associated method
  • the two sets of stator coils are arranged in the stator so that when a first set of stator coils fails, the second set of stator coils cooperates with at least the second rotor coil powered by the associated supply current to generate electrical energy at the terminals of the second set of stator coils or generate a mechanical torque on the rotor shaft, and so that the power converter connected to the first set of stator coils does not deliver electrical power.
  • the first set of faulty stator coils is no longer supplied with electrical power in order to prevent the propagation of a fault by inducing a short-circuit current in the set of stator coils of the faulty converter in said machine and in the converter power connected to said set of faulty coils.
  • the second set of coils ensures the operation of the machine so that it delivers on its rotor shaft a mechanical torque equal to the nominal operating torque of the electrical machine or delivers electrical power to its terminals equal to the nominal electrical power delivered by said machine making it possible to increase the operating reliability of said electrical machine.
  • the two rotor coils are arranged in series on the rotor shaft, the first set of stator coils and the second set of stator coils being arranged in the stator so that the first rotor coil and the first set of stator coils form a first electromagnetic converter, and so that the second rotor coil and the second set of stator coils form a second electromagnetic converter.
  • An aircraft comprising a propulsion device as defined above or a hybrid turboshaft engine as defined above.
  • a method of controlling a synchronous electric machine for an aircraft comprising a stator and a wound rotor inserted in the stator, the stator comprising two sets of stator coils connected to different power converters, and the wound rotor comprising a rotor shaft and two rotor coils each supplied with a different supply current.
  • the method comprises deactivation of the first set of faulty stator coils by controlling the power converter connected to said first set so that said converter does not deliver electrical power to said set of coils, an electrical supply of the second set of stator coils by the converter associated power, and at least one supply of the second coil with the associated supply current to generate a mechanical torque on the rotor shaft or the generation of electrical energy at the terminals of the second set of stator coils.
  • FIG 1 schematically illustrates a first example of an aircraft according to the invention
  • FIG 3 schematically illustrates a section of the first example of the electric machine according to the invention
  • FIG 4 illustrates an electrical diagram of a second example of an electric machine according to the invention
  • FIG 7 schematically illustrates the evolution of the rotor currents of the second example of the electric machine according to the invention.
  • FIG 8 schematically illustrates a first example of an aircraft according to the invention.
  • Figure 1 schematically illustrates an example of an aircraft 1 of the twin-engine VTOL type comprising a propeller 2, a gearbox 3, a turbine engine 4 and a hybrid turbine engine 5.
  • the turboshaft 4 and the hybrid turboshaft 5 drive the propeller 2 via the gearbox 3.
  • the turbine engine 4 comprises a gas generator 6 producing hot gases from the combustion of a fuel such as kerosene, and a free turbine 7 connected to a first input of the gearbox 3.
  • the hot gases generated by the gas generator 6 drive the free turbine 7 which in turn generates a mechanical torque driving the propeller 2.
  • the hybrid turbine engine 5 comprises a gas generator 8 producing hot gases from the combustion of a fuel such as kerosene, a free turbine 9 connected to a first input of the gearbox 3, an electric machine 10 comprising a rotor shaft 11 connected to the free turbine 9, and control means 12 of the machine 10.
  • a fuel such as kerosene
  • a free turbine 9 connected to a first input of the gearbox 3
  • an electric machine 10 comprising a rotor shaft 11 connected to the free turbine 9, and control means 12 of the machine 10.
  • the hot gases generated by the gas generator 8 drive the free turbine 9 which in turn generates a mechanical torque driving the propeller 2.
  • the machine 10 can operate in a motor mode so as to deliver a mechanical drive torque to drive the free turbine 9 or in a generator mode so that the free turbine 9 drives the rotor shaft 11 and the machine 10 produces electrical energy.
  • the machine 10 drives the free turbine 9 to facilitate starting of the hybrid turboshaft 5.
  • the machine 10 is of the polyphase synchronous type with wound rotor. We assume in what follows that machine 10 is three-phase.

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Abstract

La machine électrique synchrone ( 10) pour aéronef, comporte un stator ( 13) et un rotor bobiné (38) inséré dans le stator, le stator comportant deux ensembles de bobines statoriques (47, 49) destinés à être reliés à des convertisseurs de puissance différents, et le rotor bobiné comportant un arbre rotorique (11) et deux bobines rotoriques (39, 40) destinées à être chacune alimentée par un courant d' alimentation différent. Les deux ensembles de bobines statoriques sont disposés dans le stator de sorte que lors de la défaillance d'un premier ensemble de bobines statoriques (47), le deuxième ensemble de bobines statoriques (49) coopère avec au moins la deuxième bobine rotorique (40) alimenté par le courant d' alimentation associé pour générer un couple mécanique sur l' arbre rotorique, et de sorte que le convertisseur de puissance relié au premier ensemble de bobines statoriques ne délivre pas de puissance électrique.

Description

DESCRIPTION
TITRE : Machine électrique synchrone pour aéronef, dispositif de propulsion, turbomoteur et procédé associés
Domaine technique de l’invention
L’ invention concerne des machines électriques tournantes pour aéronef, et plus particulièrement les machines électriques synchrones à rotor bobiné pour aéronef.
L’ invention concerne en outre un dispositif de propulsion et un système de propulsion comprenant une telle machine électrique, un aéronef comportant un tel dispositif de propulsion ou un tel système de propulsion, et un procédé de commande d’une telle machine électrique.
Etat de la technique antérieure
Un aéronef, par exemple un hélicoptère bimoteur, du type à décollage et atterrissage vertical VTOL « vertical take off and landing » en anglais, comprend un système propulsif comprenant deux turbomoteurs, chaque turbomoteur comprenant un générateur de gaz et une turbine libre entraînée en rotation par le générateur de gaz, et solidaire d'un arbre de sortie. L'arbre de sortie de chaque turbine libre est adapté pour mettre en mouvement une boîte de transmission de puissance, qui entraîne elle-même le rotor de l'hélicoptère. Il est connu que lorsque l'hélicoptère est en situation de vol de croisière (c'est-à- dire lorsqu'il évolue dans des conditions normales, au cours de toutes les phases du vol, hors phases transitoires de décollage, de montée, d'atterrissage ou de vol stationnaire), les turbomoteurs développent des puissances faibles inférieures aux puissances maximales continues . Ces faibles niveaux de puissance entraînent une consommation spécifique (ci-après, Cs), définie comme étant le rapport entre la consommation horaire de carburant par la chambre de combustion du turbomoteur et la puissance mécanique fournie par ce turbomoteur, supérieure de l'ordre de 30% à la Cs de la puissance maximale de décollage, et donc une surconsommation en carburant en vol de croisière. Afin de réduire la consommation en carburant de l’hélicoptère, il est connu en situation de vol de croisière de mettre en veille une des deux turbines, de manière à ce que l’ autre moteur fonctionne à régime élevé et bénéficie de ce fait d’ une Consommation Spécifique beaucoup plus faible.
Afin de pallier des situations critiques, notamment en cas de défaillance de la turbine à gaz qui n’est pas en veille ou en cas d’ une manœuvre d’ évitement, il est nécessaire de réactiver rapidement la turbine en veille.
Comme il s’ agit d’ une procédure critique, il est nécessaire de garantir un niveau de fiabilité élevé de la procédure de réactivation de la turbine en veille pour garantir la sécurité en vol de l’hélicoptère.
Le document FR3027058 divulgue un hélicoptère comprenant au moins un turbomoteur tel que décrit précédemment, et un turbomoteur hybride comportant un turbomoteur tel que décrit et un système de réactivation rapide comportant deux chaînes de réactivation.
Chaque chaîne de réactivation comprend une machine électrique tournante et un dispositif de conversion de puissance pilotant ladite machine.
L’hélicoptère comprend en outre un stockeur d'énergie électrique, et un réseau de bord alimentant les dispositifs de conversion de puissance.
Chaque machine électrique permet de réactiver rapidement le turbomoteur hybride lorsqu’il est en veille.
La redondance des chaînes de réactivation permet de garantir un niveau de faillibilité élevé de la fonction « réactivation rapide ».
Cependant, la redondance des chaînes de réactivation augmente la masse de l’hélicoptère réduisant d’ autant la charge utile de l’hélicoptère, et augmentant l’ encombrement du système de réactivation rapide.
En outre, il est connu de remplacer au moins une turbomachine destinée à produire la poussée d’un aéronef de type à décollage et atterrissage conventionnel CTOL « conventionnal take-off and landing » en anglais, par un moteur électrique entraînant une hélice pour diminuer la consommation élevée de combustible fossile, notamment de kérosène, de l’ aéronef.
Généralement le moteur électrique comprend un rotor muni d’ aimants permanents
Cependant, lorsque le rotor est mis en rotation par l’hélice entraînée un flux d’ air incident, « windmilling » en anglais, les aimants génèrent un flux d’ excitation dans le moteur susceptible d’induire des courants de court-circuit dans les bobinages statoriques du moteur.
Les courants de court-circuit échauffent le moteur et sont susceptibles de détériorer le moteur.
De plus, lorsqu’ un bobinage statorique est défaillant, le flux d’ excitation généré par les aimants permanents induit un courant dans le bobinage statorique défaillant susceptible de propager la défaillance.
Exposé de l’invention
Le but de l’ invention est de pallier tout ou partie de ces inconvénients .
Au vu de ce qui précède, l’ invention a pour objet une machine électrique synchrone pour aéronef, comportant un stator et un rotor bobiné inséré dans le stator, le stator comportant deux ensembles de bobines statoriques destinés à être reliés à des convertisseurs de puissance différents, et le rotor bobiné comportant un arbre rotorique et deux bobines rotoriques destinées à être chacune alimentée par un courant d’ alimentation différent.
Les deux ensembles de bobines statoriques sont disposés dans le stator de sorte que lors de la défaillance d’ un premier ensemble de bobines statoriques, le deuxième ensemble de bobines statoriques coopère avec au moins la deuxième bobine rotorique alimentée par le courant d’ alimentation associé pour générer de l’ énergie électrique aux bornes du deuxième ensemble de bobines statoriques ou générer un couple mécanique sur l’ arbre rotorique, et de sorte que le convertisseur de puissance relié au premier ensemble de bobines statoriques ne délivre pas de puissance électrique. Le premier ensemble de bobines statoriques défaillant n’ est plus alimenté en puissance électrique afin d’ empêcher la propagation d’un défaut en induisant un courant de court-circuit dans l’ ensemble de bobines statoriques du convertisseur défaillant dans ladite machine et dans le convertisseur de puissance relié audit ensemble de bobines défaillant.
Malgré la défaillance du premier ensemble de bobines, le deuxième ensemble de bobines assure le fonctionnement de la machine de sorte qu’elle délivre sur son arbre rotorique un couple mécanique égal au couple de fonctionnement nominal de la machine électrique ou délivre une puissance électrique à ses bornes égale à la puissance électrique nominale délivrée par ladite machine permettant d’ augmenter la fiabilité de fonctionnement de ladite machine électrique.
De préférence, les deux bobines rotoriques sont disposées en série sur l’ arbre rotorique, le premier ensemble de bobines statoriques et le deuxième ensemble de bobines statoriques étant disposés dans le stator de sorte que la première bobine rotorique et le premier ensemble de bobines statoriques forment un premier convertisseur électromagnétique, et de sorte que la deuxième bobine rotorique et le deuxième ensemble de bobines statoriques forment un deuxième convertisseur électromagnétique.
Avantageusement, le rotor comprend deux demi-masses magnétiques rotoriques identiques s’ étendant selon une direction longitudinale du rotor et le stator comprend deux demi-masses magnétiques statoriques identiques s ’ étendant selon une direction longitudinale du stator, chaque bobine rotorique étant insérée dans une demi-masse magnétique rotorique différente et chaque ensemble de bobines statoriques étant inséré dans une demi-masse magnétique statorique différente.
De préférence, le rotor comporte deux jeux de bagues d’ alimentation, chaque jeu étant relié à une bobine rotorique différente, et dans laquelle le stator comprend deux jeux de balais alimentant chacun un jeu de bagues différent, chaque jeu de balais étant destiné à être relié à l’un des deuxièmes convertisseurs de puissance. Il est également proposé un dispositif de propulsion pour aéronef comportant une machine électrique telle que définie précédemment, et une hélice de propulsion reliée à l’ arbre rotorique.
Il est également proposé un turbomoteur hybride pour aéronef comportant une machine électrique telle que définie précédemment et un turbomoteur comprenant une turbine libre à gaz, la turbine libre étant en outre reliée à l’ arbre rotorique de la machine électrique.
Il est également proposé un aéronef comportant un dispositif de propulsion tel que défini précédemment ou un turbomoteur hybride tel que défini précédemment.
Il est également proposé un procédé de commande d’ une machine électrique synchrone pour aéronef, la machine électrique comportant un stator et un rotor bobiné inséré dans le stator, le stator comportant deux ensembles de bobines statoriques reliés à des convertisseurs de puissance différents, et le rotor bobiné comportant un arbre rotorique et deux bobines rotoriques alimentées chacune par un courant d’ alimentation différent.
Le procédé comprend une désactivation du premier ensemble de bobines statoriques défaillant en pilotant le convertisseur de puissance relié audit premier ensemble de sorte que ledit convertisseur ne délivre pas de puissance électrique audit ensemble de bobines, une alimentation électrique du deuxième ensemble de bobines statoriques par le convertisseur de puissance associé, et au moins une alimentation de la deuxième bobine par le courant d’ alimentation associé pour générer un couple mécanique sur l’ arbre rotorique ou la génération d’ énergie électrique aux bornes du deuxième ensemble de bobines statoriques .
De préférence, le rotor comprenant deux demi-masses magnétiques rotoriques identiques s’ étendant selon une direction longitudinale du rotor et le stator comprenant deux demi-masses magnétiques statoriques identiques s ’ étendant selon une direction longitudinale du stator, chaque bobine rotorique étant insérée dans une demi-masse magnétique rotorique différente et chaque ensemble de bobines statoriques étant inséré dans une demi-masse magnétique statorique différente, le procédé comprenant la commande des courants d’ alimentation de sorte que l’ amplitude du courant d’ alimentation alimentant la bobine rotorique d’une demi-masse rotorique recouvrant le premier ensemble de bobines statoriques décroît, de sorte que ledit courant est sensiblement nul lorsque ladite demi-masse rotorique recouvre la totalité du premier ensemble de bobines statoriques, et de sorte que l’ amplitude dudit courant augmente lorsque ladite demi-masse rotorique découvre le premier ensemble de bobines statoriques, la valeur efficace dudit courant étant non nulle.
Avantageusement, chaque courant d’ alimentation est sinusoïdal.
Brève description des dessins
D'autres buts, caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante, donnée uniquement à titre d'exemple non limitatif, et faite en référence aux dessins annexés sur lesquels :
[Fig 1 ] illustre schématiquement un premier exemple d’un aéronef selon l’invention ;
[Fig 2] illustre un schéma électrique d’ un premier exemple d’ une machine électrique selon l’ invention ;
[Fig 3] illustre schématiquement une coupe du premier exemple de la machine électrique selon l’ invention ;
[Fig 4] illustre un schéma électrique d’ un deuxième exemple d’ une machine électrique selon l’ invention ;
[Fig 5] illustre schématiquement une coupe radiale du deuxième exemple de la machine électrique selon l’ invention,
[Fig 6] illustre une modélisation schématique du deuxième exemple de la machine électrique selon l’ invention,
[Fig 7] illustre schématiquement l’ évolution des courants rotoriques du deuxième exemple de la machine électrique selon l’ invention, et
[Fig 8] illustre schématiquement un premier exemple d’ un aéronef selon l’invention.
Exposé détaillé d’au moins un mode de réalisation On se réfère à la figure 1 qui illustre schématiquement un exemple d’un aéronef 1 du type VTOL bimoteur comportant une hélice 2, une boîte de vitesse 3 , un turbomoteur 4 et un turbomoteur hybride 5.
Le turbomoteur 4 et le turbomoteur hybride 5 entraînent l’hélice 2 par l’ intermédiaire de la boîte de vitesse 3.
Le turbomoteur 4 comprend un générateur de gaz 6 produisant des gaz chauds à partir de la combustion d’un combustible tel que du kérosène, et une turbine libre 7 reliée à une entrée première de la boîte de vitesse 3.
Les gaz chauds générés par le générateur de gaz 6 entraînent la turbine libre 7 qui à son tour génère un couple mécanique entraînant l’hélice 2.
Le turbomoteur hybride 5 comprend un générateur de gaz 8 produisant des gaz chauds à partir de la combustion d’un combustible tel que du kérosène, une turbine libre 9 reliée à une première entrée de la boîte de vitesse 3, une machine 10 électrique comportant un arbre rotorique 1 1 relié à la turbine libre 9, et des moyens de commande 12 de la machine 10.
Les gaz chauds générés par le générateur de gaz 8 entraînent la turbine libre 9 qui à son tour génère un couple mécanique entraînant l’hélice 2.
La machine 10 peut fonctionner selon un mode moteur de manière à délivrer un couple mécanique d’ entraînement pour entraîner la turbine libre 9 ou selon un mode générateur de sorte que la turbine libre 9 entraîne l’ arbre rotorique 1 1 et la machine 10 produise de l’ énergie électrique.
Lorsque l’hélicoptère est en situation de vol de croisière, le générateur de gaz 8 du turbomoteur hydride 5 est mis à l’ arrêt pour économiser du combustible.
Lorsqu’ une réactivation du turbomoteur hybride 5 est nécessaire, par exemple lors d’une manœuvre d’ évitement d’ un obstacle en vol ou lorsque la turbomachine 4 est défaillante, la machine 10 entraîne la turbine libre 9 pour faciliter le démarrage du turbomoteur hybride 5.
La machine 10 est du type synchrone polyphasée à rotor bobiné. On suppose dans ce qui suit que la machine 10 est triphasée.
La figure 2 illustre un schéma électrique d’ un premier exemple de la machine 10 et des moyens de commande 12.
La machine 10 comprend un stator 13 comprenant un premier ensemble de bobines statoriques et un deuxième ensemble de bobines statoriques (non représentés sur cette figure) .
Les bobines du premier ensemble forment un premier ensemble de trois phases couplées par exemple en étoile ou en triangle, chaque phase comportant un même nombre de pôles .
Les bobines du deuxième ensemble forment un deuxième ensemble de phases couplées par exemple en étoile ou en triangle, chaque phase comportant un même nombre de pôles que les phases formées par le premier ensemble de bobines .
Chaque ensemble de bobines est alimenté par un convertisseur de puissance 14, 15 réversible différent.
Chaque convertisseur 14, 15 comprend des bornes d’ alimentation 16, 17, 18 , 19 et des bornes de sortie 180, 190, 200, 210, 220, 230.
Le premier convertisseur 14 est relié à un premier réseau R I d’ alimentation électrique de l’hélicoptère, et le deuxième convertisseur 15 est relié à un deuxième réseau R2 d’ alimentation électrique de l’hélicoptère.
Les réseaux R I et R2 sont indépendants de sorte que si l’ un des réseaux est défaillant, l’ autre réseau est fonctionnel.
Chacune des phases du premier ensemble de trois phases comprend une borne de connexion 24, 25, 26 reliée à une borne de sortie 180, 190, 200 différente d’ un premier convertisseur 14 de puissance, et chacune des phases du deuxième ensemble de trois phases comprend une borne de connexion 27, 28, 29 reliée à une borne de sortie 210, 220, 230 différente du deuxième convertisseur 15 de puissance.
Comme l’ architecture des convertisseurs 14, 15 est identique, seul un premier convertisseur 14 alimentant le premier ensemble de bobines statoriques est détaillé.
Le premier convertisseur 14 comporte autant de bras de commutation 30, 31 , 32 que de phases de la machine 10. Chaque bras de commutation 30, 31 , 32 comprend une première cellule de commutation 33 comportant par exemple un transistor à effet de champs 34 et une diode 35. La grille du transistor 35 est commandée par des moyens de pilotage 240 comportant par exemple un contrôleur.
Le drain du transistor 34 est relié à une première borne d’ alimentation 16 et à la cathode de la diode 35, la source du transistor 34 est reliée à l’ anode de la diode 35 et à une borne de sortie 180, 190, 200.
Chaque bras de commutation 30, 31 , 32 comprend en outre une deuxième cellule de commutation 36 comportant par exemple le transistor à effet de champs 34 et la diode 35 agencés de sorte que le drain du transistor 34 est relié à une borne de sortie 180, 190, 200 et à la cathode de la diode 35, et la source du transistor 34 est reliée à l’ anode de la diode 35 et à la deuxième borne d’ alimentation 17.
Le premier convertisseur 14 comprend en outre un ou plusieurs condensateurs de filtrage 37 s ’étendant entre les bornes d’ alimentation 16, 17.
La machine 10 comprend en outre un rotor 38 bobiné comprenant deux bobines rotoriques 39, 40 comprenant des bornes d’ alimentation 41 , 42, 43 , 44.
Les bornes d’ alimentation 41 , 42 d’ une première bobine rotorique 39 sont reliées à un troisième réseau R3 d’ alimentation électrique, et les bornes d’ alimentation 43, 44 de la deuxième bobine rotorique 40 sont reliées à un quatrième réseau R4 d’ alimentation électrique.
Les réseaux R3 et R4 sont indépendants de sorte que si l’ un des réseaux est défaillant, l’ autre réseau est fonctionnel.
Le premier ensemble de bobines statoriques, le deuxième ensemble de bobines statoriques, la première bobine rotorique 38 et la deuxième bobine rotorique 40 sont disposées dans la machine 10 de sorte que le premier ensemble de bobines statoriques et la première bobine rotorique 39 coopèrent pour délivrer un couple mécanique sur l’ arbre rotorique 1 1 ou pour délivrer une puissance électrique sur les bornes de connexion 24, 25, 26, et de sorte que le deuxième ensemble de bobines statoriques et la deuxième bobine rotorique 40 coopèrent pour délivrer un couple mécanique sur l’ arbre rotorique 1 1 ou pour délivrer une puissance électrique sur les bornes de connexion 27, 28, 29.
Les moyens de commande 12 comprennent les premier et deuxième convertisseurs 14, 15 et les moyens de pilotage 240.
Les moyens de pilotage 240 sont réalisés par exemple à partir d’ un contrôleur.
Le premier ensemble de bobines statoriques et la première bobine rotorique 39 forment un premier convertisseur électromagnétique 45 (non représenté) , et le deuxième ensemble de bobines statoriques et la deuxième bobine rotorique 40 forment un deuxième convertisseur électromagnétique 46 (non représenté) indépendant du premier convertisseur électromagnétique.
Les moyens de pilotage 240 pilotent les convertisseurs de puissance 14, 15 de sorte que lorsque l’un des premier et deuxième convertisseurs de puissance électromagnétique est défaillant, le convertisseur de puissance 14, 15 relié à l’ ensemble de bobines statoriques dudit convertisseur défaillant ne délivre pas de puissance électrique et de sorte que l’ autre convertisseur électromagnétique est fonctionnel pour générer un couple mécanique ou générer de l’énergie électrique aux bornes de l’ ensemble de bobines statoriques du convertisseur électromagnétique fonctionnel.
En outre, les moyens de pilotage 240 désactivent l’ alimentation de la bobine rotorique du convertisseur défaillant pour désexciter le rotor du convertisseur défaillant de manière à empêcher la propagation du défaut en induisant un courant de court-circuit dans l’ ensemble de bobines statoriques du convertisseur défaillant.
Les bobines statoriques et la bobine rotorique du convertisseur électromagnétique fonctionnel sont alimentées malgré la défaillance de l’ autre convertisseur électromagnétique.
Chaque convertisseur électromagnétique 45, 46 est dimensionné de sorte qu’ il assure une réactivation rapide du turbomoteur hybride 5 augmentant la fiabilité de la fonction de réactivation. Lorsque les réseaux R I , R2, R3 et R4 sont tous indépendants, la fiabilité de la fonction de réactivation est améliorée.
La figure 3 illustre schématiquement une coupe de la machine 10 selon le premier exemple.
La machine 10 comprend un carter 46 logeant les convertisseurs électromagnétiques 45, 46.
Le premier convertisseur électromagnétique 45 comprend le premier ensemble de bobines statoriques 47 reliées aux bornes de connexion 24, 25, 26, une masse magnétique 48 enserrant l’ arbre rotorique 1 1 et logeant la première bobine rotorique 39.
Le deuxième convertisseur électromagnétique 46 comprend le deuxième ensemble de bobines statoriques 49 reliées aux bornes de connexion 27, 28 , 29, une masse magnétique 50 enserrant l’ arbre rotorique 1 1 et logeant la deuxième bobine rotorique 40.
Les masses magnétiques 48 , 50 des convertisseurs électromagnétiques 45, 46 sont montées en série sur l’ arbre rotorique 11.
Les ensembles de bobines statoriques 47, 49 forment le stator 13, et l’ arbre rotorique 1 1 et les masses magnétiques 48 , 50 comprenant les bobines rotoriques 39, 40 forment le rotor 38.
Le rotor 38 comprend en outre deux jeux de bagues 51 , 52 d’ alimentation.
Un premier jeu de bagues 51 conductrices comprend deux bagues 53, 54 disposées sur l’ arbre rotorique 1 1 et reliées à la première bobine rotorique 39.
Chaque bague 53, 54 coopère avec un balai 55, 56 différent d’ un premier jeu de balais du stator 13.
Les balais 55, 56 sont reliés aux bornes d’ alimentation 41 , 42 pour alimenter la première bobine rotorique 39.
Le deuxième jeu de bagues 52 comprend deux bagues 57, 58 disposées sur l’ arbre rotorique 1 1 et reliées à la deuxième bobine rotorique 40.
Chaque bague 57, 58 coopère avec un balai 59, 60 différent d’ un deuxième jeu de balais du stator 13. Les balais 59, 60 sont reliés aux bornes d’ alimentation 43, 44 pour alimenter la deuxième bobine rotorique 40.
La figure 4 illustre un schéma électrique d’ un deuxième exemple de la machine 10 et des moyens de commande 12.
On retrouve les premier et deuxième convertisseurs de puissance 14, 15.
La machine 10 comprend un stator 61 comprenant un premier ensemble de bobines statoriques et un deuxième ensemble de bobines statoriques (non représentés sur cette figure) .
Les bobines du premier ensemble de bobines statoriques forment trois premières phases couplées par exemple en étoile ou en triangle, chaque phase comportant un même nombre de pôles .
Les bobines du deuxième ensemble de bobines statoriques forment trois deuxièmes phases couplées par exemple en étoile ou en triangle, chaque phase comportant un même nombre de pôles que les phases formées par le premier ensemble de bobines .
Chaque ensemble de bobines est alimenté par un convertisseur de puissance 14, 15 réversible différent.
Les bornes de sortie 180, 190, 200 d’un premier convertisseur 14 sont reliées chacune à une borne 62, 63, 64 de connexion d’ une première phase différente, et les bornes de sortie 210, 220, 230 du deuxième convertisseur 15 sont reliées chacune à une borne 65, 66, 67 de connexion d’ une deuxième phase différente.
La machine 10 comprend en outre un rotor 68 bobiné comprenant deux bobines rotoriques 69, 70 indépendantes alimentées chacune par des convertisseurs de puissance auxiliaires 71 , 72.
Les convertisseurs de puissance auxiliaires 71 , 72 sont réalisés à partir de cellules de commutation 35, 36 et comprennent des bornes d’ entrées 73, 74, 75, 76.
Les bornes d’ alimentation 73, 74 d’ un premier convertisseur de puissance auxiliaire 71 sont reliées au troisième réseau R3 et les bornes d’ alimentation 75, 76 d’ un deuxième convertisseur de puissance auxiliaire 72 sont reliées au quatrième réseau R4. Les moyens de commande 12 comportent les premier et deuxième convertisseurs 14, 15, les premier et deuxième convertisseurs auxiliaires 71 , 72, et des moyens de pilotage 250 pilotant la grille des transistors des premier et deuxième convertisseurs 14, 15 et des premier et deuxième convertisseurs auxiliaires 71 , 72 de sorte que la machine 10 délivre un couple mécanique sur l’ arbre rotorique 1 1 ou génère une puissance électrique à ses bornes .
Les moyens de pilotage 250 sont réalisés par exemple à partir d’ un contrôleur.
Figure 5 illustre schématiquement une coupe radiale du deuxième exemple de la machine 10.
La machine 10 comprend un carter 80 dans lequel est logé le stator 61 et le rotor 68.
Le stator 61 comprend deux demi-masses magnétiques statoriques identiques 81 , 82 s’ étendant selon une direction longitudinale du stator 61 , et reliées entre elles pour former le stator 61.
Le premier ensemble de bobines statoriques est inséré dans une première demi-masse magnétique statorique 81 et comprend neuf bobines 83 à 91 insérées entre des dents statoriques de ladite demi- masse statorique, s ’ étendant selon une direction longitudinale du stator et formant trois pôles par phase.
Une première phase de la première demi-masse statorique 81 comprend les bobines 83, 86 et 89 et est alimentée par la borne de connexion 62, une deuxième phase de la première demi-masse statorique 81 comprend les bobines 84, 87 et 90 et est alimentée par la borne de connexion 63, et la troisième phase de la première demi-masse statorique 81 comprend les bobines 85, 88 et 81 et est alimentée par la borne de connexion 64.
Le deuxième ensemble de bobines statoriques est inséré dans la deuxième demi-masse magnétique statorique 82 et comprend neuf bobines 92 à 100 insérées entre des dents statoriques de ladite demi- masse statorique, s ’ étendant selon une direction longitudinale du stator et formant trois pôles par phase. Une première phase de la deuxième demi-masse statorique 82 comprend les bobines 92, 95, 98 et est alimentée par la borne de connexion 65, une deuxième phase de la deuxième demi-masse statorique 82 comprend les bobines 93, 96 et 99 et est alimentée par la borne de connexion 66, et la troisième phase de la deuxième demi-masse statorique 82 comprend les bobines 94, 97, 100 et est alimentée par la borne de connexion 67.
Les bobinages des demi-masses statoriques 81 , 82 sont distribués permettant d’ optimiser la distribution de couple dans la machine 10 en atténuant les variations de couple.
En variante, les bobinages des demi-masses statoriques 81 , 82 sont concentriques.
Bien entendu, les premier et deuxième ensembles de bobines statoriques peuvent comprendre plus de trois phases, chaque phase pouvant comprendre plus de trois pôles .
Chaque pôle peut en outre être formé par plusieurs bobines statoriques.
Le rotor 68 comprend deux demi-masses magnétiques rotoriques 101 , 102 identiques s ’ étendant selon une direction longitudinale du rotor, et fixées sur l’ arbre rotorique 1 1 et entre elles pour former le rotor 68.
Une première demi-masse magnétique rotorique 101 comprend la première bobine rotorique 69 bobinée autour de plots rotoriques de la demi-masse 101.
Les plots rotoriques sont disposés dans la demi-masse 101 de sorte qu’ ils sont perpendiculaires .
Les spires de la bobine 69 disposées sur un premier plot formant un pôle nord noté N I et les spires disposées sur le deuxième plot formant un pôle sud noté S I de la première bobine 69 sont disposées perpendiculairement les unes par rapport aux autres .
La deuxième demi-masse magnétique rotorique 102 comprend la deuxième bobine rotorique 70 bobinée autour de plots rotoriques de la demi-masse 102. Les plots rotoriques sont disposés dans la demi-masse 102 de sorte qu’ ils sont perpendiculaires .
Les spires de la bobine 70 disposées sur un premier plot formant un pôle nord noté N2 et les spires disposées sur le deuxième plot formant un pôle sud noté S2 de la deuxième bobine 70 sont disposées perpendiculairement les unes par rapport aux autres .
Les pôles N I , S I , N2, S2 sont disposés perpendiculairement les uns par rapport aux autres dans le rotor doublement bobiné 68.
La machine 10 comprend en outre les premier et deuxième jeux de bagues 51 , 52 (non représentées sur cette figure) disposés sur l’ arbre rotorique 1 1 et coopérant avec les balais 55, 56, 59, 60 (non représentés sur cette figure) de sorte que le premier jeu de bagues 51 alimente la première bobine 69 à partir du premier convertisseur auxiliaire 71 , et de sorte que le deuxième jeu de bagues 52 alimente la deuxième bobine 70 à partir du deuxième convertisseur auxiliaire 72.
Lorsque les deux jeux de bobinages statoriques sont fonctionnels, les moyens de pilotage 250 pilotent les convertisseurs auxiliaires 71 , 72 de sorte qu’ ils délivrent chacun un courant d’ alimentation continu, et pilotent en outre les convertisseurs de puissance 14, 15 de sorte que la machine 10 délivre un couple mécanique sur l’ arbre rotorique 1 1 ou génère une puissance électrique à ses bornes 61 à 67 réinjectée par les convertisseurs 14, 15 sur dans les réseaux R I , R2 de l’hélicoptère.
Lorsque l’ un des premier et deuxième ensembles de bobinages statoriques est défaillant, les moyens de pilotage 250 pilotent le convertisseur de puissance 14, 15 relié audit ensemble de bobines statoriques défaillant de sorte que ledit convertisseur n’ alimente plus ledit ensemble défaillant et pilotent en outre les convertisseurs auxiliaires 71 , 72 de sorte que l’ amplitude du courant d’ alimentation alimentant la bobine rotorique 69, 70 d’une demi-masse rotorique recouvrant l’ ensemble de bobines statoriques défaillant décroît, de sorte que ledit courant est sensiblement nul lorsque ladite demi-masse rotorique recouvre la totalité de l’ ensemble de bobines statoriques défaillant, et de sorte que l’ amplitude dudit courant augmente lorsque ladite demi-masse rotorique découvre l’ ensemble de bobines statoriques défaillant.
La valeur efficace du courant d’ alimentation est non nulle.
La valeur instantanée du champ magnétique créé dans l’ entrefer de la machine 10 entre l’ ensemble de bobines statoriques défaillant et les bobines rotoriques est minimale empêchant ainsi la propagation du défaut à l’ ensemble de bobines statoriques fonctionnel.
Afin d’ empêcher l’ apparition d’un courant parasite de court- circuit trop important dans l’ensemble de bobines statoriques défaillants induit par la magnétisation de l’ entrefer par le bobinage rotorique opposé à celui en face de l’ ensemble de bobinages statoriques défaillants , des temps morts peuvent être créés .
La figure 6 illustre une modélisation schématique du deuxième exemple de la machine 10 illustrée à la figure 5.
On retrouve les deux demi-masses magnétiques statoriques identiques 81 , 82 et les deux bobines rotoriques 69, 70 alimentées respectivement par le courant d’ alimentation I I et le courant d’ alimentation 12.
On définit un repère comportant une origine située au centre de l’ arbre rotorique 1 1 , un premier axe X fixe et un deuxième axe Y passant au centre des bobines rotoriques 69, 70 et définissant un angle a avec le premier axe X.
On suppose que la première demi-masse statorique 81 s ’ étend de 0 à n selon le premier axe X, et la deuxième demi-masse statorique 82 s’ étend de n à 0 selon le premier axe X.
La figure 7 illustre l’évolution des courants d’ alimentation I I , 12 sinusoïdaux délivrés par les convertisseurs de puissance auxiliaires lorsque le premier ensemble de bobines statoriques intégré dans la première demi-masse 81 est défaillant.
La figure 8 illustre un exemple d’un aéronef 200 du type CTOL, par exemple un avion bimoteur comportant deux dispositifs de propulsion 201 identiques disposés de part et d’ autre d’un axe longitudinal de l’ avion. Chaque dispositif de propulsion 201 comporte une hélice 202 et une machine 10 tel que décrite précédemment aux figure 2 à 5, et les moyens de commande 12 reliés à la machine 10.
L’ arbre rotorique 1 1 est relié à l’hélice 10 de sorte que l’hélice mise en rotation par le moteur 10 propulse l’ avion.

Claims

REVENDICATIONS
1. Machine électrique synchrone ( 10) pour aéronef ( 1 , 200), comportant un stator ( 13, 61 ) et un rotor bobiné (38, 68) inséré dans le stator, le stator comportant deux ensembles de bobines statoriques (47, 49, 83, 84, 85 , 86, 87 , 88, 89, 90, 91 , 92, 93, 94, 95, 96, 97, 98, 99, 100) destinés à être reliés à des convertisseurs de puissance ( 14, 15) différents, et le rotor bobiné comportant un arbre rotorique ( 1 1 ) et deux bobines rotoriques (39, 40, 69, 70) destinées à être chacune alimentée par un courant d’ alimentation différent (II , 12) , caractérisée en ce que les deux ensembles de bobines statoriques sont disposés dans le stator de sorte que lors de la défaillance d’ un premier ensemble de bobines statoriques (47), le deuxième ensemble de bobines statoriques (49) coopère avec au moins la deuxième bobine rotorique (40, 70) alimentée par le courant d’ alimentation (12) associé pour générer de l’ énergie électrique aux bornes du deuxième ensemble de bobines statoriques ou générer un couple mécanique sur l’ arbre rotorique, et de sorte que le convertisseur de puissance relié au premier ensemble de bobines statoriques ne délivre pas de puissance électrique.
2. Machine électrique selon la revendication 1 , dans laquelle les deux bobines rotoriques (39, 40) sont disposées en série sur l’ arbre rotorique ( 1 1 ), le premier ensemble de bobines statoriques (47) et le deuxième ensemble de bobines statoriques (49) étant disposés dans le stator de sorte que la première bobine rotorique et le premier ensemble de bobines statoriques forment un premier convertisseur électromagnétique, et de sorte que la deuxième bobine rotorique et le deuxième ensemble de bobines statoriques forment un deuxième convertisseur électromagnétique.
3. Machine électrique selon la revendication 1 , dans laquelle le rotor (68) comprend deux demi-masses magnétiques rotoriques ( 101 , 102) identiques s ’ étendant selon une direction longitudinale du rotor et le stator (61 ) comprend deux demi-masses magnétiques statoriques (81 , 82) identiques s’ étendant selon une direction longitudinale du stator, chaque bobine rotorique étant insérée dans une demi-masse magnétique rotorique différente et chaque ensemble de bobines statoriques étant inséré dans une demi-masse magnétique statorique différente.
4. Machine électrique selon l’une quelconque des revendications 1 à 3 , dans laquelle le rotor (38, 68) comporte deux jeux de bagues d’ alimentation (51 , 52), chaque jeu étant relié à une bobine rotorique différente (39, 40, 69, 70), et dans laquelle le stator comprend deux jeux de balais (55, 56, 59, 60) alimentant chacun un jeu de bagues différent, chaque jeu de balais étant destiné à être relié à l’ un des deuxièmes convertisseurs de puissance.
5. Dispositif de propulsion (201 ) pour aéronef (200) comportant une machine électrique ( 10) selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, et une hélice de propulsion (202) reliée à l’ arbre rotorique ( 1 1 ) .
6. Turbomoteur hybride (5) pour aéronef ( 1 ) comportant une machine électrique ( 10) selon l’ une quelconque des revendications 1 à 4 et un turbomoteur comprenant une turbine libre à gaz (9), la turbine libre étant en outre reliée à l’ arbre rotorique ( 1 1 ) de la machine électrique.
7. Aéronef ( 1 , 200) comportant un dispositif de propulsion (201 ) selon la revendication 5 ou un turbomoteur hybride (5) selon la revendication 6.
8. Procédé de commande d’ une machine électrique synchrone ( 10) pour aéronef ( 1 , 200), la machine électrique comportant un stator ( 13, 61 ) et un rotor bobiné (38, 68) inséré dans le stator, le stator comportant deux ensembles de bobines statoriques (47, 49, 83 , 84, 85 , 86, 87, 88, 89, 90, 91 , 92, 93, 94, 95, 96, 97, 98, 99, 100) reliés à des convertisseurs de puissance ( 14, 15) différents, et le rotor bobiné comportant un arbre rotorique ( 1 1 ) et deux bobines rotoriques (39, 40, 69, 70) alimentées chacune par un courant d’ alimentation (II , 12) différent, caractérisé en ce que le procédé comprend une désactivation du premier ensemble de bobines statoriques défaillant (47, 83, 84, 85, 86, 87, 88, 89, 90, 91 ) en pilotant le convertisseur de puissance ( 14) relié audit premier ensemble de sorte que ledit convertisseur ne délivre pas de puissance électrique audit ensemble de bobines, une alimentation électrique du deuxième ensemble de bobines statoriques (49, 92, 93, 94, 95, 96, 97, 98 , 99, 100) par le convertisseur de puissance ( 15) associé, et au moins une alimentation de la deuxième bobine rotorique (40, 70) par le courant d’ alimentation (12) associé pour générer un couple mécanique sur l’ arbre rotorique ( 1 1 ) ou la génération d’énergie électrique aux bornes du deuxième ensemble de bobines statoriques .
9. Procédé selon la revendication 8, le rotor (68) comprenant deux demi-masses magnétiques rotoriques ( 101 , 102) identiques s’ étendant selon une direction longitudinale du rotor et le stator (61 ) comprenant deux demi-masses magnétiques statoriques (81 , 82) identiques s ’ étendant selon une direction longitudinale du stator, chaque bobine rotorique (69, 70) étant insérée dans une demi-masse magnétique rotorique différente et chaque ensemble de bobines statoriques étant inséré dans une demi-masse magnétique statorique différente, le procédé comprenant la commande des courants d’ alimentations (II , 12) de sorte que l’ amplitude du courant d’ alimentation alimentant la bobine rotorique d’ une demi-masse rotorique recouvrant le premier ensemble de bobines statoriques décroît, de sorte que ledit courant est sensiblement nul lorsque ladite demi-masse rotorique recouvre la totalité du premier ensemble de bobines statoriques, et de sorte que l’ amplitude dudit courant augmente lorsque ladite demi-masse rotorique découvre le premier ensemble de bobines statoriques, la valeur efficace dudit courant étant non nulle.
10. Procédé selon la revendication 9, dans lequel chaque courant d’ alimentation (II , 12) est sinusoïdal.
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