FR3028112A1 - FAN ON BOARD AN AIRCRAFT AND ASSOCIATED AIRCRAFT - Google Patents
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Abstract
La présente invention concerne un ventilateur embarqué à bord d'un aéronef, comprenant : - une machine (32) électrique synchrone triphasée ; - un module (58) d'alimentation propre à raccorder la machine électrique (32) à une source de tension (12), caractérisé : - en ce que le module d'alimentation (58) comporte en outre une unité (63) d'observation raccordée à l'unité de pilotage (62), l'unité d'observation (63) étant apte à mesurer la force électromotrice sur chacune des phases de la machine électrique (32), et à fournir ces mesures à l'unité de pilotage (62) ; et - en ce que l'unité de pilotage (62) est apte à analyser les mesures fournies pour déterminer la position du rotor par rapport au stator.The present invention relates to a fan on board an aircraft, comprising: - a three-phase synchronous electric machine (32); a power supply module (58) capable of connecting the electrical machine (32) to a voltage source (12), characterized in that: the power supply module (58) further comprises a unit (63) for observation connected to the control unit (62), the observation unit (63) being able to measure the electromotive force on each of the phases of the electric machine (32), and to supply these measurements to the unit steering (62); and in that the control unit (62) is able to analyze the measurements provided to determine the position of the rotor relative to the stator.
Description
Ventilateur embarqué à bord d'un aéronef et aéronef associé La présente invention concerne un ventilateur et un aéronef comportant le ventilateur.The present invention relates to a fan and an aircraft comprising the fan.
Il est connu dans l'état de la technique l'utilisation de ventilateurs embarqués à bord de divers types d'aéronefs, et notamment à bord des avions. De manière générale, les ventilateurs embarqués servent au refroidissement de différents équipements embarqués comme par exemple des calculateurs embarqués, ou bien d'autres types de dispositifs équipant ces aéronefs comme ceux utilisés par exemple pour la climatisation de la cabine. Pour ce faire, un tel ventilateur embarqué comporte une machine électrique tournante alimentée par un réseau d'alimentation électrique de l'aéronef et une roue de ventilation solidaire du rotor de la machine tournante. La roue de ventilation est formée par exemple d'une hélice et est disposée dans un conduit d'air débouchant sur l'extérieur de l'aéronef. La machine électrique tournante est par exemple une machine synchrone triphasée à aimant permanent alimentée via un onduleur adapté. Plus particulièrement, un tel onduleur est apte à fournir un courant électrique triphasé en fonction notamment de la position du rotor par rapport au stator de la machine électrique tournante.It is known in the state of the art the use of on-board fans on various types of aircraft, and especially on board aircraft. In general, the on-board fans are used for cooling various onboard equipment such as on-board computers, or other types of devices fitted to these aircraft such as those used for example for the air conditioning of the cabin. To do this, such an embedded fan comprises a rotating electrical machine powered by a power supply network of the aircraft and a ventilation wheel secured to the rotor of the rotating machine. The ventilation wheel is formed for example of a propeller and is arranged in an air duct leading to the outside of the aircraft. The rotating electrical machine is for example a permanent magnet synchronous three-phase machine powered via a suitable inverter. More particularly, such an inverter is able to supply a three-phase electric current depending in particular on the position of the rotor relative to the stator of the rotating electrical machine.
L'information sur la position du rotor par rapport au stator permet notamment d'adapter le courant alternatif sur chacune des phases à l'alimentation de la machine électrique tournante de façon optimale. De manière générale, l'information sur la position est fournie par un système de capteurs de position distribués à proximité du rotor. Un exemple d'un tel système de capteurs est un ensemble composé de capteurs à effet Hall ou d'un synchro-résolveur. Cependant, les ventilateurs embarqués munis d'un tel système de capteurs sont relativement encombrants et leur production présente un certain nombre de contraintes. La présente invention a pour but de proposer un ventilateur embarqué compact dont la production est particulièrement simple. À cet effet, l'invention a pour objet un ventilateur embarqué à bord d'un aéronef comprenant une machine électrique synchrone triphasée avec un neutre disponible comportant un rotor à aimant permanent et un stator, la machine électrique étant apte à induire une force électromotrice de forme sensiblement sinusoïdale sur chacune de ses phases, un module d'alimentation propre à raccorder la machine électrique à une source de tension, le module d'alimentation comportant un onduleur apte à fournir un courant alternatif triphasé adapté pour alimenter la machine électrique, et une unité de pilotage apte à piloter le fonctionnement de l'onduleur en fonction de la position du rotor par rapport au stator. Le module d'alimentation comporte en outre une unité d'observation raccordée à l'unité de pilotage, l'unité d'observation étant apte à mesurer la force électromotrice sur chacune des phases de la machine électrique, et à fournir ces mesures à l'unité de pilotage. L'unité de pilotage est apte à analyser les mesures fournies pour déterminer la position du rotor par rapport au stator. Le ventilateur selon l'invention peut comprendre l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prise(s) isolément ou selon toute(s) combinaison(s) techniquement possible(s) : - le courant alternatif triphasé fourni par l'onduleur présente un signal de forme sensiblement trapézoïdale sur chacune des phases, les signaux étant décalés l'un par rapport à l'autre à une valeur sensiblement égale à 1200 . - l'unité d'observation est apte à générer un signal de position rotor correspondant au signe de la force électromotrice sur chacune des phases de la machine électrique. - l'unité de pilotage est apte à déterminer des points angulaires de chacun des signaux de position rotor générés par l'unité d'observation, le signal de position rotor correspondant changeant sa valeur. - l'unité de pilotage est apte à analyser les points angulaires de chacun des signaux de position rotor pour déterminer au moins six positions différentes du rotor par rapport au stator. - la source de tension est apte à fournir un courant alternatif triphasé. - le module d'alimentation comporte en outre un redresseur raccordé entre la source de tension et l'onduleur pour convertir le courant alternatif triphasé fourni par la source de tension en un courant continu. - le module d'alimentation comporte en outre un autotransformateur raccordé entre la source de tension et le redresseur pour modifier les valeurs de tension et/ou d'intensité du courant alternatif triphasé fourni par la source de tension. - la source de tension est apte à fournir un courant continu, avantageusement un courant continu haute tension, et - l'unité de pilotage est apte en outre à piloter la vitesse de rotation du rotor par rapport au stator. L'invention a également pour objet un aéronef comportant un réseau d'alimentation électrique apte à fournir un courant électrique et un ventilateur tel que décrit précédemment, le ventilateur étant alimenté par le réseau d'alimentation.The information on the position of the rotor relative to the stator makes it possible in particular to adapt the alternating current on each of the phases to the power supply of the rotating electrical machine optimally. In general, the position information is provided by a system of position sensors distributed near the rotor. An example of such a sensor system is a set of Hall effect sensors or a synchro-resolver. However, onboard fans equipped with such a sensor system are relatively bulky and their production has a number of constraints. The present invention aims to provide a compact on-board fan whose production is particularly simple. For this purpose, the subject of the invention is an onboard ventilator on an aircraft comprising a three-phase synchronous electric machine with an available neutral having a permanent magnet rotor and a stator, the electric machine being able to induce an electromotive force of substantially sinusoidal shape on each of its phases, a clean power supply module for connecting the electrical machine to a voltage source, the power supply module comprising an inverter capable of supplying a three-phase alternating current adapted to power the electrical machine, and a control unit capable of controlling the operation of the inverter according to the position of the rotor relative to the stator. The power supply module also comprises an observation unit connected to the control unit, the observation unit being able to measure the electromotive force on each of the phases of the electric machine, and to provide these measurements to the control unit. 'Control unit. The control unit is able to analyze the measurements provided to determine the position of the rotor relative to the stator. The fan according to the invention may comprise one or more of the following characteristics, taken in isolation or in any combination (s) technically possible (s): - the three-phase alternating current supplied by the inverter has a signal of substantially trapezoidal shape on each of the phases, the signals being shifted relative to each other to a value substantially equal to 1200. the observation unit is able to generate a rotor position signal corresponding to the sign of the electromotive force on each of the phases of the electric machine. the control unit is able to determine angular points of each of the rotor position signals generated by the observation unit, the corresponding rotor position signal changing its value. - The control unit is able to analyze the angular points of each of the rotor position signals to determine at least six different positions of the rotor relative to the stator. the voltage source is capable of supplying a three-phase alternating current. - The power supply module further comprises a rectifier connected between the voltage source and the inverter to convert the three-phase alternating current supplied by the voltage source into a direct current. - The power supply module further comprises an autotransformer connected between the voltage source and the rectifier for changing the voltage and / or intensity values of the three-phase alternating current supplied by the voltage source. the voltage source is capable of supplying a direct current, advantageously a high-voltage direct current, and the driving unit is also able to control the speed of rotation of the rotor relative to the stator. The invention also relates to an aircraft comprising a power supply network capable of supplying an electric current and a fan as described above, the fan being supplied by the supply network.
La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple, et faite en se référant aux dessins annexés, sur lesquels : - la figure 1 est une vue schématique d'un aéronef selon l'invention ; - la figure 2 est une vue schématique partiellement en coupe d'un ventilateur selon l'invention, le ventilateur comportant une machine électrique tournante et une unité de pilotage ; - la figure 3 est une section transversale de la machine électrique tournante de la figure 2 suivant la ligne ; - la figure 4 est un schéma simplifié de la structure électronique du ventilateur de la figure 2; et - la figure 5 est un ensemble de courbes correspondant à des signaux de position rotor et à des forces électromotrices en fonction du temps illustrant le fonctionnement de l'unité de pilotage de la figure 2.The present invention will be better understood on reading the description which will follow, given solely by way of example, and with reference to the appended drawings, in which: FIG. 1 is a schematic view of an aircraft according to FIG. invention; FIG. 2 is a schematic view partially in section of a fan according to the invention, the fan comprising a rotating electrical machine and a control unit; - Figure 3 is a cross section of the rotating electrical machine of Figure 2 along the line; FIG. 4 is a simplified diagram of the electronic structure of the fan of FIG. 2; and FIG. 5 is a set of curves corresponding to rotor position signals and to electromotive forces as a function of time, illustrating the operation of the control unit of FIG. 2.
Dans la suite de la présente description, l'expression « sensiblement égal à» s'entend comme une relation d'égalité à plus ou moins 10%, et l'expression « sensiblement sinusoïdal » s'entend comme une relation d'équivalence à une fonction sinus à plus ou moins 10 `Vo. L'aéronef 10 de la figure 1 comporte un réseau 12 d'alimentation électrique, un équipement 14 embarqué, un conduit 16 d'air débouchant sur l'extérieur de l'aéronef 10, et un ventilateur 20 selon l'invention disposé au moins partialement dans le conduit d'air 16 et propre à engendrer un flux d'air dans le conduit 16. L'aéronef 10 est par exemple un avion de ligne. Le réseau d'alimentation électrique 12 est un réseau électrique haute tension apte à fournir un courant alternatif triphasé de tension sensiblement égale à 115V ou à 200V et d'intensité sensiblement égale à 10A. Le réseau d'alimentation électrique 12 comprend au moins trois bornes de raccordement permettant de raccorder le ventilateur 20 à chaque phase. Selon une autre variante de réalisation, le réseau d'alimentation 12 est un réseau électrique du type DC (de l'anglais « Direct Current ») apte à fournir un courant continu. Avantageusement, le réseau d'alimentation 12 est un réseau électrique du type HVDC (de l'anglais « High Voltage Direct Current ») apte à fournir un courant continu haute tension. Selon cette variante de réalisation, le réseau d'alimentation électrique 12 comprend au moins une borne de raccordement permettant de raccorder le ventilateur 20.In the remainder of the present description, the expression "substantially equal to" is understood as a relation of equality to plus or minus 10%, and the expression "substantially sinusoidal" is understood as an equivalence relation to a sine function at plus or minus 10 `Vo. The aircraft 10 of FIG. 1 comprises a power supply network 12, an onboard equipment 14, an air duct 16 opening on the outside of the aircraft 10, and a fan 20 according to the invention arranged at least partially in the air duct 16 and suitable for generating an air flow in the duct 16. The aircraft 10 is for example an airliner. The power supply network 12 is a high-voltage electrical network capable of providing a three-phase alternating current with a voltage substantially equal to 115V or 200V and of intensity substantially equal to 10A. The power supply network 12 comprises at least three connection terminals for connecting the fan 20 to each phase. According to another variant embodiment, the supply network 12 is a DC type electrical network (of the "Direct Current" type) capable of supplying a direct current. Advantageously, the power supply network 12 is an HVDC (High Voltage Direct Current) type power grid capable of supplying a high-voltage direct current. According to this variant embodiment, the power supply network 12 comprises at least one connection terminal for connecting the fan 20.
L'équipement embarqué 14 comprend tout équipement de l'aéronef 10 dont le refroidissement est nécessaire pendant au moins certaines phases d'exploitation de l'aéronef 10. Un exemple d'un tel équipement est un calculateur embarqué. Le conduit d'air 16 est adapté pour permettre la circulation d'air dans sa partie intérieure. Sur la figure 1, le conduit d'air 16 s'étend sensiblement suivant un axe longitudinal X de déplacement de l'aéronef 10. Le conduit d'air 16 comporte une entrée 22 d'air disposée dans la partie avant de l'aéronef 10, une sortie 23 d'air disposée dans la partie arrière de l'aéronef 10 et un tronçon de forme cylindrique dans lequel un échangeur 24 de chaleur est disposé transversalement. L'entrée d'air 22 et la sortie d'air 23 sont adaptées pour permettre la circulation d'un flux d'air dans la partie intérieure du conduit 16. L'échangeur de chaleur 24, visible sur la figure 2, est raccordé thermiquement à l'équipement embarqué 14 et permet de refroidir cet équipement 14 lorsqu'il est exposé à un flux d'air circulant dans le conduit d'air 16. Le ventilateur 20 est illustré plus en détail sur la figure 2. Suivant cette figure 2, le ventilateur 20 comporte une partie 26 mécanique disposée dans le tronçon cylindrique du conduit d'air 16 et une partie 28 électronique raccordée à la partie mécanique et disposée à l'intérieur et/ou à l'extérieur du conduit d'air 16. La partie mécanique 26 comporte une machine 32 électrique tournante possédant un arbre 33 rotatif, et une roue 34 de ventilation solidaire de l'arbre rotatif 33. La roue de ventilation 34 comporte un moyeu 36 de révolution. Le moyeu 36 porte un ensemble de pales 38 dont l'extrémité libre suit sensiblement le profil de la surface intérieure du tronçon cylindrique du conduit d'air 16. La roue de ventilation 34 est par exemple une hélice. La machine électrique tournante 32 est une machine électrique synchrone triphasée comportant un rotor 40 à aimant permanent et un stator 42. Le rotor 40 est de forme générale cylindrique. Le stator 42 s'étend autour du rotor 40. Le neutre de la machine électrique tournante 32 est disponible, c'est-à-dire le neutre n'est pas connecté au réseau d'alimentation électrique 12. Le stator 42 présente un carter 44. Le carter 44 comporte une embase 46 et une paroi latérale cylindrique 48. L'embase 46 est prolongée axialement vers l'avant par la paroi latérale cylindrique 48. La paroi latérale cylindrique 48 forme la surface extérieure de la machine électrique tournante 32.The on-board equipment 14 includes any equipment of the aircraft 10 whose cooling is necessary during at least certain operating phases of the aircraft 10. An example of such equipment is an on-board computer. The air duct 16 is adapted to allow the circulation of air in its inner part. In FIG. 1, the air duct 16 extends substantially along a longitudinal axis X of displacement of the aircraft 10. The air duct 16 comprises an air inlet 22 placed in the front part of the aircraft 10, an air outlet 23 disposed in the rear part of the aircraft 10 and a section of cylindrical shape in which a heat exchanger 24 is arranged transversely. The air inlet 22 and the air outlet 23 are adapted to allow the circulation of an air flow in the inner part of the duct 16. The heat exchanger 24, visible in FIG. 2, is connected thermally to the on-board equipment 14 and to cool the equipment 14 when exposed to a flow of air flowing in the air duct 16. The fan 20 is shown in more detail in Figure 2. According to this figure 2, the fan 20 comprises a mechanical part 26 disposed in the cylindrical section of the air duct 16 and an electronic part connected to the mechanical part and disposed inside and / or outside the air duct. The mechanical part 26 comprises a rotating electric machine 32 having a rotating shaft 33, and a ventilation wheel 34 integral with the rotary shaft 33. The ventilation wheel 34 comprises a hub 36 of revolution. The hub 36 carries a set of blades 38 whose free end substantially follows the profile of the inner surface of the cylindrical section of the air duct 16. The ventilation wheel 34 is for example a helix. The rotating electrical machine 32 is a three-phase synchronous electric machine comprising a rotor 40 with a permanent magnet and a stator 42. The rotor 40 is generally cylindrical in shape. The stator 42 extends around the rotor 40. The neutral of the rotating electrical machine 32 is available, that is to say the neutral is not connected to the power supply network 12. The stator 42 has a housing 44. The housing 44 comprises a base 46 and a cylindrical side wall 48. The base 46 is extended axially forwardly by the cylindrical side wall 48. The cylindrical side wall 48 forms the outer surface of the rotary electrical machine 32.
Le carter 44 abrite une partie active 50 du stator 42. La partie active 50 est fixée sur la surface latérale intérieure de la paroi latérale cylindrique 48. En référence à la figure 3, la partie active 50 du stator 42 forme un anneau 51 cylindrique et comporte trois ensembles 52R, 52S, 521 d'enroulements sur la surface interne de cet anneau 51. Chaque ensemble d'enroulements 52R, 52S, 521 est alimenté par une phase R, S, T de courant alternatif comme ceci sera expliqué par la suite suivant la figure 5. Chaque ensemble d'enroulements 52R, 52S, 521 présente par exemple une bobine enroulée autour d'armatures formées de matériaux ferromagnétiques de la machine électrique tournante 32. Les bobines sont distribuées, comme connu en soi, sur la surface interne de l'anneau cylindrique 51 de façon à engendrer un champ électromagnétique à distribution spatiale sinusoïdale autour du rotor 40, lorsqu'un courant alternatif parcourt chacune de ces bobines.The housing 44 houses an active part 50 of the stator 42. The active part 50 is fixed on the inner lateral surface of the cylindrical side wall 48. With reference to FIG. 3, the active part 50 of the stator 42 forms a cylindrical ring 51 and has three sets 52R, 52S, 521 of windings on the inner surface of this ring 51. Each set of windings 52R, 52S, 521 is powered by a phase R, S, T of alternating current as will be explained later according to FIG. 5. Each set of windings 52R, 52S, 521 for example has a coil wound around armatures formed of ferromagnetic materials of the rotating electrical machine 32. The coils are distributed, as known per se, on the inner surface of the cylindrical ring 51 so as to generate an electromagnetic field sinusoidal spatial distribution around the rotor 40, when an alternating current runs through each of these coils.
Les centres des bobines sont espacés angulairement l'un par rapport à l'autre d'une valeur sensiblement égale à 1200 . Suivant la figure 2, le rotor 40 s'étend longitudinalement au centre d'un entrefer 53. Il est monté rotatif par rapport au stator 42 par l'intermédiaire de moyens 54, 55 rotatifs fixés au carter 44. Ces moyens rotatifs 54, 55 sont par exemple des roulements à billes.The centers of the coils are spaced angularly relative to each other by a value substantially equal to 1200. According to Figure 2, the rotor 40 extends longitudinally in the center of an air gap 53. It is rotatably mounted relative to the stator 42 by means 54, 55 rotatable fixed to the housing 44. These rotary means 54, 55 are for example ball bearings.
Le rotor 40 est solidaire d'arbre rotatif 33. Le rotor 40 présente une surface externe de forme cylindrique comprenant un ensemble d'éléments magnétiques 56, tels que des barres de matériau aimanté. Les éléments magnétiques 56 sont distribués et/ou aimantés de façon à créer un champ magnétique à distribution spatiale sinusoïdale autour du rotor 40.The rotor 40 is integral with a rotary shaft 33. The rotor 40 has a cylindrical outer surface comprising a set of magnetic elements 56, such as bars of magnetic material. The magnetic elements 56 are distributed and / or magnetized so as to create a sinusoidal spatial distribution magnetic field around the rotor 40.
La surface externe du rotor 40 comporte ainsi au moins deux points 57A, 57B dans lesquels le champ magnétique engendré par les éléments magnétique 56 est sensiblement égal à zéro. Ces points 57A, 57B seront désignés dans la suite par « points de repère ». Lorsqu'un courant alternatif parcourt chacune de bobines, l'interaction du stator 42 et du rotor 40 induit une force électromotrice FEM correspondant à un signal électrique de forme sensiblement sinusoïdale sur chacune des phases R, S, T de la machine électrique tournante 32. La force électromotrice FEM correspond notamment à une tension induite par la rotation du rotor 40 aimanté, en regard des bobines du stator 42. La force électromotrice FEM tend notamment à s'opposer au courant circulant dans chaque phase R, S, T lorsque la machine électrique tournante 32 est alimentée, et est appelé également la force « contre-électromotrice FCEM ». La partie électronique 28 assure la liaison électrique de la partie mécanique 26 et, notamment la machine électrique tournante 32, au réseau d'alimentation électrique 12.The outer surface of the rotor 40 thus comprises at least two points 57A, 57B in which the magnetic field generated by the magnetic elements 56 is substantially equal to zero. These points 57A, 57B will be designated in the following by "landmarks". When an alternating current flows through each of the coils, the interaction of the stator 42 and the rotor 40 induces an electromotive force EMF corresponding to an electrical signal of substantially sinusoidal shape on each of the phases R, S, T of the rotating electrical machine 32. The electromotive force FEM corresponds in particular to a voltage induced by the rotation of the magnetized rotor 40, facing the stator coils 42. The electromotive force FEM tends in particular to oppose the current flowing in each phase R, S, T when the machine rotating electric 32 is powered, and is also called the force "counter-electromotive FCEM". The electronic part 28 provides the electrical connection of the mechanical part 26 and, in particular the rotating electrical machine 32, to the electrical supply network 12.
En référence à la figure 4 illustrant un schéma simplifié de la structure électronique de la partie électronique 28, la partie électronique 28 comprend un module 58 d'alimentation permettant d'adapter le courant alternatif triphasé fourni par le réseau 12 à la machine électrique tournante 32. Selon la variante de réalisation décrite précédemment, le module 58 d'alimentation permet d'adapter le courant continu fourni par le réseau 12 à la machine électrique tournante 32. Avantageusement, le module 58 d'alimentation permet d'adapter le courant continu haute tension fourni par le réseau 12 à la machine électrique tournante 32. Le module d'alimentation 58 comporte un autotransformateur 59, un redresseur 60, un onduleur 61, une unité 62 de pilotage de l'onduleur 61 et une unité 63 d'observation de la machine électrique tournante 32. L'autotransformateur 59, connu en soi, est raccordé entre le réseau d'alimentation électrique 12 et le redresseur 60 pour modifier les valeurs de tension et/ou d'intensité du courant alternatif triphasé fourni par le réseau d'alimentation électrique 12. Le redresseur 60, connu en soi, est raccordé entre l'autotransformateur 59 et l'onduleur 61 pour convertir le courant alternatif triphasé issu de l'autotransformateur 59 en un courant continu. L'unité d'observation 63 est raccordée à chacune des phases R, S, T de la machine électrique tournante 32 ainsi qu'au neutre de la machine électrique tournante 32, et permet de mesurer la force électromotrice FEM sur chacune de ces phases R, S, T.With reference to FIG. 4 illustrating a simplified diagram of the electronic structure of the electronic part 28, the electronic part 28 comprises a power supply module 58 making it possible to adapt the three-phase alternating current supplied by the network 12 to the rotating electrical machine 32 According to the variant embodiment described above, the supply module 58 makes it possible to adapt the direct current supplied by the network 12 to the rotating electrical machine 32. Advantageously, the supply module 58 makes it possible to adapt the high continuous current. voltage supplied by the network 12 to the rotating electrical machine 32. The power supply module 58 comprises an autotransformer 59, a rectifier 60, an inverter 61, a unit 62 for controlling the inverter 61 and a unit 63 for monitoring the inverter. the rotating electrical machine 32. The autotransformer 59, known per se, is connected between the power supply network 12 and the rectifier 60 to modify the The rectifier 60, known per se, is connected between the autotransformer 59 and the inverter 61 for converting the three-phase alternating current to the three-phase AC voltage and / or current values supplied by the power supply network. from the autotransformer 59 in a direct current. The observation unit 63 is connected to each of the phases R, S, T of the rotating electrical machine 32 as well as to the neutral of the rotating electrical machine 32, and makes it possible to measure the electromotive force EMF on each of these phases R , S, T.
L'unité d'observation 63 comporte un système de détection associé aux phases R, S, T de la machine électrique tournante 32 pour mesurer la tension sur chaque phase R, S, T par rapport au neutre de la machine électrique tournante 32, et des moyens d'extraction permettant de déduire de mesures de tension, le changement de signe de la force électromotrice FEM IR ,1s, h- sur la phase R, S, T correspondante.The observation unit 63 comprises a detection system associated with the phases R, S, T of the rotating electrical machine 32 for measuring the voltage on each phase R, S, T relative to the neutral of the rotating electrical machine 32, and extraction means for deriving from voltage measurements, the change of electromotive force sign FEM IR, 1s, h- on the corresponding phase R, S, T.
L'unité d'observation 63 est apte en outre à générer trois signaux PR, PS, P-i- de position rotor correspondant au signe de la force électromotrice FEM IR ,ls, h-respectivement sur les phases R, S, T de la machine électrique tournante 32. L'onduleur 61 est raccordé entre le redresseur 60 et la machine électrique tournante 32, et permet d'adapter le courant continu fourni par le redresseur 60 à l'alimentation de la machine électrique tournante 32.The observation unit 63 is also able to generate three signals PR, PS, Pi- rotor position corresponding to the sign of the electromotive force FEM IR, ls, h-respectively on the phases R, S, T of the machine The inverter 61 is connected between the rectifier 60 and the rotary electrical machine 32, and makes it possible to adapt the direct current supplied by the rectifier 60 to the power supply of the rotating electrical machine 32.
L'onduleur 61 comporte trois branches de commutation correspondant aux trois phases R, S, T de la machine électrique tournante 32. Ces trois branches sont montées en parallèle entre des bornes d'entrée A et B correspondant aux bornes de sortie du redresseur 60.The inverter 61 comprises three switching branches corresponding to the three phases R, S, T of the rotating electrical machine 32. These three branches are connected in parallel between input terminals A and B corresponding to the output terminals of the rectifier 60.
L'onduleur 61 comporte en outre un condensateur 71 monté en parallèle aux trois branches de commutation. Chaque branche comporte deux interrupteurs 73, 74 montés en série et entre lesquels est formé un point R, S, T d'alimentation triphasée de la machine électrique tournante 32. Chaque interrupteur comporte un transistor 75 et une diode 76 montés en parallèle. Chaque transistor 75 comporte une grille reliée à l'unité de pilotage 62 via un circuit 72 de commande pour commuter ce transistor 75 entre une position ouverte et une position fermée. En position fermée, le transistor 75 de chaque interrupteur 73, 74 est apte à laisser passer un courant respectivement de la borne A vers l'une des bornes des phases R, S, T, ou de l'une des bornes des phases R, S, T vers la borne B. En position ouverte, le transistor 75 ne laisse passer aucun courant. Chaque transistor 75 est par exemple un transistor bipolaire à grille isolée, comme par exemple un transistor de type IGBT connu en soi. La diode 76 de chaque interrupteur 73, 74 est propre à laisser passer un courant respectivement de la borne B vers l'une des bornes des phases R, S, T, ou de l'une des bornes des phases R, S, T vers la borne A. Lorsque les transistors 75 sont tous ouverts, les diodes 76 forment un pont redresseur. L'onduleur 61 est par exemple un onduleur à commandes par largeur d'impulsion. L'unité de pilotage 62 est raccordée à l'onduleur 61 via le circuit de commande 72 et permet de piloter le fonctionnement de l'onduleur 61. L'unité de pilotage 62 se présente par exemple sous la forme d'un logiciel exécuté par un processeur de type adapté. L'unité de pilotage 62 est raccordée en outre à l'unité d'observation 63 et apte à recevoir de cette unité d'observation 63 les signaux PR, Ps, P-i- de position rotor générés par l'unité d'observation 63. Pour chaque signal de position rotor PR, Ps, P-i-, l'unité de pilotage 62 est apte en outre à déterminer des points angulaires dans lesquels ce signal s'annule. Les points angulaires correspondent ainsi à une position angulaire du rotor 40 dans laquelle l'un de ses points de repère 57A, 57B est aligné radialement avec le centre de la bobine alimentée par la phase R, S, T associée au signal de position rotor PR, Ps, P-i- correspondant.The inverter 61 further comprises a capacitor 71 connected in parallel with the three switching branches. Each branch comprises two switches 73, 74 connected in series and between which is formed a point R, S, T of three-phase power of the rotating electrical machine 32. Each switch comprises a transistor 75 and a diode 76 connected in parallel. Each transistor 75 comprises a gate connected to the control unit 62 via a control circuit 72 for switching this transistor 75 between an open position and a closed position. In the closed position, the transistor 75 of each switch 73, 74 is able to pass a current respectively from the terminal A to one of the terminals of the phases R, S, T, or one of the terminals of the phases R, S, T to the terminal B. In the open position, the transistor 75 does not let any current flow. Each transistor 75 is, for example, an insulated gate bipolar transistor, for example an IGBT type transistor known per se. The diode 76 of each switch 73, 74 is adapted to let a current flow respectively from the terminal B to one of the terminals of the phases R, S, T, or one of the terminals of the phases R, S, T towards When the transistors 75 are all open, the diodes 76 form a rectifier bridge. The inverter 61 is for example a pulse width controlled inverter. The control unit 62 is connected to the inverter 61 via the control circuit 72 and makes it possible to control the operation of the inverter 61. The control unit 62 is for example in the form of a software executed by a suitable type of processor. The control unit 62 is further connected to the observation unit 63 and adapted to receive from this observation unit 63 the signals PR, Ps, P1 of rotor position generated by the observation unit 63. For each rotor position signal PR, Ps, P 1, the control unit 62 is also able to determine angular points in which this signal is canceled. The angular points thus correspond to an angular position of the rotor 40 in which one of its reference points 57A, 57B is aligned radially with the center of the coil fed by the phase R, S, T associated with the rotor position signal PR , Ps, P-correspondent.
L'unité de pilotage 62 est apte ainsi par calcul à déduire la position du rotor 40 par rapport au stator 42 dans chaque instant. En utilisant l'information sur la position du rotor 40, l'unité de pilotage 62 est apte à générer des signaux de commande de l'onduleur 61 pour alimenter la machine électrique tournante 32, selon une ou plusieurs techniques connues en soi. Plus particulièrement, l'unité de pilotage 62 est apte à générer au moins six signaux de commande pour commuter la position de l'ensemble des transistors 75 entre la position fermée et la position ouverte. Cette commutation s'effectue par exemple par modulation de largeur d'impulsion.The control unit 62 is thus calculated by calculating the position of the rotor 40 with respect to the stator 42 in each instant. By using the information on the position of the rotor 40, the control unit 62 is able to generate control signals from the inverter 61 to power the rotating electrical machine 32, according to one or more techniques known per se. More particularly, the control unit 62 is able to generate at least six control signals for switching the position of all the transistors 75 between the closed position and the open position. This switching is effected for example by pulse width modulation.
Les signaux de commande générés par l'unité de pilotage 62 permettent à l'onduleur 61 de fournir à la machine électrique tournante 32 un courant alternatif triphasé. Ce courant alternatif triphasé présente trois signaux électriques de forme sensiblement trapézoïdale, décalés l'un par rapport à l'autre d'une valeur sensiblement égale 120°. Le point initial de chacun de ces signaux électriques est déterminé en fonction de la position du rotor 40. Selon un aspect complémentaire de l'invention, l'unité de pilotage 62 permet de faire varier la vitesse de rotation de la machine électrique tournante 32. À cet effet, elle est propre à modifier les signaux de commande de manière adaptée, selon une ou plusieurs techniques connues en soi.The control signals generated by the control unit 62 enable the inverter 61 to supply the rotating electrical machine 32 with a three-phase alternating current. This three-phase alternating current has three electrical signals of substantially trapezoidal shape, offset relative to each other by a value substantially equal to 120 °. The initial point of each of these electrical signals is determined as a function of the position of the rotor 40. According to a complementary aspect of the invention, the control unit 62 makes it possible to vary the speed of rotation of the rotating electrical machine 32. For this purpose, it is adapted to modify the control signals in a suitable manner, according to one or more techniques known per se.
Le fonctionnement du ventilateur 20 va désormais être expliqué. Initialement, le ventilateur 20 est déconnecté du réseau d'alimentation 12. Lorsque le refroidissement de l'équipement embarqué 14 est nécessaire, le ventilateur 20 est connecté au réseau d'alimentation 12. Un courant électrique triphasé issu du réseau d'alimentation 12 est d'abord transformé par l'autotransformateur 59, et ensuite converti à un courant continu par le redresseur 60. Puis, le courant continu est converti par l'onduleur 61 en un courant alternatif triphasé pour alimenter la machine électrique tournante 32 et en particulier, le stator 42. Au démarrage de la machine électrique tournante 32, le fonctionnement de l'onduleur 61 est piloté par l'unité de pilotage 62 selon l'une des techniques de démarrage connues en soi, comme par exemple la technique de démarrage « pas à pas ». Lorsque la machine électrique tournante 32 est démarrée, la rotation du rotor 40 induit une force électromotrice FEM IR ,ls, h- sur chacune des phases R, S, T de la machine électrique tournante 32.The operation of the fan 20 will now be explained. Initially, the fan 20 is disconnected from the supply network 12. When the cooling of the on-board equipment 14 is necessary, the fan 20 is connected to the supply network 12. A three-phase electric current from the supply network 12 is first converted by the autotransformer 59, and then converted to a direct current by the rectifier 60. Then, the direct current is converted by the inverter 61 into a three-phase alternating current to power the rotating electrical machine 32 and in particular, the stator 42. At the start of the rotary electric machine 32, the operation of the inverter 61 is controlled by the control unit 62 according to one of the known start-up techniques, such as for example the starting technique "step step by step. When the rotating electrical machine 32 is started, the rotation of the rotor 40 induces an electromotive force FEM IR, ls, h- on each of the phases R, S, T of the rotating electrical machine 32.
La force électromotrice FEM IR ,1s, h- est mesurée par l'unité d'observation 63.The electromotive force FEM IR, 1s, h- is measured by the observation unit 63.
L'unité d'observation 61 génère en outre les signaux de position rotor PR, PS, P-i- et transmet ces signaux à l'unité de pilotage 62. L'unité de pilotage 62 détermine les points angulaires dans lesquels les signaux de position rotor PR, PS, P-i- s'annulent.The observation unit 61 furthermore generates the rotor position signals PR, PS, P 1 and transmits these signals to the control unit 62. The control unit 62 determines the angular points in which the rotor position signals PR, PS, P-cancel each other.
L'unité de pilotage 62 détermine en outre la position du rotor 40 à chaque instant en utilisant les points angulaires. Pour ce faire, l'unité de pilotage 62 analyse pour chaque point angulaire, le signe du signal de position rotor PR, PS, P-i- correspondant à ce point angulaire juste avant le point angulaire. Ceci permet alors de déterminer lequel parmi les points de repère 57A, 57B du rotor 40 est aligné dans cet instant avec le centre de la bobine correspondant à ce signal de position rotor PR, Ps, P-i-. Finalement, en fonction de la position du rotor 40, l'unité de pilotage 62 génère des signaux de commande permettant de piloter le fonctionnement de l'onduleur 61. La figure 5 illustre le fonctionnement de l'unité de pilotage 62 pour deux tours électriques complets du rotor 40.The control unit 62 further determines the position of the rotor 40 at each moment using the angular points. To do this, the control unit 62 analyzes for each angular point, the sign of the rotor position signal PR, PS, P-i- corresponding to this angular point just before the angular point. This then makes it possible to determine which of the reference points 57A, 57B of the rotor 40 is aligned at this instant with the center of the coil corresponding to this rotor position signal PR, Ps, P-i-. Finally, depending on the position of the rotor 40, the control unit 62 generates control signals for controlling the operation of the inverter 61. FIG. 5 illustrates the operation of the control unit 62 for two electric towers complete rotor 40.
Ainsi, sur cette figure 5, les courbes IR, I, et IT correspondent aux trois forces électromotrices mesurées respectivement sur les phases R, S et T de la machine électrique tournante 32 par l'unité d'observation 63. Chacune de ces courbes IR, I, et h- a une forme sinusoïdale par construction de la machine électrique tournante.Thus, in this FIG. 5, the IR, I, and IT curves correspond to the three electromotive forces measured respectively on the R, S and T phases of the rotating electrical machine 32 by the observation unit 63. Each of these IR curves , I, and h- has a sinusoidal shape by construction of the rotating electrical machine.
Les courbes PR, PS, P-i- correspondent aux signaux de position rotor PR, Ps, PT générés par l'unité d'observation 63. Ainsi, chacune de ces courbes prend la valeur numérique égale à 1 lorsque la force électromotrice IR, I, et h- correspondante est positive, à -1 lorsque la force électromotrice IR, I, et h- correspondante est négative, et à 0 lorsque la force électromotrice I p, I, et h- correspondante est nulle.The curves PR, PS, Pi correspond to the rotor position signals PR, Ps, PT generated by the observation unit 63. Thus, each of these curves takes the numerical value equal to 1 when the electromotive force IR, I, and h- corresponding is positive, -1 when the electromotive force IR, I, and h- corresponding is negative, and 0 when the electromotive force I p, I, and h- corresponding is zero.
Les courbes CR, Cs, CT correspondent aux formes du courant fourni par l'onduleur 61 à la machine électrique tournante 32 respectivement sur les phases R, S, T. Les points 00, 180°, 360° et 540° correspondent appoints angulaires de la courbe PR. Ainsi, dans ces points, l'un de points de repère 57A, 57B du rotor 40 est aligné radialement avec le centre de la bobine correspondant à l'ensemble d'enroulements 52R.The curves CR, Cs, CT correspond to the shapes of the current supplied by the inverter 61 to the rotating electrical machine 32 respectively on the R, S, T phases. The points 00, 180 °, 360 ° and 540 ° correspond to the angular the PR curve. Thus, in these points, one of the reference points 57A, 57B of the rotor 40 is aligned radially with the center of the coil corresponding to the set of windings 52R.
Les points 60°, 240°, 420° et 600° correspondent au points angulaires de la courbe P-i-. Ainsi, dans ces points, l'un de points de repère 57A, 57B du rotor 40 est aligné radialement avec le centre de la bobine correspondant à l'ensemble d'enroulements 521. Les points 120°, 300°, 480° et 660° correspondent tac points angulaires de la courbe P. Ainsi, dans ces points, l'un de points de repère 57A, 57B du rotor 40 est aligné radialement avec le centre de la bobine correspondant à l'ensemble d'enroulements 52S.The points 60 °, 240 °, 420 ° and 600 ° correspond to the angular points of the curve P-i-. Thus, in these points, one of the reference points 57A, 57B of the rotor 40 is aligned radially with the center of the coil corresponding to the set of windings 521. The points 120 °, 300 °, 480 ° and 660 Correspondingly, at these points, one of the reference points 57A, 57B of the rotor 40 is radially aligned with the center of the coil corresponding to the set of windings 52S.
En fonction des changements de valeurs de PR, PS, PT , six positions différentes du rotor peuvent être identifiées pour une rotation du rotor de la machine électrique 32. On conçoit alors que la présente invention comporte un certain nombre d'avantages.Depending on the changes in values of PR, PS, PT, six different positions of the rotor can be identified for a rotation of the rotor of the electric machine 32. It will be appreciated that the present invention has a number of advantages.
Ainsi, selon l'invention, la machine électrique tournante 32 est pilotée sans capteurs de position du rotor 40 ce qui rend sa structure plus compacte et simple à fabriquée. Ceci permet en outre de réduire le temps de montage du ventilateur 20 dans un conduit d'air et de simplifier la certification pour le domaine aéronautique. La position du rotor 40 est déduite des mesures de la force électromotrice FEM sur chacune de phase R, S, T de la machine électrique tournante 32. Ces mesures sont très précises ce qui permet d'adapter au mieux le fonctionnement de l'onduleur 61 pour alimenter la machine électrique tournante 32. Finalement, l'absence de certains composants classiquement utilisés pour ce type de ventilateurs, comme par exemple une roue phonique ou une plaque capteur de position, permet de rendre le ventilateur 20 selon l'invention relativement peu coûteux.Thus, according to the invention, the rotating electrical machine 32 is driven without position sensors of the rotor 40 which makes its structure more compact and simple to manufacture. This also makes it possible to reduce the assembly time of the fan 20 in an air duct and to simplify the certification for the aeronautical field. The position of the rotor 40 is deduced from the measurements of the electromotive force EMF on each phase R, S, T of the rotating electrical machine 32. These measurements are very precise, which makes it possible to better adapt the operation of the inverter 61 to power the rotating electrical machine 32. Finally, the absence of some components conventionally used for this type of fans, such as a sound wheel or a position sensor plate, makes it possible to make the fan 20 according to the invention relatively inexpensive. .
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