FR3132503A1 - Systeme de reglage de pas de pales d’une helice d’un aeronef - Google Patents
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Abstract
L’invention concerne un système (100) de réglage de pas de pales (102) d’une hélice d’un aéronef, comportant : - un rotor d’hélice (104) portant les pales et conçu pour tourner par rapport à un bâti (106) de l’aéronef ; - une motorisation électrique (108), portée par le rotor d’hélice (104), conçue pour entraîner les pales (102) afin de régler leur pas ; et - un réseau électrique (112) porté par le bâti (106) de l’aéronef. Il comporte en outre des dispositifs de commande (1141, 1142) redondants, portés par le rotor d’hélice (104) et alimentés par le réseau électrique (112) pour commander la motorisation électrique (108). Figure pour l’abrégé : Fig. 1
Description
La présente invention concerne un système de réglage de pas de pales d’une hélice d’un aéronef.
On connait de l’état de la technique un système de réglage de pas de pales d’une hélice d’un aéronef, comportant :
- un rotor d’hélice portant les pales et conçu pour tourner par rapport à un bâti de l’aéronef ;
- une motorisation électrique, porté par le rotor d’hélice, conçu pour entraîner les pales afin de régler leur pas ; et
- un réseau électrique porté par le bâti de l’aéronef.
L’invention a pour but d’améliorer la fiabilité d’un tel système de réglage de pas.
Il est donc proposé un système de réglage de pas de pales d’une hélice d’un aéronef, comportant :
- un rotor d’hélice portant les pales et conçu pour tourner par rapport à un bâti de l’aéronef ;
- une motorisation électrique, portée par le rotor d’hélice, conçue pour entraîner les pales afin de régler leur pas ; et
- un réseau électrique porté par le bâti de l’aéronef ;
L’invention peut en outre comporter l’une ou plusieurs des caractéristiques optionnelles suivantes, selon toute combinaison techniquement possible.
De façon optionnelle, le système de réglage de pas comporte un système tournant de transmission d’énergie électrique depuis le réseau électrique jusqu’aux dispositifs de commande.
De façon optionnelle également, le système tournant comporte un transformateur tournant comportant : - un bobinage, dit fixe, porté par le bâti, alimenté électriquement par le réseau électrique ; et - des bobinages, dits tournants, portés par le rotor d’hélice, pour respectivement alimenter les dispositifs de commande.
De façon optionnelle également, le bobinage fixe et les bobinages tournants sont agencés axialement sur un axe de rotation du rotor d’hélice par rapport au bâti, les uns à la suite des autres.
De façon optionnelle également, chaque dispositif de commande comporte : - un redresseur conçu pour convertir une tension alternative reçu de l’un respectif des bobinages tournants en une tension continue ; et - un onduleur conçu pour convertir la tension continue en commandes pour la motorisation électrique.
De façon optionnelle également, chaque dispositif de commande comporte un stockeur d’énergie électrique entre le redresseur et l’onduleur.
De façon optionnelle également, la motorisation électrique comporte un moteur comportant un stator présentant plusieurs systèmes de bobinages polyphasés commandés par respectivement les systèmes de commande.
De façon optionnelle également, le système de réglage de pas comporte en outre un convertisseur de mouvement non réversible conçu pour transformer un mouvement de rotation de la motorisation électrique en un mouvement de rotation des pales.
Il est également proposé un aéronef comportant un système de réglage de pas selon l’invention.
L’invention sera mieux comprise à l’aide de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d’exemple et faite en se référant aux dessins annexés dans lesquels :
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En référence à la , un exemple d’un système 100 selon l’invention de réglage de pas de pales 102 d’une hélice d’un aéronef, va à présent être décrit.
Dans la présente invention, le terme d’hélice recouvre également tout type de soufflante et le terme de pale recouvre tout type d’aube.
Le système 100 comporte tout d’abord un rotor d’hélice 104 conçu pour tourner par rapport à un bâti 106 de l’aéronef autour d’un axe principal P. Le bâti 106 est par exemple un bâti moteur ou bien une cellule d’aéronef.
Le rotor d’hélice 104 porte les pales 102, ces dernières étant mobiles par rapport au rotor d’hélice 104, afin de modifier leur pas, c’est-à-dire leur orientation. En particulier, les pales 102 sont mobiles en rotation autour d’axes respectifs d’orientation, par exemple radiaux c’est-à-dire perpendiculaires à l’axe principal P et passant par ce dernier. Sur la , une seule pale 102 est représentée et son axe d’orientation est perpendiculaire au plan de la figure.
Le système 100 comporte en outre une motorisation électrique 108 portée par le rotor d’hélice 104. La motorisation électrique 108 est conçue pour entraîner les pales 102 afin de régler leur pas. Toutes les pales 102 peuvent être entraînées en même temps, ou bien par groupe voire individuellement. Ce dernier cas est utile lorsque l’aéronef est un hélicoptère, où le pas de chaque pale 102 doit être réglé en fonction de la position angulaire de la pale 102.
Les pales 102 sont par exemple celle d’un rotor principal ou bien d’un rotor anti-couple d’un hélicoptère. Alternativement, l’invention peut être appliquée sur le turbopropulseur, turbofan ou bien open rotor d’un avion, comme un avion à décollage et atterrissage horizontal classique, ou bien un avion à décollage et atterrissage vertical (de l’anglais « Vertical Take-off and Landing », également désigné par l’acronyme VTOL).
Par exemple, le système 100 comporte en outre un convertisseur de mouvement 110 conçu pour convertir un mouvement de rotation fourni par la motorisation électrique 108 en un mouvement souhaité des pales 102. Le convertisseur de mouvement 110 est de préférence non réversible, de sorte qu’en cas de non-fonctionnement de la motorisation électrique 108, les pales 102 ne puissent pas bouger par rapport au rotor d’hélice 104. La non réversibilité est par exemple obtenue en prévoyant, dans le convertisseur de mouvement 110, un système écrou / vis sans fin ou bien un système roue vis sans fin.
Le système 100 comporte en outre un réseau électrique 112 porté par le bâti 106 de l’aéronef. Le réseau électrique 112 est par exemple continu et conçu pour fournir une tension continue Vdc.
Le système 100 comporte en outre plusieurs dispositifs de commande 1141, 1142de la motorisation électrique 108. Ces dispositifs de commande 1141, 1142sont portés par le rotor d’hélice 104 et redondants. Cela signifie que chacun d’eux est conçu pour commander la motorisation électrique 108 à lui seul, c’est-à-dire indépendamment du ou des autres.
Les dispositifs de commande 1141, 1142sont alimentés par le réseau électrique 112 pour commander la motorisation électrique 108.
En particulier, le système 100 comporte un système tournant 116 de transmission d’énergie électrique depuis le réseau électrique 112 jusqu’aux dispositifs de commande 1141, 1142. Ainsi, le système tournant 116 est conçu pour assurer la transmission de l’énergie électrique entre le repère fixe du bâti 106 de l’aéronef et le repère tournant du rotor d’hélice 104. Le système tournant 116 est par exemple un système à induction magnétique.
Par exemple, le système tournant 116 comporte un transformateur tournant 118. Ce dernier peut alors comporter un bobinage, dit bobinage fixe 120, porté par le bâti 106 et plusieurs bobinages, dits bobinages tournants (deux dans l’exemple illustré, désignés les références 1221, 1222), portés par le rotor d’hélice 104. Le bobinage fixe 120 est conçu pour recevoir une tension Va alternative et est magnétiquement couplé à tous les bobinages tournants 1221, 1222, de sorte que les bobinages tournants 1221, 1222fournissent des tensions Va1, Va2 respectives, résultant de la tension Va appliquée au bobinage fixe 120. Pour favoriser le couplage magnétique, le transformateur tournant 118 comporte par exemple un circuit magnétique 124 (également appelé noyau magnétique) porté par le bâti 106 de l’aéronef. Le bobinage fixe 120 forme donc un inducteur, tandis que les bobinages tournants forment des induits.
Les dispositifs de commande 1141, 1142sont alors respectivement connectés aux bobinages tournants 1221, 1222pour respectivement recevoir les tensions Va1, Va2, afin de respectivement fournir des commandes Vc1, Vc2 à la motorisation électrique 108.
En particulier lorsque le réseau électrique 112 est continu, le système de transport électrique tournant 116 comporte un onduleur 126 conçu pour convertir la tension Vdc en la tension Va appliquée au bobinage fixe 120.
De préférence, pour que le bobinage fixe 120 produise un flux magnétique passant par les deux bobinages tournants 1221, 1222, les trois bobinages 120, 1221, 1222sont de préférence agencés axialement sur l’axe principal P, les uns à la suite des autres. Plus précisément, les trois bobinages 120, 1221, 1222sont tous centrés sur l’axe principal P. Ainsi, les bobinages tournants 1221, 1222sont agencés pour recevoir sensiblement le même champ magnétique d’excitation généré par le bobinage fixe 120.
En référence à la , le transformateur tournant 118 comporte un support fixe 202 solidaire du bâti 106 et portant le bobinage fixe 120, ainsi que par exemple le noyau magnétique 124. Le transformateur 118 comporte en outre un support mobile 204 solidaire du rotor d’hélice 104 et portant les bobinages tournants 1221, 1222.
L’environnement des bobinages 120, 1221, 1222et en particulier les supports 202, 204 sont de préférence en matériaux amagnétiques ou paramagnétiques, par exemple de susceptibilité magnétique inférieure à 10-3, ceci afin d’éviter tout court-circuit magnétique.
En référence à la , le circuit magnétique 124 peut comporter une pluralité de modules magnétiques 302, par exemple au moins trois. Douze modules magnétiques 302 sont prévus dans l’exemple illustré. Ces modules magnétiques 302 sont agencés autour de l’axe principal P, en corolle. De préférence, ils sont répartis angulairement de manière régulière. Par exemple, chaque module 302 est formé d’une boucle fermée s’étendant selon un plan 304 respectif contenant l’axe principal P. Dans l’exemple décrit, la boucle fermée est rectangulaire. Cette forme bouclée permet d’homogénéiser la distribution du flux magnétique. Chaque module magnétique 302 est par exemple réalisé par un ou plusieurs empilements de tôles magnétiques droites ou bien décalées de façon à coller à l’arrondi du bobinage fixe 120.
Chaque dispositif de commande 1141, 1142est par exemple conçu pour recevoir une consigne afin de commander la motorisation électrique 108 à partir de cette consigne.
En référence à la , pour la transmission de cette consigne, le système 100 peut outre comporter, porté par le bâti de l’aéronef, un émetteur sans fil 402 conçu pour émettre la consigne et, pour chaque dispositif de commande 1141, 1142, un récepteur sans fil 4041, 4042conçu pour recevoir la consigne émise par l’émetteur sans fil 402 et la transmettre au dispositif de commande 1141, 1142associé. La communication entre l’émetteur sans fil 402 et les récepteurs sans fils 4041, 4042est par exemple à onde radio ou électromagnétique, comme un système de communication LiFi par impulsions lumineuses (par exemple laser) et capteurs optiques pour éviter tout risque de compatibilité électromagnétique (risque CEM). Cette communication est par exemple sécurisée (par exemple en utilisant un protocole de communication sécurisé) et redondée (par exemple via des composants distincts et indépendants pour chacun des contrôleurs de chaque onduleur).
Chaque dispositif de commande 1141, 1142peut en outre être conçu pour commander la motorisation électrique 108 à partir d’une mesure du pas des pales 102. Ainsi, le système 100 comporte par exemple un capteur 406 de position des pales 102, conçu pour fournir la mesure du pas des pales 102 aux dispositifs de commande 1141, 1142. Ce capteur de position 406 est par exemple porté par le rotor d’hélice 104.
En référence à la , chaque dispositif de commande 1141, 1142comporte par exemple un redresseur 5021, 5022conçu pour convertir la tension alternative Va1, Va2 associée en une tension continue, ainsi qu’un onduleur 5041, 5042conçu pour convertir cette tension continue en la commande C1, C2 associée.
Chaque dispositif de commande 1141, 1142peut en outre comporter un stockeur d’énergie électrique batterie 5061, 5062portée par le rotor d’hélice 104, entre le redresseur 5021, 5022et l’onduleur 5041, 5042. Il s’agit par exemple d’une batterie chimique ou bien d’un stockeur capacitif. Le système 100 est alors conçu pour utiliser l’énergie électrique stockée pour répondre à l’alternance des appels de courant et/ou les sollicitations les plus extrêmes, afin de ne pas surdimensionner le système d’alimentation électrique. Le système 100 peut en outre être conçu, en cas d’indisponibilité du réseau électrique 112 (par exemple, suite à un défaut du transformateur 118), pour alimenter la motorisation électrique 108 à partir de l’énergie électrique stockée. Dans ce cas, le système 100 est par exemple conçu pour utiliser l’énergie électrique stockée pour régler le pas des pales 102 à une position prédéfinie, en particulier une position neutre de secours permettant à l’aéronef de bénéficier d’une propulsion sécurisée.
En référence à la , la motorisation électrique 108 comporte par exemple un moteur comportant un stator 602 et un rotor 604, avec le stator 602 présentant plusieurs systèmes de bobinages polyphasés, par exemple triphasés. Plus précisément, un système polyphasé est prévu pour chaque dispositif de commande 1141, 1142.
Le moteur 602, 604 peut être synchrone ou bien asynchrone, par exemple un moteur à réluctance comme un moteur à réluctance variable commutée à flux radial utilisé en mode pas à pas.
Le rotor 604 peut être un rotor à effet de saillance, un rotor à aimants permanents ou bien un rotor hybride. Un rotor bobiné reste possible, mais n’est pas privilégié.
Dans l’exemple décrit, deux systèmes de bobinages sont prévus : les bobinages LA1, LB1, LC1et les bobinages LA2, LB2, LC2. Les systèmes sont en particulier entrelacés, c’est-à-dire que le moteur comporte alternativement un bobinage de chaque système, soit dans l’exemple illustré : LA1, puis LA2, puis LB1, puis LB2, puis LC1, puis LC2. Dans le cas de systèmes triphasés, les bobinages de chaque système sont par exemple décalés angulairement de 120° l’un par rapport au suivant. En outre, les deux systèmes triphasés sont par exemples décalés d’un angle compris entre 0° et 60°, de préférence 60° comme dans l’exemple illustré.
Ces systèmes sont respectivement commandés par les dispositifs de commande 1141, 1142. Ainsi, chaque dispositif de commande 1141, 1142 est conçu pour respectivement fournir des tensions de phases VA1, VB1, VC1, VA2, VB2, VC2aux bobinages LA1, LB1, LC1, LA2, LB2, LC2du système associé, à partir de la tension alternative Va1, Va2 associée.
Ainsi, la motorisation électrique 108 est capable de fonctionner en cas de disfonctionnement partiel, comme : un court-circuit sur l’une des phases du moteur, un disfonctionnement sur un des onduleurs 5041, 5042, un disfonctionnement sur un des bobinages tournants 1221, 1222du transformateur 118.
En référence à la , chaque onduleur 5041, 5042comporte par exemple un circuit de puissance 7021, 7022, en particulier à commutation, et un dispositif 7041, 7042de contrôle du circuit de puissance 7021, 7022, par exemple à partir de la mesure de pas P du capteur 406 et/ou de la consigne C reçue par le récepteur 4041, 4042correspondant. Le contrôle est par exemple réalisé par modulation de largeur d’implusion (MLI) ou bien en plein onde.
Par exemple, chaque circuit de puissance 7021, 7022comporte un pont complet de commutation pour chaque bobinage du système commandé par le circuit de puissance 7021, 7022considéré. Le dispositif de contrôle 7041, 7042peut alors être conçu pour faire commuter les ponts complets.
En référence à la , dans un premier exemple de réalisation, le convertisseur de mouvement 110 comporte par exemple un vérin 802, par exemple électrique, présentant une tige 804 mobile en translation en fonction de la rotation du moteur 108. Le vérin 802 comporte par exemple une vis sans fin sur laquelle un écrou, solidaire de la tige 804, est vissé. Le convertisseur de mouvement 110 comporte en outre une bielle 806 intercalée entre la tige 804 et la pale 102.
Un réducteur 808 et/ou un accouplement élastique 810 peuvent être prévus entre le moteur 108 et le vérin 802.
En référence à la , dans un deuxième exemple de réalisation, le convertisseur de mouvement 110 comporte par exemple un support 902 mobile en rotation par rapport au rotor d’hélice 104. Dans ce cas, la motorisation électrique 108 et le vérin 802 sont fixés au support 902, et la pale 102 est directement connectée à la tige 804 du vérin 802.
En référence à la , dans un troisième exemple de réalisation, le vérin 802 peut être directement rotatif. Par exemple, sa vis sans fin peut entraîner une roue dentée 1002 solidaire de la pale 102.
On notera par ailleurs que l’invention n’est pas limitée aux modes de réalisation décrits précédemment. Il apparaîtra en effet à l'homme de l'art que diverses modifications peuvent être apportées aux modes de réalisation décrits ci-dessus, à la lumière de l'enseignement qui vient de lui être divulgué.
En particulier, alternativement, la motorisation électrique 108 pourrait comporter deux moteurs comportant chacun un stator et un rotor. Encore alternativement, la motorisation électrique 108 pourrait comporter un moteur à deux stators et un seul rotor. Ces moteurs sont de préférence à réluctance variable commutée, mais ils peuvent être également des coteurs à courant continu, synchrones ou bien asynchrones. Dans ce cas, les circuits de puissance 7021, 7022 peuvent être à demi-pont de commutation, et les dispositifs de contrôle 7041, 7042 peuvent être conçus pour commander les demi-ponts par un asservissement en course.
Par ailleurs, à la place du transformateur tournant 118, le système de transport électrique tournant 116 pourrait comporter un collecteur tournant, même si ce dernier est sensible aux vibrations. Par exemple, la tension continue Vdc pourrait être directement convoyée par deux collecteurs, sans nécessiter l’onduleur 126 amont et les redresseurs 5021, 5022aval. En outre, des signaux de contrôles des moteurs pourraient être convoyées par six collecteurs.
Par ailleurs, le capteur 406 de position des pales 102 peut être un capteur de position en translation sur le vérin 802.
Dans la présentation détaillée de l’invention qui est faite précédemment, les termes utilisés ne doivent pas être interprétés comme limitant l’invention aux modes de réalisation exposés dans la présente description, mais doivent être interprétés pour y inclure tous les équivalents dont la prévision est à la portée de l'homme de l'art en appliquant ses connaissances générales à la mise en œuvre de l'enseignement qui vient de lui être divulgué.
Claims (9)
- Système (100) de réglage de pas de pales (102) d’une hélice d’un aéronef, comportant :
- un rotor d’hélice (104) portant les pales et conçu pour tourner par rapport à un bâti (106) de l’aéronef ;
- une motorisation électrique (108), portée par le rotor d’hélice (104), conçue pour entraîner les pales (102) afin de régler leur pas ; et
- un réseau électrique (112) porté par le bâti (106) de l’aéronef ;
- Système (100) de réglage de pas selon la revendication 1, comportant un système tournant (116) de transmission d’énergie électrique depuis le réseau électrique (112) jusqu’aux dispositifs de commande (1141, 1142).
- Système (100) de réglage de pas selon la revendication 2, dans lequel le système tournant (116) comporte un transformateur tournant (118) comportant :
- un bobinage (120), dit fixe, porté par le bâti (106), alimenté électriquement par le réseau électrique (112) ; et
- des bobinages (1221, 1222), dits tournants, portés par le rotor d’hélice (104), pour respectivement alimenter les dispositifs de commande (1141, 1142).
- Système (100) de réglage de pas selon la revendication 3, dans lequel le bobinage fixe (120) et les bobinages tournants (1221, 1222) sont agencés axialement sur un axe de rotation (P) du rotor d’hélice (104) par rapport au bâti (106), les uns à la suite des autres.
- Système (100) de réglage de pas selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel chaque dispositif de commande (1141, 1142) comporte :
- un redresseur (5021, 5022) conçu pour convertir une tension alternative (Va1, Va2) reçu de l’un respectif des bobinages tournants (1221, 1222) en une tension continue ; et
- un onduleur (5041, 5042) conçu pour convertir la tension continue en commandes (C1, C2) pour la motorisation électrique (108).
- Système (100) de réglage de pas selon la revendication 5, dans lequel chaque dispositif de commande (1141, 1142) comporte un stockeur d’énergie électrique (5061, 5062) entre le redresseur (5021, 5022) et l’onduleur (5041, 5042).
- Système (100) de réglage de pas selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel la motorisation électrique (108) comporte un moteur comportant un stator présentant plusieurs systèmes de bobinages (LA1, LB1, LC1, LA2, LB2, LC2) polyphasés commandés par respectivement les systèmes de commande (1141, 1142).
- Système (100) de réglage de pas selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, comportant en outre un convertisseur de mouvement (110) non réversible conçu pour transformer un mouvement de rotation de la motorisation électrique (108) en un mouvement de rotation des pales (102).
- Aéronef comportant un système (100) de réglage de pas selon l’une quelconque des revendications 1 à 8.
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2022
- 2022-02-04 FR FR2200980A patent/FR3132503A1/fr active Pending
Patent Citations (3)
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