FR3132601A1 - Procede d’arret d’une generatrice electrique a aimants permanents par demagnetisation - Google Patents

Procede d’arret d’une generatrice electrique a aimants permanents par demagnetisation Download PDF

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Philippe Delbosc
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Safran SA
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Abstract

Ce procédé de mise en œuvre de l’arrêt d’une génératrice électrique qui a un rotor et des aimants permanents adaptés pour pouvoir fournir une force électromotrice, cette génératrice comportant des éléments de surchauffe adaptés pour faire pouvoir monter la température des aimants permanents pour les démagnétiser, lesdits éléments de surchauffe comportant un tapis chauffant en contact avec les aimants permanents et un contrôleur configuré pour pouvoir détecter un court-circuit de la génératrice électrique et pour pouvoir déclencher les moyens de surchauffe. Figure pour l’abrégé : [Fig 3]

Description

PROCEDE D’ARRET D’UNE GENERATRICE ELECTRIQUE A AIMANTS PERMANENTS PAR DEMAGNETISATION
La présente invention concerne les procédés d’arrêt de génératrices électriques à aimants permanents dans un aéronef.
La présente invention vise à constituer une génératrice à aimants permanents et un procédé mis en œuvre permettant un arrêt par démagnétisation des aimants.
Techniques antérieures
Dans le cadre de moteurs hybrides d’aéronefs, il est connu d’installer des génératrices électriques sur les arbres haute pression et/ou basse pression.
Si ces génératrices sont à aimants permanents, ceux-ci génèrent une force électromotrice tant que la génératrice tourne.
Ainsi en cas de court-circuit, contrairement aux machines à électro-aimants, il n’est pas possible de simplement couper le courant inducteur pour arrêter la génératrice électrique.
Un problème qui se pose est donc qu’en cas de court-circuit, le courant généré par la force électromotrice entraine un échauffement pouvant aller jusqu’à l’inflammation susceptible de détruire le moteur.
Actuellement, une solution de déconnexion mécanique de la machine de l’arbre de la génératrice est privilégiée, afin qu’elle cesse de tourner et donc de générer une force électromotrice.
L’invention a pour but de proposer une alternative aux solutions existantes, capable de cumuler des avantages de rapidité, efficacité et fiabilité pour sa mise en œuvre.
Au vu de ce qui précède, l’invention a pour objet une génératrice électrique de moteur hybride d’aéronef qui a des aimants permanents adaptés pour pouvoir fournir une force électromotrice, la machine comportant des éléments de surchauffe adaptés pour faire pouvoir monter la température des aimants permanents pour les démagnétiser, lesdits éléments de surchauffe comportant un contrôleur configuré pour pouvoir détecter un court-circuit de la génératrice électrique et pour pouvoir déclencher les moyens de surchauffe.
De préférence les éléments de surchauffe comportent un tapis chauffant, qui est par exemple de type résistif ou de type chimique.
L’invention a également pour objet un procédé pour l’arrêt d’une génératrice électrique à aimants permanents d’une machine telle que définie ci-dessus, le procédé comportant les étapes suivantes :
- la détection d’un court-circuit dans ladite génératrice électrique à aimants permanents,
- la détection d’une élévation d’une température de la génératrice électrique au-delà d’un seuil prédéfini,
- le déclenchement d’une surchauffe, par lequel le contrôleur déclenche les moyens de surchauffe.
Dans un mode de réalisation, la génératrice électrique est montée selon un axe longitudinal sur une frette dans un carter, et lors du déclenchement d’une surchauffe, le contrôleur déclenche l’alimentation en puissance électrique des éléments de surchauffe sur les aimants jusqu’à les démagnétiser et jusqu’à endommager la frette.
Par exemple, on procède en outre à un échauffement par friction par lequel on échauffe les aimants permanents en lâchant une pièce mécanique sur le rotor de la génératrice électrique.
Avantageusement, lors du déclenchement d’une surchauffe, on fait monter les aimants permanents en température grâce aux moyens de surchauffe, jusqu’à ce que lesdits aimants permanents dépassent leur température de Curie au-delà de laquelle ils perdent leurs propriétés ferromagnétiques de manière irréversible.
Le procédé peut prévoir en outre que la machine comporte des moyens de refroidissement de la génératrice électrique, et que l’on procède à une inhibition de ces moyens de refroidissement.
De préférence, lors du déclenchement d’une surchauffe, on utilise une source électrique complémentaire adaptée pour chauffer la génératrice.
L'invention concerne également un procédé dans lequel on utilise une génératrice ayant un premier et un deuxième stator qui partagent un rotor commun, et quand une panne est détectée dans l’alimentation électrique du premier rotor, on commande l’alimentation électrique du deuxième rotor à sa puissance maximale au-delà de ses conditions normales d’utilisation de manière à générer une surchauffe des aimants permanents de la génératrice lors du déclenchement d’une surchauffe.
L'invention sera mieux comprise à l'étude détaillée du mode de réalisation pris à titre d'exemple non limitatif et illustré par les dessins annexés, sur lesquels :
représente génératrice à aimants permanents selon l’invention, en vue latérale.
représente la génératrice de la en vue en coupe.
représente le procédé d’arrêt de la génératrice des Figures 1 et 2 selon un premier mode.
représente le procédé d’arrêt de la génératrice des Figures 1 et 2 selon un deuxième mode.
 Description détaillée
Les Figures 1 et 2 illustrent la génératrice 1 de l’invention.
La génératrice électrique est par exemple comprise dans un moteur hybride d’aéronef.
La génératrice électrique 1 comporte un rotor 2 monté selon un axe longitudinal X sur une frette de maintien 3 dans un carter 4 servant de stator pour ladite génératrice 1.
Elle possède des aimants permanents 5 adaptés pour fournir une force électromotrice en fonction de leur vitesse en rotation.
La génératrice 1 comporte en outre des éléments de surchauffe adaptés pour monter la température des aimants permanents 5.
La surchauffe permet de démagnétiser les aimants permanents 5.
Les éléments de surchauffe peuvent comporter un tapis chauffant 6 en contact avec les aimants permanents 5.
Le tapis chauffant 6 est connecté à un contrôleur 8 qui le commande.
Par exemple, le tapis chauffant 6 est de type résistif, c’est-à-dire qu’il chauffe par effet Joule en fonction de la puissance électrique qui l’alimente, notamment à l’aide de résistances, par exemple sous la forme d’un maillage de résistances.
Alternativement, le tapis chauffant 6 est de type chimique, c’est-à-dire qu’il comporte des composants chimiques pouvant former une réaction chimique exothermique apte à chauffer les aimants permanents 5, et dont le déclenchement de la réaction est piloté par le contrôleur 8.
Le contrôleur 8 est configuré pour pouvoir détecter un court-circuit de la génératrice 1 et pour pouvoir déclencher les moyens de surchauffe en fonction d’une demande de déclenchement qu’il reçoit d’un système externe, par exemple par un moyen de commande
Le moyen de commande est par exemple choisi parmi : un calculateur moteur de type « FADEC » (pour l’anglicisme « Full Authority Digital Engine Control ») pour le contrôle moteur, un calculateur de gestion et distribution de la puissance électrique, ou encore de l’électronique de puissance associée à la génératrice.
Ces calculateurs peuvent être reliés à la génératrice soit par une liaison analogique (un courant de commande par exemple), soit par une liaison numérique (un bus de communication par exemple).
La décrit un procédé selon un premier mode pour l’arrêt d’une génératrice électrique 1 à aimants permanents 5 telle que définie ci-dessus.
Le procédé comporte une étape de détection E1 d’un court-circuit dans ladite génératrice 1.
L’étape E1 consiste à détecter un court-circuit via des mesures électriques en sortie de la génératrice 1, permettant par exemple de détecter des courants en écart avec les valeurs attendues à un point de fonctionnement donné.
Le procédé comporte une étape de détection E2 d’une élévation d’une température de la génératrice 1 au-delà d’un seuil prédéfini.
Ainsi, l’étape E2 consiste à détecter la conséquence sur la génératrice 1 du court-circuit détecté lors de l’étape E1.
En cas d’élévation de température au niveau de la génératrice 1 au-delà du seuil prédéfini, le risque d’incendie est élevé, et il faut la démagnétiser pour qu’elle cesse toute fourniture de force électromotrice et donc tout effet de surchauffe induit par le défaut.
L’étape E2 peut être faite grâce à des capteurs de température placés au cœur ou à proximité de bobinages de la génératrice 1.
Pour être sûr de détecter le défaut, il faut placer un ensemble de plusieurs capteurs de température positionnés de manière à pouvoir détecter tout défaut.
En cas de panne détectée en étape E2, et/ou de court-circuit détecté lors de l’étape E1 suivi d’une élévation de température au-delà du seuil prédéfini détectée lors de l’étape E2, le procédé se poursuit par le déclenchement d’une surchauffe E3, par lequel le contrôleur 8 déclenche les moyens de surchauffe.
Lors du déclenchement d’une surchauffe E3, le contrôleur 8 déclenche l’alimentation en puissance électrique des éléments de surchauffe des aimants 5 jusqu’à démagnétiser les aimants et jusqu’à endommager la frette.
On fait par exemple monter les aimants 5 en température grâce aux moyens de surchauffe, jusqu’à ce que lesdits aimants 5 dépassent leur température de Curie au-delà de laquelle ils perdent leurs propriétés ferromagnétiques de manière irréversible.
La destruction du caractère ferromagnétique des aimants permet d’annihiler leur capacité à engendrer une force électromotrice sur l’arbre de la génératrice 1, donc contribue à l’arrêt de la génératrice 1.
L’augmentation en température est aussi utilisée autrement que pour démagnétiser les aimants 5 car elle permet l’endommagement de la frette 3, généralement réalisée en matériau composite.
En effet, la température de Curie des aimants est assez élevée, alors que celle de tenue mécanique de la frette 5 tenant les aimants 5 qui est en composite est beaucoup plus basse.
Ainsi le premier effet de l’augmentation de la température sera d’endommager la frette 5 qui n’assurera alors plus son rôle de maintien des aimants 5.
L’endommagement de la frette 5 a pour but que celle-ci ne soit plus capable de maintenir les aimants 5 sur le rotor, en conséquence de quoi les aimants 5 ne seront plus maintenus sur le rotor et ne tourneront plus.
La libération des aimants 5 dans le carter 4 a pour effet de les faire s’éloigner de l’arbre de la génératrice 1, car ces derniers vont se détacher et se plaquer sur le carter 4, ce qui les empêche de générer de la force électromotrice sur l’arbre de la génératrice 1.Ainsi, les aimants ne sont plus liés mécaniquement à l’arbre de la génératrice 1 et donc ne tournent plus.
Cette solution est principalement applicable dans le cas des génératrices à rotor interne pour que le carter 4 retienne les aimants lâchés par la frette 3.
La génératrice 1 peut comporter des moyens de refroidissement de son rotor 1.
Dans ce cas, le procédé peut comporter une étape supplémentaire consistant en une inhibition E4 de ces moyens de refroidissement.
Comme illustré par la , dans un premier mode de mise en œuvre les étapes E1 et E2 ainsi que les étapes E3 et E4 sont des étapes alternatives l’une de l’autre ou complémentaires, effectuées par exemple simultanément.
Il est ainsi possible de ne faire que l’étape E4, par exemple dans le cas particulier d’un environnement particulièrement chaud.
Ainsi, dans le procédé, la détection de court-circuit peut être faite par l’étape E1, ou l’étape E2, ou une combinaison des deux étapes ; et la surchauffe peut être réalisée par l’étape E3, l’étape E4, l’étape E5, ou une combinaison de plusieurs de ces étapes.
Ces moyens de refroidissement fonctionnent en général grâce à de l’huile en circulation jusqu’à une source froide couplée à un échangeur, par exemple de type air/huile.
Il est possible dans certaines génératrices de fermer l’alimentation en huile pour supprimer le refroidissement par cette source froide.
Il est possible aussi de garder le débit d’huile, mais de by-passer l’échangeur de telle sorte que l’huile qui arrivera à la génératrice 1 sera chaude.
Il est possible dans certaines génératrices de court-circuiter l’alimentation en huile, si la machine 1 comporte un circuit d’huile dédié avec une pompe dédiée pour le refroidissement de la génératrice, ce qui permet d’arrêter totalement le débit d’huile.
L’étape E4 conduit ainsi à une élévation accrue ou plus rapide de la température de la génératrice 1.
Le procédé peut prévoir en outre que l’on procède en outre à un échauffement par friction E5 par lequel on échauffe les aimants 5 en lâchant une pièce mécanique sur le rotor de la génératrice 1.
Cela aura non seulement pour effet de stopper la génération de force électromotrice car les aimants 5 se dissocient et ne tournent plus, mais aussi de générer un couple suffisant pour casser une section fusible prévue à cet effet sur l’arbre de la génératrice 1.
En effet, il est systématiquement prévu une section fusible sur l’arbre de la génératrice 1 afin qu’elle se casse en cas de surcouple qui pourrait être causé par exemple par une casse rotor ou une panne du palier 3.Cette pièce doit notamment frotter sur l’arbre de la génératrice 1, ce qui aura pour effet d’échauffer les aimants 5 par friction et d’augmenter le couple sur l’arbre de la génératrice 1, ce qui peut conduire à une rupture souhaitée de la section fusible pour la déconnexion mécanique de la génératrice puis son arrêt.
Lors du déclenchement d’une surchauffe en étape E3 et/ou en étape E4 et/ou en étape E5, on peut en outre utiliser une source électrique complémentaire adaptée pour chauffer la génératrice 1.
Ce chauffage complémentaire peut être fait en plaçant des tapis chauffants autour de la génératrice 1, la chaleur dégagée contribuant à l’échauffement des aimants de la génératrice 1 donc l’arrêt de ce dernier.
Le procédé peut aussi être mis en œuvre avec plusieurs génératrices, car il est courant d’utiliser une génératrice duplex pour des questions de sureté ou de disponibilité.
Dans ce cas, on utilise la génératrice ayant deux stators indépendants et un rotor commun, ces deux stators indépendants partageant un même rotor et ayant chacun une alimentation électrique distincte.
Ainsi, quand une panne est détectée dans l’alimentation électrique du premier stator, on commande l’alimentation électrique du deuxième stator à sa puissance maximale, au-delà de sa puissance normale de fonctionnement, de manière à générer une surchauffe des aimants permanents de la deuxième génératrice lors du déclenchement d’une surchauffe E3.
Lors de cette étape E3, on injecte alors des courants de fort niveau au-delà des courants nominaux de fonctionnement dans des bobinages de la génératrice.
Un convertisseur électronique conçu pour fournir ces courants doit être associé à chaque stator de la génératrice pour fournir les deux alimentations électriques distinctes des deux stators.
La source de puissance électrique de cette étape E3 pour la génératrice duplex peut également être le réseau de puissance électrique moteur.
Ainsi le procédé de l’invention permet l’augmentation en température des éléments de surchauffe, l’endommagement de la frette 3 et la destruction de celle-ci de manière à libérer les aimants 5, l’augmentation en température étant utilisée pour démagnétiser les aimants 5 et donc les détacher.
Parmi les moyens d’échauffement, l’échauffement par friction de l’étape E5 en lâchant une pièce mécanique sur le rotor de la génératrice 1 permet, en plus de l’échauffement d’augmenter le couple sur l’arbre de la génératrice 1 ce qui peut conduire à une rupture souhaitée de la section fusible.

Claims (11)

  1. Génératrice électrique de moteur hybride d’aéronef (1) comportant un rotor (2) et des aimants permanents (5) adaptés pour pouvoir fournir une force électromotrice, caractérisé en ce qu’elle comporte des éléments de surchauffe adaptés pour monter la température des aimants permanents (5) pour les démagnétiser, lesdits éléments de surchauffe comportant un contrôleur (8) configuré pour pouvoir déclencher les moyens de surchauffe.
  2. Génératrice (1) selon la revendication 1, dans laquelle les éléments de surchauffe comportent un tapis chauffant (6) en contact avec les aimants permanents (5).
  3. Génératrice (1) selon la revendication 2, dans laquelle le tapis chauffant (6) est de type résistif ou de type chimique.
  4. Procédé d’arrêt d’une génératrice électrique à aimants permanents (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, comportant les étapes suivantes :
    - la détection (E1) d’un court-circuit dans ladite génératrice électrique à aimants permanents (1),
    - et/ou la détection (E2) d’une élévation d’une température de la génératrice électrique (1) au-delà d’un seuil prédéfini,
    - le déclenchement d’une surchauffe (E3), par lequel le contrôleur (8) déclenche les moyens de surchauffe.
  5. Procédé selon la revendication 4, dans lequel la génératrice électrique (1) est montée selon un axe longitudinal (X) sur une frette (3) dans un carter (4), et lors du déclenchement d’une surchauffe (E3), le contrôleur (8) déclenche l’alimentation en puissance électrique des moyens de surchauffe (5) jusqu’à les démagnétiser et jusqu’à endommager la frette (3).
  6. Procédé selon la revendication précédente 5, dans lequel lors du déclenchement d’une surchauffe (E3), on fait monter les aimants permanents (5) en température grâce aux moyens de surchauffe, jusqu’à ce que lesdits aimants permanents (5) dépassent leur température de Curie au-delà de laquelle ils perdent leurs propriétés ferromagnétiques de manière irréversible.
  7. Procédé selon l’une quelconque des revendications 4 à 6, dans lequel la génératrice (1) comporte des moyens de refroidissement du rotor (2) de la génératrice électrique (1), et on procède à une inhibition (E4) de ces moyens de refroidissement.
  8. Procédé selon l’une quelconque des revendications 4 à 7, dans lequel on procède en outre à un échauffement par friction (E5) par lequel on échauffe les aimants permanents (5) en lâchant une pièce mécanique sur le rotor (2) de la génératrice électrique (1).
  9. Procédé selon l’une quelconque des revendications 4 à 8, dans lequel lors du déclenchement d’une surchauffe (E3), on utilise une source électrique complémentaire adaptée pour chauffer la machine (1).
  10. Procédé selon l’une quelconque des revendications 4 à 9, dans lequel on utilise une génératrice selon l’une quelconque des revendications précédentes 1 à 3, ladite génératrice ayant un premier et un deuxième stator qui partagent un rotor commun, et quand une panne est détectée dans l’alimentation électrique du premier rotor, on commande l’alimentation électrique du deuxième rotor à sa puissance maximale au-delà de ses conditions normales d’utilisation de manière à générer une surchauffe des aimants permanents de la génératrice lors du déclenchement d’une surchauffe (E3).
  11. Aéronef comportant une génératrice selon l’une quelconque des revendications 1 à 3.
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