FR3132602A1

FR3132602A1 - Dispositif de déconnexion et de freinage d’un rotor d’une machine électrique

Info

Publication number: FR3132602A1
Application number: FR2200987A
Authority: FR
Inventors: Didier Brun; Huguette de Wergifosse; Gilles ELUARD
Original assignee: Safran Aircraft Engines SAS; Safran Landing Systems SAS
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS; Safran Landing Systems SAS
Priority date: 2022-02-04
Filing date: 2022-02-04
Publication date: 2023-08-11
Anticipated expiration: 2042-02-04
Also published as: US20230250857A1; FR3132602B1

Abstract

Ce dispositif de déconnexion et de freinage d’un rotor d’une machine électrique comprend un axe interne (17) entraîné en rotation par le rotor (3) et déplaçable longitudinalement entre une position d’engagement et une position de déconnexion, le dispositif (7) de déconnexion et de freinage comprenant en outre un écrou (33) fixe longitudinalement et un moyen de freinage (39) de la rotation de l’écrou (33) de sorte que le freinage de la rotation de l’écrou (33) entraîne l’axe interne (17) dans sa position de déconnexion et freine la rotation du rotor (3). Figure pour l’abrégé : Fig 1

Description

Dispositif de déconnexion et de freinage d’un rotor d’une machine électrique

La présente invention concerne les machines électriques. En particulier, la présente invention concerne la déconnexion et l’arrêt de la rotation du rotor d’une machine électrique à aimants permanents.

De manière générale, l’invention s’applique à tous les types de machines électriques nécessitant une déconnexion de la chaîne cinématique et l’arrêt de la rotation de leur rotor.

Techniques antérieures

Un aéronef, par exemple un avion, nécessite de réaliser des déplacements au sol en dehors des phases de décollage et d’atterrissage. Il s’agit par exemple de déplacement de type taxiage, en marche avant ou arrière.

Historiquement, les déplacements au sol, et notamment la marche arrière, utilisent la poussée des moteurs principaux de l’aéronef et/ou un tracteur sur piste venant tirer ou pousser l’aéronef.

Des nouveaux systèmes comprenant des actionneurs électromécaniques au niveau des atterrisseurs sont désormais installés de sorte que l’aéronef peut se déplacer de manière autonome sur le sol. A la vue de la puissance requise pour mettre en mouvement un aéronef, les actionneurs électromécaniques comprennent une machine électrique à aimant permanent.

Cependant, en cas de court-circuit sur ce type de machine électrique, par exemple sur les câbles d’alimentation, l’arc électrique généré reste entretenu jusqu’à l’arrêt de la rotation du rotor de la machine électrique. Ladite machine électrique étant de forte puissance, cet arc électrique peut détériorer les câbles et la structure de l’atterrisseur.

En cas de défaillance telle qu’un court-circuit détecté par un système de surveillance dédié et approprié, il est nécessaire de mettre fin à l’arc électrique, par ouverture du circuit électrique au plus près de la machine électrique et/ou par l’arrêt de la rotation du rotor de la machine électrique.

Certains dispositifs de l’état de l’art permettent d’insérer un organe externe dans la chaîne cinématique reliée au rotor et de sectionner ainsi un élément sécable de ladite chaîne cinématique afin d’isoler le rotor et d’éviter sa rotation avec l’inertie de l’aéronef. Cependant, cette solution ne garantit pas le blocage de la rotation du rotor de la machine électrique si celui-ci reste en rotation sur son inertie après la section de l’élément sécable. De plus, l’actionneur nécessite une intervention humaine ainsi qu’un remplacement de pièce mécanique pour rétablir la chaîne cinématique dans son fonctionnement.

D’autres dispositifs non destructifs existent mais ne permettent que de désolidariser le rotor sans stopper sa rotation qui perdure selon l’inertie du rotor.

La présente invention a donc pour but de pallier les inconvénients précités et de fournir un dispositif permettant la déconnexion du rotor et l’arrêt de la rotation du rotor et ce de manière non destructive afin d’être testable et pour pouvoir être remis en service sans intervention humaine extérieure ni remplacement de composant mécanique.

La présente invention a pour objet un dispositif de déconnexion et de freinage d’un rotor d’une machine électrique, le dispositif comprenant un arbre externe comprenant un premier système d’accouplement situé à une extrémité de l’arbre externe, et un axe interne comprenant un deuxième système d’accouplement situé à une première extrémité de l’axe interne et un filetage à une seconde extrémité de l’axe interne, l’axe interne étant entraîné en rotation par le rotor et déplaçable longitudinalement entre une position d’engagement dans laquelle le deuxième système d’accouplement est accouplé avec le premier système d’accouplement et une position de déconnexion dans laquelle le deuxième système d’accouplement n’est pas accouplé avec le premier système d’accouplement, le dispositif de déconnexion et de freinage comprenant en outre un écrou fixe longitudinalement autour de la seconde extrémité et taraudé de manière à coopérer avec le filetage de la seconde extrémité de l’axe interne, et un moyen de freinage de la rotation de l’écrou de sorte que le freinage de la rotation de l’écrou entraîne l’axe interne dans sa position de déconnexion et freine la rotation du rotor.

Ainsi, le moyen de freinage de la rotation de l’écrou permet, en une seule action de freinage et de manière réversible et non destructrice, de déconnecter la machine électrique de l’arbre externe relié au reste de la chaîne cinématique, ainsi que de stopper la rotation du rotor afin d’éviter l’entretien d’un arc électrique dans le cas d’un court-circuit.

De plus, le dispositif est symétrique autour de l’axe de rotation du rotor, ne générant ainsi pas de perturbations liées à des masses parasites.

Avantageusement, le dispositif de déconnexion et de freinage comprend un moyen de verrouillage de l’axe interne en position de déconnexion.

Dans un mode de réalisation, le moyen de verrouillage de l’axe interne en position de déconnexion comprend un système de butées mécanique pour un verrouillage automatique et un solénoïde de commande de déverrouillage.

Avantageusement, le dispositif de déconnexion et de freinage comprend un moyen d’application d’une force longitudinale pour le maintien de l’axe interne en position d’engagement.

Dans un mode particulier de réalisation, le moyen d’application d’une force longitudinale pour le maintien de l’axe interne en position d’engagement comprend un ressort positionné au contact avec le deuxième système d’accouplement d’une part et avec le rotor d’autre part.

Dans un mode de réalisation, le filetage de la seconde extrémité de l’axe interne comprend un chemin de roulement et des billes de manière à réaliser une vis à billes.

Avantageusement, le moyen de freinage de la rotation de l’écrou comprend un frein multidisques comprenant un ensemble de disques reliés à l’écrou et un ensemble de disques reliés à un carter de la machine électrique.

Selon un mode de réalisation, le moyen de freinage de la rotation de l’écrou comprend un solénoïde de pilotage et un élément magnétique, de sorte que le passage d’un courant dans le solénoïde de pilotage génère un effort longitudinal sur l’élément magnétique de manière à appliquer un effort de presse sur le frein multidisque.

En outre, le moyen de freinage de la rotation de l’écrou peut comprendre avantageusement un système de rampe à bille pour l’amplification de l’effort de presse.

La présente invention a également pour objet un aéronef comprenant un dispositif tel que défini précédemment.

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 :

est une vue en coupe d’une machine électrique comprenant un rotor et un dispositif de déconnexion et de freinage du rotor selon l’invention dans une position d’engagement ;

est une vue en coupe de la machine électrique illustrée sur la dans une position intermédiaire ;

est une vue en coupe de la machine électrique illustrée sur la dans une position de déconnexion ; et

est une vue schématique d’un système de rampe à bille pour l’amplification d’un effort de presse pour le freinage du rotor.

Exposé détaillé d’au moins un mode de réalisation

On a représenté schématiquement sur la une vue en coupe d’une machine électrique 1 comprenant un rotor 3, un stator 5 et un dispositif 7 de déconnexion et de freinage du rotor 3. En particulier, le stator 5 peut être relié à un carter 9 de la machine électrique 1, le carter correspondant à un référentiel fixe dans ce qui suit. La machine électrique 1 est par exemple une machine électrique à aimants permanents pour la mise en rotation des roues d’un aéronef lors de déplacements au sol hors décollage et atterrissage. Ces déplacements comprennent par exemple le taxiage de l’aéronef.

Le dispositif 7 de déconnexion et de freinage comprend un arbre externe 11 comprenant un premier système d’accouplement 13 situé à une extrémité 15 de l’arbre externe 11. En particulier, l’arbre externe 11 est par exemple relié à son autre extrémité (non représentée) à la boîte de transmission joignant les roues de l’aéronef.

Le dispositif 7 de déconnexion et de freinage comprend également un axe interne 17 comprenant un deuxième système d’accouplement 19 situé à une première extrémité 21 de l’axe interne 17. L’axe interne 17 est par exemple aligné sur l’axe longitudinal 23 de la machine électrique 1, autrement dit sur l’axe de rotation du rotor 3 de la machine électrique 1.

L’axe interne 17 comprend une liaison glissière 25 avec le rotor 3, la liaison glissière 25 comprenant des rainures longitudinales le long de sa surface de l’axe interne 17 de sorte que l’axe interne 17 peut être entraîné en rotation par le rotor 3 tout en étant déplaçable longitudinalement entre une position d’engagement illustrée sur la dans laquelle le deuxième système d’accouplement 19 est accouplé avec le premier système d’accouplement 13 et une position de déconnexion illustrée sur la dans laquelle le deuxième système d’accouplement 19 n’est pas accouplé avec le premier système d’accouplement 13. Une position intermédiaire est illustrée sur la .

Le premier et le deuxième systèmes d’accouplements 13 et 19 comprennent par exemple chacun des dents 27 composant une denture, ou un crabot, frontale. Les dents 27 du premier et du deuxième systèmes d’accouplements 13 et 19 sont destinés à être positionnées les unes entre les autres dans la position d’engagement de manière à solidariser l’axe interne 17 avec l’arbre externe 11. Ainsi, l’axe interne 17 en rotation transmet sa rotation à l’arbre externe 11 en position d’engagement et ne transmet aucune rotation en position de déconnexion.

L’axe interne 17 comprend en outre un filetage 29 positionné sur la seconde extrémité 31 de l’axe interne 17.

Le dispositif 7 de déconnexion et de freinage comprend également un écrou 33 fixe longitudinalement et engagé autour du filetage 29. L’écrou 33 est pour cela taraudé de manière à coopérer avec ledit filetage 29. De manière à maintenir l’écrou 33 fixe longitudinalement et à permettre sa rotation, le dispositif 7 de déconnexion et de freinage comprend des roulements 34, par exemple à billes ou à rouleau, sur lesquels est monté l’écrou 33 afin de le bloquer longitudinalement. Il s’agit par exemple de roulements à rouleaux coniques.

Dans le mode de réalisation de la , le filetage 29 de la seconde extrémité 31 de l’axe interne 17 comprend un chemin de roulement 35 sous forme de rainure et des billes 37 pouvant circuler dans le chemin de roulement 35 de manière à réaliser une vis à billes. L’écrou 33 taraudé comprend également un chemin de roulement destiné à accueillir les billes. Ce type de liaison vis à billes permet de limiter les frottements et donc de limiter les pertes dues à cette liaison. Le filetage 29 peut cependant également être d’une autre nature, par exemple un filetage conventionnel de type vis-écrou.

Le dispositif 7 de déconnexion et de freinage comprend également un moyen de freinage 39 de la rotation de l’écrou 33. Ainsi, lorsque le moyen de freinage 39 est inactif, autrement dit lorsqu’il ne freine pas la rotation de l’écrou 33, l’écrou 33 est libre en rotation et est entraîné par la rotation de l’axe interne 17, notamment si celui-ci est dans la position d’engagement. A l’inverse, lorsque le moyen de freinage 39 est actif, autrement dit lorsqu’il freine la rotation de l’écrou 33, et que le rotor 3 entraîne l’axe interne 17 en rotation, l’écrou 33 n’est plus libre en rotation et la seconde extrémité 31 de l’axe interne 17 se déplace longitudinalement en raison du filetage 29 oblique et de l’inertie rotative de l’axe interne 17, entraînant l’axe interne 17 dans sa position de déconnexion. L’intérêt de l’usage d’une vis à billes entre l’écrou 33 et l’axe interne 17 est la réduction du couple de reprise de l’effort tangentiel de l’écrou 33 sur l’axe interne 17 lors du blocage de l’écrou 33. En effet, le couple de reprise résulte de l’angle de l’hélice du filetage et surtout du faible coefficient de frottement des billes 37 roulant dans le chemin de roulement 35. De plus, la liaison entre l’écrou 33 et l’axe interne 17 est rendue réversible pour le passage d’une rotation à une translation ou inversement d’une translation à une rotation.

Une fois l’axe interne 17 en position de déconnexion, il est en butée contre l’écrou 33 et ne se déplace plus longitudinalement. Le moyen de freinage 39 de la rotation de l’écrou 33 participe alors au freinage de la rotation résiduelle du rotor 3 par l’intermédiaire de l’axe interne 17. Le freinage s’effectue en un temps de l’ordre de quelques dixièmes de secondes, de préférence en un temps de l’ordre d’un dixième de seconde.

Le moyen de freinage 39 est par exemple activé après la détection d’un défaut, par exemple un court-circuit dans les câbles de la machine électrique 1 ou plus largement dans le harnais de puissance, détecté par un système détecteur dédié.

Le moyen de freinage 39 de la rotation de l’écrou 33 comprend par exemple un frein multidisques 41 comprenant un premier ensemble de disques 43 reliés à l’écrou 33, par exemple par des cannelures internes (non représentées), et un deuxième ensemble de disques 45 reliés au carter 9 de la machine électrique 1, par exemple par des cannelures externes (non représentées). Le premier ensemble de disques 43 tourne donc avec l’écrou 33 tandis que le deuxième ensemble de disques 45 est fixe. Le frein multidisques 41 permet de dissiper une importante quantité d’énergie dans un volume réduit, ce qui est le cas à proximité de la machine électrique 1, le dispositif étant par exemple embarqué sur un aéronef.

De manière à piloter l’activation et la désactivation du moyen de freinage 39, le moyen de freinage 39 de la rotation de l’écrou 33 comprend un solénoïde de pilotage 47 et un élément magnétique 49. L’élément magnétique 49 est un élément appliquant un effort de presse sur le frein multidisque 41 lorsque le moyen de freinage 39 est activé. En particulier, si un courant est introduit dans le solénoïde de pilotage 47, autrement dit lorsque le moyen de freinage 39 est activé, le solénoïde de pilotage 47 génère à son tour un champ magnétique 50 longitudinal qui met en mouvement l’élément magnétique 49 de manière à appliquer l’effort de presse. Les ensembles de disques 43 et 45 ainsi comprimés, le freinage commence.

Dans le mode de réalisation illustré aux figures 1 à 3, le dispositif 7 de déconnexion et de freinage comprend en outre un moyen de verrouillage 51 de l’axe interne 17 en position de déconnexion.

Le moyen de verrouillage 51 comprend par exemple un solénoïde de commande de déverrouillage 53 et un système de butées mécanique comprenant par exemple une première butée 55 positionnée sur l’axe interne et une seconde butée 57 positionnée radialement au même niveau que la première butée 55. La seconde butée 57 est par exemple fixée à l’extrémité d’un ressort 58 lui-même fixé au carter 9 de sorte que la seconde butée 57 est mobile radialement. Les première et seconde butées sont par exemple annulaires. Chaque butée 55 et 57 est configurée pour que le contact entre les deux butées 55 et 57 n’arrête pas le mouvement longitudinal de l’axe interne 17 lorsque ce dernier passe de la position d’engagement à la position de déconnexion. En particulier, la seconde butée 57 peut se déplacer radialement pour laisser la première butée 55 passer longitudinalement avec le mouvement de l’axe interne 17. Chaque butée 55 et 57 est cependant configurée pour que le contact entre les deux butées 55 et 57 arrête le mouvement longitudinal de l’axe interne 17 lorsque ce dernier est en position de déconnexion. L’axe interne 17 ne peut donc pas repasser en position d’engagement.

Ainsi, lorsque l’axe interne 17 passe de la position d’engagement à la position de déconnexion, le moyen de verrouillage 51 se verrouille automatiquement et mécaniquement grâce à l’action l’une contre l’autre de la première et de la seconde butée 55 et 57 sans apport d’énergie extérieure hormis le mouvement de l’axe interne 17.

De plus, le moyen de verrouillage 51 peut être désactivé à l’aide du solénoïde de commande de déverrouillage 53, qui est par exemple une bobine dans laquelle un courant peut être introduit de manière à générer un champ magnétique et à agir, par exemple sur le ressort 58 sur lequel est fixée la seconde butée 57, pour déplacer et/ou relever la seconde butée 57 de manière à ne plus verrouiller l’axe interne 17 en position de déconnexion.

Le dispositif 7 de déconnexion et de freinage comprend en outre un moyen 59 d’application d’une force longitudinale pour le maintien de l’axe interne 17 en position d’engagement. Ce moyen 59 comprend par exemple un ressort positionné au contact avec le deuxième système d’accouplement 19 d’une part et avec le rotor 3 d’autre part.

Dans un exemple d’utilisation du dispositif 7, et en mode de fonctionnement nominal, par exemple illustré sur la , l’axe interne 17 est accouplé avec l’arbre externe 11. L’écrou 33 est alors libre en rotation. En particulier, l’écrou 33 tourne avec l’axe interne 17 dont la rotation est initiée par le rotor 3 et/ou par l’inertie des roues de l’aéronef se retrouvant dans l’arbre externe 11. L’écrou 33 ne génère aucun effort hormis un léger couple de traînée dû aux frottements dans les roulements à billes 34 et dans le frein multidisques 41.

En cas de détection d’un court-circuit, la rotation de l’écrou 33 est bloquée par l’activation du moyen de freinage 39 de la rotation de l’écrou 33 de sorte que l’axe interne 17, entraîné en rotation par le rotor 3 et/ou par l’inertie de l’arbre externe 11, est soumis à un déplacement longitudinal du fait de la présence du filetage 29 oblique. L’axe interne s’éloigne de l’arbre externe 11, comme représenté sur la .

Après le désengagement des dents 27 visible sur la , l’axe interne 17 continue son déplacement longitudinal sous l’inertie de la rotation du rotor 3 jusqu’à la position de déconnexion visible sur la , avant d’être verrouillé par le moyen de verrouillage 51 en position de déconnexion afin d’empêcher le réengagement intempestif non commandé de l’axe interne 17. Le moyen de freinage 39 freine alors la rotation résiduelle du rotor 3 de la machine électrique 1.

Pour que le dispositif 7 fonctionne correctement, après le désengagement des dents 27, l’énergie cinétique résiduelle du rotor 3 de la machine électrique 1 doit être suffisante et le couple de freinage dû à la liaison du filetage 29 limité pour continuer à entretenir la rotation de l’axe interne 17 jusqu’à sa position de déconnexion.

Le moyen de freinage 39 de l’écrou 33 est également dimensionné pour développer un effort équivalent à l’effort de frottement de désengagement de l’accouplement des dents 27, aux cannelures de la liaison glissière 25 avec le rotor 3, à l’effort du moyen d’application 59 d’une force longitudinale pour le maintien de l’axe interne 17 en position d’engagement, ainsi qu’à l’effort de frottement généré par la liaison du filetage 29 elle-même.

Optionnellement, et étant donné le couple nécessaire pour freiner le rotor 3, le moyen de freinage 39 peut comprendre un système de rampe à billes 61 pour l’amplification de l’effort de presse, schématiquement illustré en coupe sur la . Le système de rampe à billes 61 comprend un plateau presseur 63 et une came 64, sensiblement circulaires et agencés coaxialement l'un par rapport à l'autre selon l’axe 23. Les éléments 63 et 64 sont séparés par une ou des billes 65 et comprennent autant de couples de surfaces concaves 67 sur leurs faces mutuellement en regard que de billes 65. Les couples de surfaces concave 67 comprennent chacun une bille 65 entre les surfaces concaves.

Le système de rampe à billes 61 comprend également une armature magnétique 69 et un frein de commande 71 ainsi qu’une butée 73 à billes.

Le système de rampe à billes 61 coopère avec un électroaimant, ou utilise par exemple le solénoïde de pilotage 47, qui, lorsqu’il est alimenté, provoque le déplacement axial de l’armature magnétique 69 générant ainsi un effort de presse sur le frein de commande 71, ce qui provoque la mise en rotation de la came 64 tandis que le plateau presseur 63 est fixe en rotation. Le déplacement angulaire relatif entre les deux plateau et came provoque alors un effort axial de presse démultiplié sur le frein multidisques 41 pour piloter le freinage de l’écrou 33.

Claims

Dispositif (7) de déconnexion et de freinage d’un rotor (3) d’une machine électrique (1), caractérisé en ce qu’il comprend un arbre externe (11) comprenant un premier système d’accouplement (13) situé à une extrémité (15) de l’arbre externe (11), et un axe interne (17) comprenant un deuxième système d’accouplement (19) situé à une première extrémité (21) de l’axe interne (17) et un filetage (29) à une seconde extrémité (31) de l’axe interne (17), l’axe interne (17) étant entraîné en rotation par le rotor (3) et déplaçable longitudinalement entre une position d’engagement dans laquelle le deuxième système d’accouplement (19) est accouplé avec le premier système d’accouplement (13) et une position de déconnexion dans laquelle le deuxième système d’accouplement (19) n’est pas accouplé avec le premier système d’accouplement (13), le dispositif (7) de déconnexion et de freinage comprenant en outre un écrou (33) fixe longitudinalement autour de la seconde extrémité (31) et taraudé de manière à coopérer avec le filetage (29) de la seconde extrémité (31) de l’axe interne (17), et un moyen de freinage (39) de la rotation de l’écrou (33) de sorte que le freinage de la rotation de l’écrou (33) entraîne l’axe interne (17) dans sa position de déconnexion et freine la rotation du rotor (3).
Dispositif selon la revendication 1, comprenant en outre un moyen de verrouillage (51) de l’axe interne (17) en position de déconnexion.
Dispositif selon la revendication 2, dans lequel le moyen de verrouillage (51) de l’axe interne (17) en position de déconnexion comprend un système de butées mécanique (55 ; 57) pour un verrouillage automatique et un solénoïde de commande de déverrouillage (53).
Dispositif selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, comprenant un moyen (59) d’application d’une force longitudinale pour le maintien de l’axe interne (17) en position d’engagement.
Dispositif selon la revendication 4, dans lequel le moyen (59) d’application d’une force longitudinale pour le maintien de l’axe interne (17) en position d’engagement comprend un ressort positionné au contact avec le deuxième système d’accouplement (19) d’une part et avec le rotor (3) d’autre part.
Dispositif selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel le filetage (29) de la seconde extrémité de l’axe interne (17) comprend un chemin de roulement (35) et des billes (37) de manière à réaliser une vis à billes.
Dispositif selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel le moyen de freinage (39) de la rotation de l’écrou (33) comprend un frein multidisques (41) comprenant un premier ensemble de disques (43) reliés à l’écrou (33) et un deuxième ensemble de disques (45) reliés à un carter (9) de la machine électrique (1).
Dispositif selon la revendication 7, dans lequel le moyen de freinage (39) de la rotation de l’écrou (33) comprend un solénoïde de pilotage (47) et un élément magnétique (49), de sorte que le passage d’un courant dans le solénoïde de pilotage (47) génère un effort longitudinal sur l’élément magnétique (49) de manière à appliquer un effort de presse sur le frein multidisque (41).
Dispositif selon la revendication 8, dans lequel le moyen de freinage (39) de la rotation de l’écrou (33) comprend un système de rampe à bille pour l’amplification de l’effort de presse.
Aéronef caractérisé en ce qu’il comprend un dispositif (7) selon l’une quelconque des revendications 1 à 9.