FR3141299A1 - Machine électrique comportant un dispositif de correction d’un mouvement de précession, turbomachine d’aéronef et procédé associés - Google Patents

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precession
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electric machine
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Inventor
Romain TRUCO
Frédéric MONTIN
Pierre-Alain Jean Philippe REIGNER
Alexandre Jean-Marie Tan-Kim
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Safran Aircraft Engines SAS
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Abstract

Une machine électrique (1), en particulier pour une turbomachine d’aéronef (T), comprenant un stator (2) comprenant au moins trois canaux de puissance (C1-C4) et un rotor (3) configuré pour interagir magnétiquement avec les canaux de puissance (C1-C4), un dispositif de contrôle (4) configuré pour déterminer un paramètre de contrôle pour chaque canal de puissance (C1-C4) en fonction d’une commande de contrôle (Com), et un dispositif de correction (5) configuré pour corriger un mouvement de précession du rotor (3) par rapport au stator (2), le dispositif de correction (5) étant configuré pour déterminer la commande de contrôle (Com) du dispositif de contrôle (4) à partir d’une commande de consigne (Com_cons) et d’un niveau de précession (NP), la commande de contrôle (Com) étant configurée pour générer un effort magnétique global (FG) s’opposant au mouvement de précession (P+) du rotor (3) de manière à l’amortir. Figure de l’abrégé : Figure 4

Description

Machine électrique comportant un dispositif de correction d’un mouvement de précession, turbomachine d’aéronef et procédé associés
La présente invention concerne le domaine des machines électriques, en particulier, embarquées dans une turbomachine d’un aéronef. L’invention est particulièrement avantageuse pour une machine électrique entrainée en rotation par un arbre de propulsion d’une turbomachine d’aéronef pour générer de l’énergie électrique. L’invention s’applique également à une machine électrique utilisée en fonctionnement moteur.
Le changement climatique est une préoccupation majeure pour de nombreux organes législatifs et de régulation à travers le monde. En effet, diverses restrictions sur les émissions de carbone ont été, sont ou seront adoptées par divers états. En particulier, une norme ambitieuse s’applique à la fois aux nouveaux types d’avions mais aussi ceux en circulation nécessitant de devoir mettre en œuvre des solutions technologiques afin de les rendre conformes aux réglementations en vigueur. L’aviation civile se mobilise depuis maintenant plusieurs années pour apporter une contribution à la lutte contre le changement climatique.
Les efforts de recherche technologique ont déjà permis d’améliorer de manière très significative les performances environnementales des avions. La Déposante prend en considération les facteurs impactant dans toutes les phases de conception et de développement pour obtenir des composants et des produits aéronautiques moins énergivores, plus respectueux de l’environnement et dont l’intégration et l’utilisation dans l’aviation civile ont des conséquences environnementales modérées dans un but d’amélioration de l'efficacité énergétique des avions.
Par voie de conséquence, la Déposante travaille en permanence à la réduction de son incidence climatique négative par l’emploi de méthodes et l’exploitation de procédés de développement et de fabrication vertueux et minimisant les émissions de gaz à effet de serre au minimum possible pour réduire de l'empreinte environnementale de son activité.
Ces travaux de recherche et de développement soutenus portent à la fois sur les nouvelles générations de moteurs d’aéronefs et le développement des technologies électriques pour assurer la propulsion.
Il est connu dans l’art antérieur de monter une machine électrique sur un arbre de propulsion d’une turbomachine d’aéronef, par exemple, un arbre de soufflante. La machine électrique est notamment configurée pour fonctionner selon un mode générateur afin de prélever de la puissance mécanique sur l’arbre de propulsion de manière à générer de la puissance électrique. La machine électrique est également configurée pour fonctionner selon un mode moteur afin de fournir de la puissance mécanique à l’arbre de propulsion en prélevant de la puissance électrique, par exemple, dans une batterie électrique.
En référence à la , il est représenté de manière schématique une machine électrique 101 comportant un stator 102 monté fixe dans une turbomachine et un rotor 103 solidaire d’un arbre de propulsion de propulsion de la turbomachine. Le rotor 103 est monté rotatif par rapport au stator 102. Dans cet exemple, le rotor 103 tourne dans le sens horaire R+ par rapport à un axe de machine électrique X. De manière connue, le stator 102 comprend des canaux de puissance C1-C4, répartis à la périphérie du stator 102, qui interagissent magnétiquement avec le rotor 103. De manière préférée, comme canal de puissance C1-C4 se présente sous la forme d’une étoile statorique.
De manière théorique, lors de la génération de puissance électrique, chaque canal de puissance C1-C4 génère un effort magnétique résistif F1-F4 sur le rotor 103 qui s’oppose à la rotation du rotor 103.
En théorie, le rotor 103 demeure parfaitement aligné sur l’axe de machine électrique X. En pratique, un arbre de propulsion d’une turbomachine subit des vibrations au cours de sa rotation autour de l’axe de machine électrique X qui induisent un mouvement de précession sur le rotor 103. Un tel mouvement de précession peut conduire à des pertes de performances voire à une usure prématurée de la turbomachine. En référence à la , il est représenté un mouvement de précession du rotor 103 entre des instants temporels t1, t2, t3. Dans cet exemple, le mouvement de précession P+ est dans le sens horaire mais il va de soi qu’il pourrait également être dans le sens anti-horaire.
Pour réduire le mouvement de précession, il est connu dans l’art antérieur de prévoir un film d’amortissement, connu de l’homme du métier sous la désignation de « Squeeze Film Damper » ou SFD. Un film d’amortissement, positionné entre le rotor 103 et le stator 102, permet d’amortir les vibrations de manière passive, en particulier, au niveau d’un palier de la turbomachine. Ainsi, le film d’amortissement exerce un effort d’amortissement qui dépend principalement des paramètres suivants : l’excentrement du rotor 103, la vitesse de rotation du rotor 103, les caractéristiques du film d’amortissement (viscosité, etc.) et les conditions aux limites (alimentation, étanchéité, etc.). Dans les faits, le film d’amortissement est dimensionné de manière à amortir le plus efficacement possible un mode vibratoire prédéterminé du rotor 103. Il est ainsi peu efficace sur les autres modes vibratoires présents dans la plage de fonctionnement de la machine électrique 101, ce qui présente un inconvénient.
L’invention vise à éliminer au moins certains de ces inconvénients.
 PRESENTATION DE L’INVENTION
L’invention concerne une machine électrique, en particulier pour une turbomachine d’aéronef, comprenant :
  • Un stator comprenant au moins trois canaux de puissance et un rotor configuré pour interagir magnétiquement avec les canaux de puissance,
  • La machine électrique étant configurée, d’une part, pour fonctionner selon un mode générateur afin de prélever de la puissance mécanique sur le rotor pour générer de la puissance électrique et pour fonctionner, d’autre part, selon un mode moteur afin de consommer de la puissance électrique pour générer de la puissance mécanique et entrainer le rotor,
  • Un dispositif de contrôle configuré pour déterminer un paramètre de contrôle pour chaque canal de puissance en fonction d’une commande de contrôle, chaque paramètre de contrôle définissant les courants circulant dans un canal de puissance, chaque canal de puissance générant un effort magnétique sur le rotor qui est fonction de son paramètre de contrôle, l’ensemble des efforts magnétiques appliqués par les canaux de puissance sur le rotor définissant un effort magnétique global, et
  • Un dispositif de correction configuré pour corriger un mouvement de précession du rotor par rapport au stator, le dispositif de correction étant configuré pour :
    • déterminer un niveau de précession du rotor par rapport au stator,
    • déterminer la commande de contrôle du dispositif de contrôle à partir d’une commande de consigne et du niveau de précession, la commande de contrôle étant configurée pour générer un effort magnétique global s’opposant au mouvement de précession du rotor de manière à l’amortir.
Grâce à l’invention, le dispositif de correction permet de modifier la commande de contrôle des canaux de puissance, utilisés pour générer un couple mécanique ou générer de la puissance électrique, afin de corriger un mouvement de précession du rotor. Il n’est ainsi pas nécessaire d’utiliser des moyens supplémentaires pour agir sur le rotor, ce qui réduit la masse et l’encombrement. Par ailleurs, un tel dispositif de correction permet un amortissement dynamique pouvant répondre à diverses vibrations. Son champ d’application est ainsi plus large qu’un film d’amortissement performant uniquement pour quelques modes vibratoires. De manière avantageuse, l’intensité d’amortissement peut être réglée de manière précise.
Enfin, la machine électrique permet de réaliser un amortissement tout en continuant à réaliser sa fonction première de génération d’un couple mécanique ou de génération de puissance électrique, ce qui est très avantageux.
De préférence, le dispositif de correction est configuré, lors d’un fonctionnement en mode générateur, pour déterminer une commande de contrôle consistant à injecter ou moduler un courant dans uniquement un canal de puissance à un instant donné, les autres canaux de puissance étant configurés pour collecter des courants à l’instant donné.
Ainsi, en l’absence de courant circulant dans le canal de puissance, un courant est injecté dans le canal de puissance pour réaliser un amortissement. En présence d’un courant circulant dans le canal de puissance, le courant circulant dans le canal de puissance est modulé pour réaliser un amortissement, par exemple, ponctuellement augmenté.
Un tel dispositif de correction permet de réaliser un amortissement tout en continuant à réaliser sa fonction première de génération de puissance électrique. La commande d’un seul canal de puissance est modifiée, ce qui ne réduit que faiblement le rendement.
De manière préférée, le dispositif de correction est configuré pour déterminer une commande de contrôle consistant à injecter ou moduler successivement un courant dans plusieurs canaux de puissance de manière à générer un effort magnétique global tournant s’opposant au mouvement de précession au cours du temps.
Un effort magnétique global tournant permet de s’opposer de manière efficace à un mouvement de précession tout en maximisant le rendement de la machine électrique.
De préférence, le dispositif de correction est configuré pour déterminer une commande de contrôle consistant à injecter ou moduler un courant selon une avance de phase par rapport au mouvement de précession du rotor. Une correction en avance de phase permet d’appliquer un effort magnétique global qui s’oppose de manière directe au mouvement de précession, l’amortissement étant optimal.
De préférence encore, le dispositif de correction est configuré, lors d’un fonctionnement en mode moteur, pour déterminer une commande de contrôle consistant à collecter ou moduler un courant dans uniquement un canal de puissance à un instant donné, les autres canaux de puissance étant configurés pour injecter des courants à l’instant donné. De manière générale, le fonctionnement moteur se déduit du fonctionnement générateur. En présence d’un courant circulant dans le canal de puissance, le courant circulant dans le canal de puissance est modulé pour réaliser un amortissement, par exemple, ponctuellement baissé.
Selon un aspect de l’invention, le stator comprend au moins une paire de canaux de puissance diamétralement opposés. Cela permet d’appliquer un effort magnétique selon un axe orthogonal à l’axe d’alignement des canaux de puissance d’une paire. La direction de l’effort magnétique global est ainsi déterminé de manière rigoureuse.
De préférence, le stator comprend au moins quatre canaux de puissance écartés angulairement de 90°. Cela permet de régler l’effort magnétique de manière précise afin de positionner le rotor par rapport au stator. L’amortissement est ainsi performant.
L’invention concerne également une turbomachine d’aéronef comprenant au moins un arbre de propulsion et une machine électrique telle que présentée précédemment dont le rotor est relié solidairement à l’arbre de propulsion. Une intégration dans une turbomachine d’aéronef est pertinente étant donné qu’un arbre de propulsion est soumis à de nombreux modes vibratoires. Une telle machine électrique permet d’assurer une génération de couple mécanique/génération électrique tout en amortissant les vibrations.
De préférence, l’arbre de propulsion est solidaire d’une soufflante comportant une pluralité d’aubes de soufflante. La soufflante est montée dans un carter de soufflante. Un montage d’une machine électrique sur un arbre de soufflante est avantageux car un mouvement de précession augmente l’usure et présente une gêne pour les passagers de l’aéronef.
De manière préférée, le rotor est monté aux extrémités libres des aubes de soufflante, le stator étant monté sur le carter de soufflante. Une telle intégration permet de corriger un mouvement de précession qui est important au niveau des extrémités libres des aubes de soufflante compte tenu des efforts de flexion appliqués à l’arbre de soufflante qui amplifient le mouvement de précession. Cela permet en outre d’utiliser plusieurs canaux de puissance pour réaliser un amortissement progressif.
L’invention concerne un procédé de surveillance d’une machine électrique telle que présentée précédemment, une commande de consigne étant définie, le procédé comprenant des étapes consistant à :
  • déterminer un niveau de précession du rotor par rapport au stator,
  • déterminer la commande de contrôle du dispositif de contrôle à partir d’une commande de consigne et du niveau de précession, la commande de contrôle générant un effort magnétique global s’opposant au mouvement de précession du rotor de manière à l’amortir.
De manière préférée, l’étape consistant à déterminer le niveau de précession du rotor n’est mise en œuvre que lorsque les vibrations mesurées sur l’arbre de propulsion dépassent un seuil prédéterminé. Cela permet de maximiser l’utilisation de la machine électrique sur sa fonction primaire (générateur ou moteur).
De manière préférée, le procédé de surveillance comporte des étapes consistant à :
  • Enregistrer les efforts magnétiques globaux générés au cours du temps et
  • estimer un état d’usure de la turbomachine à partir des efforts magnétique globaux enregistrés au cours du temps.
De manière avantageuse, en suivant l’évolution des efforts magnétiques globaux appliqué, on estime le besoin en correction et, par conséquent, un état d’usure de la turbomachine. Si l’effort magnétique global appliqué devient trop élevé, une étape de maintenance de la turbomachine doit être réalisée.
 PRESENTATION DES FIGURES
L’invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre d’exemple, et se référant aux figures suivantes, données à titre d’exemples non limitatifs, dans lesquelles des références identiques sont données à des objets semblables.
La est une représentation schématique d’une machine électrique et des efforts magnétiques appliqués au rotor.
La est une représentation schématique d’un mouvement de précession d’un rotor d’une machine électrique.
La est une représentation schématique d’une turbomachine d’aéronef équipée d’une machine électrique.
La est une représentation schématique d’une machine électrique selon une forme de réalisation de l’invention.
La est une représentation d’une pluralité de modules de contrôle d’un dispositif de contrôle pour contrôler chaque canal de puissance.
La est une représentation schématique d’un premier module de contrôle du dispositif de contrôle recevant des ordres de commutation d’un premier organe de commutation.
La est une représentation schématique de la déterminations d’ordres de commutation par le premier organe de commutation.
La est une représentation schématique de la machine électrique de la et des efforts magnétiques appliqués au rotor en l’absence d’un mouvement de précession.
La est une représentation schématique de la machine électrique de la et des efforts magnétiques appliqués au rotor ayant un mouvement de précession à un premier instant.
La est une représentation schématique de la machine électrique de la et des efforts magnétiques appliqués au rotor ayant un mouvement de précession à un deuxième instant.
La est une représentation schématique des étapes d’un procédé de surveillance d’une machine électrique.
La est une autre représentation schématique de la machine électrique de la et des efforts magnétiques appliqués au rotor ayant un mouvement de précession à un premier instant.
La est une représentation schématique d’une turbomachine comportant une machine électrique montée à la périphérie d’une soufflante.
Il faut noter que les figures exposent l’invention de manière détaillée pour mettre en œuvre l’invention, lesdites figures pouvant bien entendu servir à mieux définir l’invention le cas échéant.
 DESCRIPTION DETAILLEE DE L’INVENTION
L’invention va être présentée pour une machine électrique pour une turbomachine d’aéronef. Une telle application est particulièrement avantageuse étant donné qu’une turbomachine d’aéronef est soumise à des vibrations. Néanmoins, l’invention s’applique à toute machine électrique en particulier dans le domaine industriel.
Dans cet exemple, en référence à la , il est représenté une turbomachine d’aéronef T comportant au moins un arbre de propulsion A sur lequel est monté une machine électrique 1. De manière préférée, l’arbre de propulsion A est un arbre de soufflante F, en particulier, un arbre basse pression d’une turbomachine T à double corps comportant un arbre basse pression A et un arbre haute pression 103.
Dans cet exemple, il est également représenté de manière schématique à la un compresseur basse pression 101, un compresseur haute pression 102, une turbine haute pression 104 et une turbine basse pression 105. L’arbre de propulsion basse pression A relie le compresseur basse pression 101 à la turbine basse pression 105. L’arbre haute pression 103 relie le compresseur haute pression 102 à la turbine haute pression 104.
Un tel arbre de propulsion A est susceptible de subir des vibrations au cours de son fonctionnement qui peuvent perturber la rotation de la soufflante F.
En référence à la , la machine électrique 1 comprend un stator 2 monté fixe dans la turbomachine T et un rotor 3 monté solidairement à l’arbre de propulsion A, le rotor 3 étant monté rotatif par rapport au stator 2 selon un axe de machine électrique X. Dans cet exemple, l’axe de machine électrique X se confond avec l’axe de l’arbre de propulsion A. Il va de soi que cela pourrait être différent.
En référence à la , le stator 2 comprend quatre canaux de puissance C1-C4. Le stator 2 pourraient comprendre un nombre différent de canaux de puissance, de préférence, un nombre supérieur à 3. Chaque canal de puissance C1-C4 se présente de manière préférée sous la forme d’un bobinage afin de faire circuler un courant qui est injecté par un dispositif de contrôle 4 (présenté par la suite) ou collecter un courant qui est généré par induction magnétique. L’utilisation de plusieurs canaux de puissance C1-C4 permet d’augmenter la redondance et limiter le risque de panne critique. Dans cet exemple, en référence à la , chaque canal de puissance C1-C4 se présente sous la forme d’une étoile statorique indépendante générant des courants alternatifs triphasés en fonctionnement générateur et recevant des courants alternatifs triphasés en fonctionnement moteur.
Dans cette forme de réalisation, le stator 2 comprend quatre canaux de puissance C1-C4 écartés angulairement de 90°. La présence de paires de canaux de puissance C1-C3, C2-C4 diamétralement opposés est avantageuse comme cela sera présenté par la suite afin d’exercer un effort magnétique contrôlé sur le rotor 3.
Le rotor 3 comporte une pluralité d’éléments magnétiques, en particulier des aimants, afin d’interagir magnétiquement avec les canaux de puissance C1-C4 du stator 2, en particulier, de manière inductive.
La machine électrique 1 est configurée, d’une part, pour fonctionner selon un mode générateur afin de prélever de la puissance mécanique sur le rotor 3 (et donc sur la soufflante F) pour générer de la puissance électrique. La machine électrique 1 est configurée, d’autre part, pour fonctionner selon un mode moteur afin de consommer de la puissance électrique pour générer de la puissance mécanique et entrainer le rotor 3 et donc la soufflante F.
De manière générale, en référence à la , la machine électrique 1 comporte un dispositif de contrôle 4 configuré pour collecter, pour injecter ou moduler un courant dans chaque canal de puissance C1-C4 selon une commande de contrôle Com. En particulier, comme présenté précédemment, le dispositif de contrôle 4 permet de définir des courants triphasés pour chaque canal de puissance C1-C4.
Par la suite, on désigne « paramètre de contrôle P1-P4 » les courants triphasés commandés par le dispositif de contrôle 4 à chaque canal de puissance C1-C4. Ainsi, chaque canal de puissance C1-C4 peut être commandé de manière individuelle en fonction de son paramètre de contrôle P1-P4.
Le dispositif de contrôle 4 est relié à un réseau électrique de l’aéronef, en particulier, à une unité de distribution électrique 6 se présentant sous la forme d’un bus de distribution ayant une tension de distribution VDC ( ). L’unité de distribution électrique 6 est reliée à des charges électriques à alimenter et/ou à des sources électriques (batteries, etc.).
Selon l’invention, la machine électrique 1 comporte en outre un dispositif de correction 5 configuré pour corriger un mouvement de précession du rotor 3 par rapport au stator 2 en modifiant la commande de contrôle Com reçue par le dispositif de contrôle 4. Les différentes composantes de l’invention vont être dorénavant présentées.
Dans cet exemple, en référence à la , le dispositif de contrôle 4 comporte plusieurs modules de contrôle 4-1, 4-2, 4-3, 4-4 et une pluralité d’organes de commutation 40-1, 40-2, 40-3, 40-4 configurés pour contrôler respectivement les canaux de puissance C1-C4 à partir d’une pluralité de commandes élémentaires Com1, Com2, Com3, Com4 issues de la commande de contrôle Com. Dans cet exemple, la commande de contrôle Com se présente ainsi sous la forme d’un vecteur.
De manière préférée, chaque module de contrôle 4-1, 4-2, 4-3, 4-4 se présente sous la forme d’un convertisseur AC/DC, en particulier un onduleur, qui relie un canal de puissance C1-C4 à l’unité de distribution électrique 6. En référence à la , chaque module de contrôle 4-1, 4-2, 4-3, 4-4 comporte une pluralité d’interrupteurs, en particulier des transistors, qui sont configurés pour recevoir des ordres de commutation Q1-Q6 de manière à modifier les courants triphasés Ia, Ib, Ic fournis à un canal de puissance C1-C4.
Chaque module de contrôle 4-1, 4-2, 4-3, 4-4 est associé à un organe de commutation 40-1, 40-2, 40-3, 40-4 configuré pour convertir une commande de contrôle élémentaire Com1, Com2, Com3, Com4 en ordres de commutation Q1-Q6.
Un organe de commutation 40-1, 40-2, 40-3, 40-4 détermine les ordres de commutation Q1-Q6 par génération de signaux de modulation de largeur d’impulsion (MLI) par comparaison d’une tension de référence Vref, correspondant à une commande de contrôle élémentaire Com1, Com2, Com3, Com4, avec une tension triangulaire de référence Vtri comme illustré à la .
Comme illustré à la , chaque module de contrôle 4-1, 4-2, 4-3, 4-4 du dispositif de contrôle 4 détermine, pour son canal de puissance C1-C4, un paramètre de contrôle P1-P4. Ainsi, chaque canal de puissance C1-C4 peut être commandé de manière individuelle. Contrairement à l’art antérieur selon lequel tous les canaux de puissance C1-C4 sont utilisés soit pour injecter du courant, soit pour collecter du courant, le dispositif de contrôle 4 permet une utilisation hybride dans laquelle certains canaux de puissance C1-C4 sont utilisés pour injecter du courant tandis que d’autre sont utilisés pour collecter du courant (modulation du courant dans les canaux de puissance).
Dans cet exemple, en référence à la , le dispositif de contrôle 4 est relié électriquement à une unité de distribution électrique 6 afin de pouvoir injecter du courant en mode moteur et alimenter l’unité de distribution électrique 6 en mode générateur.
Comme illustré à la , chaque canal de puissance C1-C4 génère un effort magnétique F1-F4 sur le rotor 3 qui est fonction de son paramètre de contrôle P1-P4 défini dans la commande de contrôle Com. A titre d’exemple, en mode générateur, l’effort magnétique F1-F4 est un effort résistif qui s’oppose à la rotation du rotor 3. A l’inverse, en mode moteur, l’effort magnétique F1-F4 est un effort qui accompagne la rotation du rotor 3. De manière avantageuse, l’effort magnétique F1-F4 dépend des paramètres de contrôle P1-P4 de la commande de contrôle Com. Ainsi, chaque effort magnétique F1-F4 peut être paramétré de manière précise et dynamique en mettant à jour la commande de contrôle Com comme cela sera présenté par la suite.
L’ensemble des efforts magnétiques F1-F4 appliqués par les canaux de puissance C1-C4 sur le rotor 3 définissent un effort magnétique global FG appliqué au rotor 3. De manière classique, comme illustré à la , les efforts magnétiques se compensent les uns les autres de manière à ce que l’effort magnétique global FG soit sensiblement nul. Selon l’invention, en l’absence de mouvement de précession, l’effort magnétique global FG est sensiblement nul.
En référence à la , la machine électrique 1 comporte un dispositif de correction 5 permettant de corriger le mouvement de précession en appliquant un effort global FG qui est fonction de la commande de contrôle Com. En adaptant de manière dynamique la commande de contrôle Com, on corrige de manière dynamique le mouvement de précession du rotor 3.
Selon l’invention, toujours en référence à la , la machine électrique 1 comporte un dispositif de correction 5 configuré pour corriger un mouvement de précession du rotor 3 par rapport au stator 2. Le dispositif de correction 5 est configuré pour déterminer un niveau de précession NP du rotor 3 par rapport au stator 2. Par niveau de précession NP, on entend notamment un sens de précession et une intensité de précession, par exemple, une distance d’écartement du rotor 3 par rapport à l’axe de machine électrique X (excentrement). De préférence, le niveau de précession NP comporte la position courante du rotor 3 dans son mouvement de précession P+, c’est-à-dire, la position de précession. Cela permet avantageusement de corriger de manière dynamique un mouvement de précession P+ en fonction de la position de précession. De manière préférée, le dispositif de correction 5 comporte au moins un capteur 51 pour mesurer l’excentrement (appelé également orbitage) et le sens de rotation. De manière préférée, le dispositif de correction 5 comporte au moins deux capteurs de mesure de déplacement 51 qui sont déphasés l’un par rapport à l’autre pour mesurer précisément l’excentrement et le sens de rotation. Un déphasage de 90° est par exemple adapté.
Le dispositif de correction 5 est configuré pour déterminer une commande de contrôle Com à partir d’une commande de consigne Com_cons et du niveau de précession NP. La commande de contrôle Com est configurée pour générer un effort magnétique global FG s’opposant au mouvement de précession du rotor 3 de manière à l’amortir.
Autrement dit, le dispositif de correction 5 permet d’adapter la commande de consigne Com_cons de manière à permettre de réaliser partiellement la consigne tout en corrigeant le mouvement de précession du rotor 3 de manière à l’amortir. La commande de contrôle Com permet de réaliser une modulation de la commande de consigne Com_cons pour obtenir un amortissement tout en permettant à la machine électrique 1 de réaliser sa fonction primaire.
Un exemple de mise en œuvre d’un procédé de surveillance d’une machine électrique 1 va être présenté en référence aux figures 8 à 11.
Dans cet exemple la machine électrique 1 fonctionne en mode générateur et son rotor 3 tourne dans le sens horaire R+. Le dispositif de contrôle 4 reçoit une commande de consigne Com_cons qui est fournie par un calculateur (non représenté) de la turbomachine T. Cette commande de consigne Com_cons commande à chaque canal de puissance C1-C4 de collecter des courants (fonctionnement en mode générateur).
En l’absence de mouvement de précession, la commande de contrôle Com est égale à la commande de consigne Com_cons. En référence à la , chaque canal de puissance C1-C4 génère un effort magnétique résistif F1-F4 sur le rotor 3 qui est fonction de son paramètre de contrôle P1-P4. Dans cet exemple, les efforts magnétiques résistifs F1-F4 sont de même valeur. Il en résulte une force globale magnétique FG qui est sensiblement nulle. Ainsi, le rotor 3 n’est pas déplacé magnétiquement.
Au cours du fonctionnement de la turbomachine T, le dispositif de correction 5 réalise une étape consistant déterminer E1 le niveau de précession NP du rotor 3, en particulier, en surveillant l’excentrement du rotor 3 et le sens de précession via les capteurs 51. Dans cet exemple, en référence aux figures 9 et 10, du fait des vibrations de l’arbre de soufflante A, le rotor 3 a un mouvement de précession. Dans cet exemple, le niveau de précession NP correspond à une précession dans le sens horaire (précession directe P+) avec un degré de précession qui correspond à l’écartement du rotor 3 par rapport à l’axe de machine électrique X (excentrement). De manière préférée, l’étape consistant déterminer E1 le niveau de précession NP du rotor 3 n’est mise en œuvre que lorsque les vibrations mesurées sur l’arbre de propulsion A dépassent un seuil prédéterminé. Cela permet d’éviter de surveiller le niveau de précession NP de manière continue.
En référence à la , si le niveau de précession NP dépasse un seuil prédéterminé S1, le dispositif de correction 5 réalise une étape E2 consistant à déterminer une commande de contrôle Com à partir de la commande de consigne Com_cons et du niveau de précession déterminé NP. Dans le cas présent, le dispositif de correction 5 détermine une commande de contrôle Com pour générer un effort magnétique global FG s’opposant au mouvement de précession du rotor 3 de manière à l’amortir. En particulier, il est appliqué un effort magnétique global FG qui s’oppose à une précession dans le sens horaire avec une amplitude qui est fonction de l’excentrement.
La commande de contrôle Com peut être déterminée de plusieurs manières afin de créer un déséquilibre des forces magnétiques et générer un effort magnétique global FG non nul.
De manière préférée, le dispositif de correction 5 est configuré, lors d’un fonctionnement en mode générateur, pour injecter un courant de correction dans uniquement un canal de puissance C3 à un instant donné t, les autres canaux de puissance C1, C2, C4 étant configurés pour collecter des courants à l’instant donné t. Les canaux de puissance C1-C4 sont utilisés de manière hybride.
A titre d’exemple, en référence à la , à un premier instant t1, le rotor 3 est décalé par rapport à l’axe de machine électrique X et est situé à 12h, c’est-à-dire à proximité du canal de puissance C1. Comme le rotor 3 suit un mouvement de précession horaire P+, il va se déplacer à un deuxième instant t2 à 3h vers le canal de puissance C2. Autrement dit, le rotor 3 va se déplacer vers la droite en référence à la .
Dans cet exemple, toujours en référence à la , le dispositif de correction 5 a reçu une commande de consigne Com_cons imposant un fonctionnement en générateur dans laquelle chaque paramètre de contrôle P1-P4 d’un canal de puissance C1-C4 correspond à une collection de courant.
Pour tenir compte du niveau de précession NP, le dispositif de correction 5 détermine une commande de contrôle Com dans laquelle le paramètre de contrôle P3 est modifié pour commander une injection de courant sur le canal de puissance C3. Il en résulte que le canal de puissance C3 applique un effort magnétique F3 qui accompagne la rotation du rotor 3 (sens opposé à la consigne), c’est-à-dire, dans le même sens que l’effort magnétique F1 appliqué par le canal de puissance C1. Les efforts magnétiques F2, F4 se compensent tandis que les efforts magnétiques F1, F3 s’additionnent pour générer un effort magnétique global FG qui tend à déplacer le rotor 3 vers la gauche, c’est-à-dire, de manière opposée au mouvement de précession P+. Il en résulte que le mouvement de précession P+ du rotor 3 est amorti entre les instants t1 et t2. Les canaux de puissance C1, C2, C4 continuent à collecter du courant.
De manière avantageuse, un nouvel effort magnétique global FG est déterminé à chaque passage du rotor 3 devant un canal de puissance C1-C3. A cet effet, en référence à la , au deuxième instant t2, le rotor 3 est décalé par rapport à l’axe de machine électrique X et est situé à 3h, c’est-à-dire à proximité du canal de puissance C2. Comme le rotor 3 suit un mouvement de précession horaire, il va se déplacer au troisième instant t3 à 6h vers le canal de puissance C3. Autrement dit, le rotor 3 va se déplacer vers le bas.
Comme déjà présenté précédemment, le dispositif de correction 5 a reçu une commande de consigne Com_cons imposant un fonctionnement en générateur dans laquelle chaque paramètre de contrôle P1-P4 d’un canal de puissance C1-C4 correspond à une collection de courant.
Pour tenir compte du niveau de précession NP, le dispositif de correction 5 détermine une commande de contrôle Com dans laquelle le paramètre de contrôle P4 est modifié pour commander une injection de courant sur le canal de puissance C4. Il en résulte que le canal de puissance C4 applique un effort magnétique F4 qui accompagne la rotation du rotor 3, c’est-à-dire, dans le même sens que l’effort magnétique F2 appliqué par le canal de puissance C2. Les efforts magnétiques F1, F3 se compensent tandis que les efforts magnétiques F2, F4 s’additionnent pour générer un effort magnétique global FG qui tend à déplacer le rotor 3 vers le haut, c’est-à-dire, de manière opposée au mouvement de précession P+. Les canaux de puissance C1, C2, C3 continuent à collecter du courant.
A chaque fois que le rotor 3 s’approche d’un canal de puissance C1-C4, on peut compenser peu à peu le mouvement de précession P+ tout en continuant à collecter du courant conformément à la commande de consigne Com_cons.
De manière préférée, le dispositif de correction 5 est configuré pour faire circuler un courant de correction successivement dans plusieurs canaux de puissance C1-C4 de manière à générer un effort magnétique global FG s’opposant au mouvement de précession au cours du temps. De manière préférée, les injections de courant sont réalisées successivement en suivant le mouvement de précession P+, c’est-à-dire, selon le sens horaire. L’effort magnétique global FG est ainsi tournant pour compenser de manière optimale le mouvement de précession.
De manière préférée, le dispositif de correction 5 est configuré pour faire circuler un courant de correction avec une avance de phase par rapport au mouvement de précession du rotor 3 de manière à modifier la trajectoire et réaliser un amortissement. De manière préférée, l’avance de phase est déterminée par retour d’expérience ou apprentissage. Selon une mise en œuvre particulière, l’avance de phase correspond à l’écartement angulaire entre deux canaux de puissance C1-C4 consécutifs.
Il va de soi qu’un effort magnétique global FG pourrait également être obtenu par réglage des paramètres de contrôle P1-P4 comme illustré à la , par exemple, en augmentant la collection du premier canal de puissance C1 de manière à augmenter l’effort magnétique résistif F1 afin d’obtenir un effort magnétique global FG équivalent à celui présenté à la (modulation du courant de consigne).
Une organisation par paire de canaux de puissance C1-C4 diamétralement opposés permet de faciliter la détermination d’un effort magnétique global FG. Lorsqu’un unique canal de puissance est utilisé, les autres peuvent continuer à réaliser leur fonction de collection/injection. Il va de soi que plusieurs paramètres de contrôle pourraient être modifiés afin de générer l’effort magnétique global FG désiré.
Le niveau de précession NG est de préférence surveillé de manière courante afin d’adapter de manière dynamique la commande de contrôle Com et l’effort magnétique global FG qui en résulte. De préférence, dès que le niveau de précession NG est inférieur à un seuil prédéterminé, la correction est stoppée et la commande de consigne Com_cons n’est plus modifiée. De manière préférée, une boucle de régulation est mise en œuvre pour permettre d’adapter la correction.
De manière préférée, les commandes de contrôle Com sont enregistrées ainsi que les régimes de rotation associés de l’arbre de propulsion A. Cela permet de déterminer, à un régime donné, si l’effort magnétique global FG est conforme par rapport aux corrections passées. De manière avantageuse, on peut déterminer un dysfonctionnement de la machine électrique si l’effort magnétique global FG est plus élevé qu’anticipé. De manière avantageuse, on peut estimer un état d’usure de la turbomachine T en connaissant l’effort magnétique global FG, ce qui permet de réaliser des opérations de maintenance prédictive.
Il a été présenté une machine électrique 1 fonctionnant en mode générateur. Il va néanmoins de soi que l’invention s’applique de manière similaire à une machine électrique fonctionnant en mode moteur. A cet effet, un canal de puissance peut collecter du courant pendant que les autres injectent du courant.
En référence à la , il est présenté une intégration d’une machine électrique au niveau des extrémités libres des aubes d’une soufflante F d’une turbomachine T comportant un carter de soufflante 9. Dans cet exemple, le rotor 3 est positionné au niveau des extrémités libres des aubes de la soufflante F tandis que le stator 2 est monté sur le carter de soufflante 9. Une telle machine électrique 1 permet de collecter de l’énergie électrique mais également d’entrainer en rotation la soufflante F. Le positionnement de la machine électrique 1 permet de corriger tout mouvement d’orbitage de la soufflante F, ce qui améliore le confort des passagers dans l’aéronef. L’usure de la turbomachine est par ailleurs réduite. Dans cet exemple, le capteur 51 du dispositif de correction 5 est monté sur le carter de soufflante 9. Une telle intégration de la machine électrique 1 permet d’utiliser un grand nombre de canaux de puissance à la périphérie du carter de soufflante 9 et ainsi permettre un amortissement progressif.
Grâce à l’invention, un mouvement de précession d’un rotor d’une machine électrique peut être amorti de manière dynamique pour divers types de vibration. De manière avantageuse, l’amortissement peut être réalisé lors du fonctionnement de la machine électrique, ce qui n’affecte que faiblement son rendement aussi bien lors d’un fonctionnement moteur que lors d’un fonctionnement générateur.

Claims (11)

  1. Machine électrique (1), en particulier pour une turbomachine d’aéronef (T), comprenant :
    • Un stator (2) comprenant au moins trois canaux de puissance (C1-C4) et un rotor (3) configuré pour interagir magnétiquement avec les canaux de puissance (C1-C4),
    • La machine électrique (1) étant configurée, d’une part, pour fonctionner selon un mode générateur afin de prélever de la puissance mécanique sur le rotor (3) pour générer de la puissance électrique et pour fonctionner, d’autre part, selon un mode moteur afin de consommer de la puissance électrique pour générer de la puissance mécanique et entrainer le rotor (3),
    • Un dispositif de contrôle (4) configuré pour déterminer un paramètre de contrôle (P1-P4) pour chaque canal de puissance (C1-C4) en fonction d’une commande de contrôle (Com), chaque paramètre de contrôle (P1-P4) définissant les courants circulant dans un canal de puissance (C1-C4), chaque canal de puissance (C1-C4) générant un effort magnétique (F1-F4) sur le rotor (3) qui est fonction de son paramètre de contrôle (P1-P4), l’ensemble des efforts magnétiques (F1-F4) appliqués par les canaux de puissance (C1-C4) sur le rotor (3) définissant un effort magnétique global (FG), et
    • Un dispositif de correction (5) configuré pour corriger un mouvement de précession du rotor (3) par rapport au stator (2), le dispositif de correction (5) étant configuré pour :
      • déterminer (E1) un niveau de précession (NP) du rotor (3) par rapport au stator (2),
      • déterminer (E2) la commande de contrôle (Com) du dispositif de contrôle (4) à partir d’une commande de consigne (Com_cons) et du niveau de précession (NP), la commande de contrôle (Com) étant configurée pour générer un effort magnétique global (FG) s’opposant au mouvement de précession du rotor (3) de manière à l’amortir.
  2. Machine électrique (1) selon la revendication 1, dans lequel le dispositif de correction (5) est configuré, lors d’un fonctionnement en mode générateur, pour déterminer une commande de contrôle (Com) consistant à injecter ou moduler un courant dans uniquement un canal de puissance à un instant donné, les autres canaux de puissance étant configurés pour collecter des courants à l’instant donné.
  3. Machine électrique selon l’une des revendications 1 à 2, dans lequel le dispositif de correction (5) est configuré pour déterminer une commande de contrôle (Com) consistant à injecter ou moduler successivement un courant dans plusieurs canaux de puissance (C1-C4) de manière à générer un effort magnétique global tournant (FG) s’opposant au mouvement de précession (P+) au cours du temps.
  4. Machine électrique selon l’une des revendications 1 à 3, dans lequel le dispositif de correction (5) est configuré pour déterminer une commande de contrôle (Com) consistant à injecter ou moduler un courant selon une avance de phase par rapport au mouvement de précession (P+) du rotor (3).
  5. Machine électrique selon l’une des revendications 1 à 4, dans laquelle le stator (2) comprend au moins une paire de canaux de puissance (C1-C4) diamétralement opposés.
  6. Machine électrique selon l’une des revendications 1 à 5, dans laquelle le stator (2) comprend au moins quatre canaux de puissance (C1-C4) écartés angulairement de 90°.
  7. Turbomachine d’aéronef (T) comprenant au moins un arbre de propulsion (A) et une machine électrique (1) selon l’une des revendications 1 à 6 dont le rotor (3) est relié solidairement à l’arbre de propulsion (A).
  8. Turbomachine d’aéronef (T) selon la revendication 7 dans laquelle, l’arbre de propulsion (A) est solidaire d’une soufflante (F) comportant une pluralité d’aubes de soufflante, la soufflante (F) étant montée dans un carter de soufflante (9).
  9. Turbomachine d’aéronef (T) selon la revendication 8 dans laquelle, le rotor (3) est monté aux extrémités libres des aubes de soufflante, le stator (2) étant monté sur le carter de soufflante (9).
  10. Procédé de surveillance d’une machine électrique (1) selon l’une des revendications 1 à 6, une commande de consigne (Com_cons) étant définie, le procédé comprenant des étapes consistant à :
    • déterminer (E1) un niveau de précession (NP) du rotor (3) par rapport au stator (2),
    • déterminer (E2) la commande de contrôle (Com) du dispositif de contrôle (4) à partir d’une commande de consigne (Com_cons) et du niveau de précession (NP), la commande de contrôle (Com) générant un effort magnétique global (FG) s’opposant au mouvement de précession (P+) du rotor (3) de manière à l’amortir.
  11. Procédé de surveillance selon la revendication 10, comportant des étapes consistant à :
    • Enregistrer les efforts magnétiques globaux (FG) générés au cours du temps et
    • estimer un état d’usure de la turbomachine (T) à partir des efforts magnétique globaux (FG) enregistrés au cours du temps.
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