WO2020115416A1 - Moteur electrique intelligent a multi-bobinages decouples - Google Patents

Moteur electrique intelligent a multi-bobinages decouples Download PDF

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WO2020115416A1
WO2020115416A1 PCT/FR2019/052894 FR2019052894W WO2020115416A1 WO 2020115416 A1 WO2020115416 A1 WO 2020115416A1 FR 2019052894 W FR2019052894 W FR 2019052894W WO 2020115416 A1 WO2020115416 A1 WO 2020115416A1
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stator
stators
rotor
intelligent motor
phase
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PCT/FR2019/052894
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Inventor
Olivier BERRY
José SOLER
Jérémy CUENOT
Sonia DHOKKAR
Original Assignee
Safran Electrical & Power
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Publication date
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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    • H02P29/00—Arrangements for regulating or controlling electric motors, appropriate for both AC and DC motors
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    • Y02T50/00—Aeronautics or air transport
    • Y02T50/60—Efficient propulsion technologies, e.g. for aircraft

Definitions

  • the invention relates to an intelligent electric motor, in particular for an aircraft, and more particularly to the electrical architecture of an intelligent electric motor with decoupled multi-coils with high mechanical integration.
  • Vertical take-off and landing aircraft are increasingly used in particular in the intra-urban and inter-urban transport of goods or people.
  • stator multi-winding motor with an electromechanical converter topology comprising an annular stator facing, in the axial direction, one or two annular rotors, the stator comprising a plurality of coils and the rotor of the permanent magnets.
  • the motor has an electrical architecture comprising two groups of three coils electrically coupled in a star, but whose neutral is common to the two groups.
  • an intelligent motor comprising two groups of three coils electrically coupled in a star, but in which the two star groups are wound at the same time and each time on a single tooth which couples them at least magnetically.
  • the neutrals of the two groups are electrically connected to have an electrical common point and to balance the currents.
  • the invention aims to provide an architectural solution for an intelligent motor without a gearbox making it possible both to improve the specific power of the motor for applications requiring a light, powerful motor comprising its
  • an intelligent motor comprising a synchronous machine with permanent magnets and an electronic control unit, the synchronous machine comprising one or two rotor (s) with permanent magnets and at least one hexaphase stator by rotor provided with at least two three-phase assemblies each formed of three electrically coupled coils in a star, and preferably a first three-phase assembly formed of three first electrically coupled coils in a star and a second three-phase assembly formed three second coils electrically coupled in a star.
  • Said electronic control unit of the synchronous machine comprises a stator control inverter provided with six independent arms each configured to control a phase of a hexaphase stator.
  • the two sets of star coils are magnetically and electrically decoupled from each other.
  • the magnetic and electrical decoupling of the two sets of star coils makes it possible to make the first set of coils independent of the second set of coils.
  • This independence between the two sets of coils in particular offers the intelligent motor a possibility of operating in a degraded mode in which only one of the sets of coils operates with the associated inverter arms following a fault in at least one of the arms. the other set of coils, for example.
  • magnetic and electrical decoupling of the hexaphase stators also makes it possible to make the first stator independent of the second stator.
  • the intelligent motor mentioned above with reference to the prior art and comprising two sets of three coils electrically coupled in a star has in particular a neutral common to the two sets of coils. This configuration does not allow electrical and magnetic insulation between the two star assemblies.
  • the two star assemblies are wound successively and not simultaneously, which takes more time than a simultaneous winding but makes it possible to have magnetic and electrical decoupling.
  • the balancing of the currents is achieved by the way of winding only each set of coils. The winding must therefore be more precise than in the configuration where the two sets of coils are wound simultaneously and the control of the coils must also be more precise.
  • the intelligent motor does not have a gearbox inside its casing, the casing, or casing, housing the synchronous machine and the unit of
  • said at least one stator of the electric machine can be any stator of the electric machine.
  • each coil of the three-phase assemblies being wound around a single tooth of the ring gear.
  • the stator or each stator, can thus comprise a toothed crown, each of the first coils and of the second coils being wound around a single tooth of the toothed crown, which makes it possible to minimize the size of the stator, in particular the size of the coil head.
  • the rotor, or each of the two rotors, can advantageously include magnets arranged in a HalBach configuration ("Halbach array" in English) which makes it possible to increase the mass torque of the intelligent motor.
  • the stator or each stator of said electric machine can be divided into distinct angular ranges, the number of angular ranges of a stator corresponding to the number of three-phase sets of the stator, the angular range extending over an angle corresponding to the result of dividing 360 ° by the number of three-phase stator assemblies.
  • the first coils of the first set are thus arranged on a first angular range of the stator extending over 180 ° mechanical and the second coils of the second set can be arranged on a second angular range of the stator extending over 180 ° mechanical, the first angular range being distinct from the second range.
  • the first set of coils and the second set of coils are therefore located on two separate parts of the perimeter of a circle. This maximizes the magnetic decoupling and facilitate electrical isolation between the two
  • control unit may further comprise a current regulation module in each set of coils independently of the other set of coils, a module for regulating the speed of the rotor.
  • the control unit is configured to operate with or without a mechanical position sensor.
  • the mechanical position sensor gives the angular mechanical position of the rotor on which the sensor is mounted. This allows the control unit to have this position information in order to be able to regulate the currents in the two sets of windings of the hexaphase stator.
  • a position estimation method is implemented by the regulation module of the control unit to ensure the function regulation of the currents in the two windings of the hexaphase stator.
  • the electronic control unit can advantageously further comprise a connection interface connecting a high-voltage DC power bus to each of the six arms of the inverter and comprising a capacitive decoupling stage provided with differential mode capacitors.
  • the intelligent motor can further comprise, for each inverter arm, an electronic power card on which is mounted said electronic control unit, electronic protection elements of the inverter, at least one current measurement means. phase and a means of measuring the voltage of the direct high voltage bus.
  • This configuration cut into a plurality of electronic power cards makes it possible to optimize the volume occupied by the electronic power cards, for example by placing them around the connection interface, which also makes it possible to bring them closer to the cooling device. and to maximize the cooling of the power cards when the cooling device is mounted on the periphery of the intelligent motor.
  • the intelligent motor also comprises flexible links between the connection interface and each of the electronic power cards.
  • the synchronous machine can comprise a plurality of stators and a rotor common to the plurality of stators, each stator being magnetically and electrically independent from each other.
  • the synchronous machine can advantageously comprise at least four stators and a first and a second rotor, the first rotor being common to the stators of a first set of at least two stators, the second rotor being common to the stators of a second set of 'at least two stators, the stators of the first set being distinct from the stators of the second set, and each stator being magnetically and electrically independent of each other.
  • FIG. 1 schematically shows a multi-rotor aircraft provided with a propulsion system according to an embodiment of the invention.
  • FIG. 2 schematically shows a sectional view of an intelligent engine of the propulsion system of Figure 1 according to a first embodiment of the invention.
  • Figure 3 is a schematic representation of the electrical architecture according to a first embodiment of the electric machine of the intelligent motor of Figure 2.
  • FIG. 4 schematically presents an electrical architecture according to a second embodiment of the electric machine of the intelligent motor of FIG. 2.
  • FIG. 5 schematically presents an electrical architecture according to a third embodiment of the electric machine of the intelligent motor of FIG. 2.
  • FIG. 1 is shown schematically a multi-rotor aircraft 7 provided with a propulsion system 9 according to an embodiment of the invention.
  • the propulsion system 9 comprises six rotors 1 to 6 distributed over a circle in a multi-rotor dashed line. Rotors 1 to 6 forming three pairs of rotors, the rotors of the same couple being symmetrically opposite with respect to a center of symmetry 8.
  • the first pair of rotors comprises rotors 1 and 6
  • the second pair of rotors comprises rotors 2 and 5
  • the third pair of rotors comprises rotors 3 and 4.
  • the propulsion system 9 comprises an intelligent motor 10 for each rotor 1 to 6.
  • Figure 2 is shown schematically a sectional view of an intelligent motor 10 according to a first embodiment of the invention.
  • the intelligent motor 10 illustrated in FIG. 2 comprises an electric machine 12 acting as an electromechanical converter and provided with a rotating part defining an axial direction D A and a radial direction DR.
  • Figure 2 is a sectional view along a plane comprising the axial direction D A and the radial direction DR.
  • the intelligent motor 10 further comprises an impeller 14, electrical filtering means 16, an electronic control unit 18, and a housing 20, or casing inside which the electric machine 12, the electronic unit are housed. 18 and the filtering means 16.
  • the impeller 14 is mechanically coupled to the electric machine 12 by a drive shaft 13 which allows the electric machine to drive the impeller 14.
  • the housing 20 has a hollow cylindrical shape, with, in the embodiment illustrated in Figure 2, a circular section.
  • the axis of revolution of the housing 20 coincides with the axis of rotation D A of the electric machine 12 which coincides with the axis of rotation of the transmission shaft 13 and of the impeller 14.
  • the housing 20 comprises in the axial direction D A a first end 201 and a second end 202 opposite the first end 201.
  • the housing 20 is closed at its first end 201 by the impeller 14, and at its second end 202 by a cover 22.
  • the housing 20 comprises a cooling device 24 mounted on an external radial surface 203 of the housing 20.
  • the terms “internal 11 and” external “, and” internal “and “Outside” are used here with reference to the radial direction DR in the intelligent motor 10.
  • the cooling device 24 comprises a set of fins 240 extending radially outward from the external radial surface 203 of the housing 20 and thus forms a radiator allowing a heat exchange between the fins 240 and a flow of air F passing through. the fins 240 of the cooling device 24.
  • the flow of cooling air F is generated and supplied by vanes 140 of the impeller 14 driven by the electric machine 12 and is thus self-maintained.
  • the cooling device 24 further comprises a cylindrical cooling housing 245 disposed around the cooling fins 240.
  • the cooling housing 245 thus defined with the external radial surface 203 of the housing 20, a cooling stream 248 into which the flow of cooling air F is channeled.
  • the intelligent motor may not include impellers and a cooling case in order to reduce the mass of the intelligent motor.
  • the intelligent engine would then be cooled by the air flow generated by the rotor of the aircraft, the rotor conventionally consisting of a propeller mechanically linked directly to the mechanical rotation shaft of the intelligent engine.
  • the intelligent motor 10 comprises a housing 20 comprising a cooling device, a driving part comprising the electric machine 12, the impeller 14 and the transmission shaft 13, and an electronic part separated in the axial direction of the driving part, the electronic part notably comprising the electrical filtering means 16 and the control unit 18.
  • the intelligent motor 10 comprises an internal wall 15 extending in a radial plane comprising the radial direction DR and orthogonal to the axial direction DA and fixed to an internal radial surface 204 of the housing 20
  • the electric machine 12 is arranged inside the box 20 upstream of the internal wall 15 while the electric filtering means 16 and the electronic control unit 18 of the part
  • upstream and downstream are used here with reference to the direction of flow of the flow of cooling air delivered represented by the arrow F in FIG. 2.
  • the electronic control unit 18 comprises a static electric converter 180 configured to supply the electric machine 12.
  • the electrical converter 180 is placed directly after the electrical machine 12 in the housing 20 of the intelligent motor 10, which makes it possible to reduce the length of the electrical connections between the electrical converter 180 and the electrical machine 12 passing through the internal wall. 15 and thus to do without interphase inductances.
  • the electric converter 180 comprises, in the embodiment illustrated in FIG. 2, six electronic cards of power 1800 arranged together to form a hollow cylinder with a hexagonal base coaxial with the electric machine 12.
  • the electrical converter would comprise a single electronic card, it could form a hollow cylinder with a circular base with an electronic power card having an annular shape, possibly with a first end and a second end facing one of the other in a direction orthogonal to the radial direction DR and to the axial direction D A.
  • the electronic cards 1800 are arranged opposite the internal surface 204 of the housing 20 to maximize the cooling of the electronic power components.
  • the filtering means 16 comprise an electronic filtering board 160 on which capacitors 162 are mounted.
  • the electronic filtering board 160 of the filtering means 16 has a hexagonal shape allowing it to be inserted into the hollow cylinder formed by the electronic boards 1800 of the electronic converter 180.
  • the hexagonal shape of the board electronics 160 cooperates with the hexagonal section of the hollow cylinder formed by the electronic power cards 1800 of the electric converter 180, which allows to adjust the electronic filtering board 160 as close as possible to the electronic power boards 1800.
  • the capacitors 162 and the electronic board 160 are housed in the hollow cylinder of the electrical converter 180.
  • Each electronic card 1800 of the electric converter 180 comprises at least one connection terminal 1802 extending in a radial plane comprising the radial direction D R and orthogonal to said axial direction D A making it possible to electrically connect the electronic filtering card 160 to the electronic cards of power 1800 of the electric converter 180.
  • Each connection terminal 1802 has a corrugated part providing it with elasticity which makes it possible to offer a certain freedom of movement to the electronic filtering board 160 relative to the electric converter 180.
  • the integration of the filtering electrical in the housing as close as possible to the disturbing elements, such as the power switches of the 1800 power electronic cards makes it possible to reduce the wiring inductances and thus to reduce the mass and the volume of the filtering.
  • the electronic control unit 18 comprises an electronic control card 182 configured to control the operation of the electric machine 12.
  • the card In the embodiment illustrated in FIG. 2, the card
  • electronic control unit 182 comprises a hexagonal shape extending in a radial plane comprising the radial direction D R and orthogonal to the axial direction D A and parallel to the filtering board 160.
  • the intelligent motor 10 further comprises an electronic supervision card 26 housed inside the housing 20 and in communication with the electronic control card 182.
  • the electronic supervision card extends in a radial plane comprising the radial direction D R and orthogonal to the axial direction D A and parallel to the filtering card 160.
  • the electronic supervision card 26 is disposed opposite the cover 22, between the cover 22 and the electronic control card 182.
  • the cooling device 24 is shared between the electric machine 12 and the electronic part of the intelligent motor 10 comprising the filtering means 16 and the electronic control unit 18.
  • the flow of cooling air F delivered by the vanes 140 of the impeller 14 circulates along the external radial surface 203 of the housing 20 and communicates fluidically with the fins 240 of the cooling device 24.
  • the external radial surface 203 of the housing 20 recovers both the heat generated by the electric machine 12 and the heat generated by the electronic part, in particular by the power converter 180 and transfers the calories to the cooling air flow F in particular via the fins 240, the air flow F then discharging the calories out of the intelligent motor 10.
  • the electric machine 12 of the intelligent motor 10 is a synchronous machine comprising a rotor 121 with permanent magnets and a hexaphase stator 122 provided with a first three-phase assembly 123 of three first coils 1230 electrically coupled in a star and a second three-phase assembly 124 of three second coils 1240 electrically coupled in a star.
  • the electronic control unit 18 of the synchronous machine 12 comprises a control inverter 184 provided with six independent arms 1840 each configured to control a phase of the hexaphase stator of the electric machine 12.
  • the two three-phase sets 123 and 124 of star coils are decoupled
  • the coils 1230 of the first three-phase assembly 123 in star are wound and then the coils 1240 of the second three-phase assembly 124 in star are wound the result of the winding of the coils 1230 of the first three-phase assembly 123.
  • the stator 122 comprises a toothed crown.
  • Each of the first coils 1230 and of the second coils 1240 is wound around a single tooth of the ring gear which makes it possible to minimize the size of the stator 122, in particular the size of the head of each of the coils 1230 and 1240.
  • the rotor 121 includes magnets arranged in a HalBach configuration to increase the mass torque of the intelligent motor 10.
  • the first coils 1230 of the first three-phase assembly 123 are arranged on a first angular range of the stator extending over 180 ° mechanical and the second coils 1240 of the second assembly 124 are arranged on a second angular range of the stator extending on 180 ° mechanical .
  • the first angular range is distinct from the second range, each angular range therefore covering a semicircle which maximizes magnetic decoupling and facilitates electrical isolation between the two three-phase assemblies 123 and 124.
  • the electronic control unit 18 also comprises a current regulation module in each three-phase assembly 123 and 124 independently of the other three-phase assembly 124 and 123, and a rotor speed regulation module 121.
  • the intelligent motor 10 also comprises a connection interface 17 connecting a high-voltage DC power bus to each of the six arms 1840 of the inverter 184 of the electronic control unit 18.
  • the connection interface 17 comprises the means for filtering 16 produced in the form of a capacitive decoupling stage provided with differential mode capacitors. In the embodiment illustrated in FIG. 2, the connection interface 17 is merged with the electronic filtering board 160.
  • each electronic power card 1800 comprises power transistors 1845, electronic protection elements of the inverter 184, a phase current sensor and a voltage sensor of the high voltage bus continued.
  • FIG 4 is illustrated an electric machine 12 'according to a second embodiment of the invention.
  • the synchronous machine 12’ comprises two stators 1221 and 1222 and a rotor 121 common to the two stators 1221 and 1222.
  • Each stator 1221 and 1222 is magnetically and electrically independent of the other stator 1222 and 1221. And each stator 1221 and 1222 comprises a first three-phase set of coils independent of a second three-phase set of coils.
  • the synchronous machine 12 comprises four stators 1221, 1222, 1223 and 1224 and a first and a second rotor 1211 and 1212.
  • the first rotor 1211 is common to the first two stators 1221 and 1222
  • the second rotor 1212 is common to the two second stators 1223 and 1224, the first two stators 1221 and 1222 being distinct from the two second stators 1223 and 1224, and each stator being magnetically and electrically independent of each other.
  • the invention thus provides an architectural solution for an intelligent motor which makes it possible both to improve the specific power of the motor for applications requiring a light, powerful motor comprising its power and control electronics, and to guarantee the supply of mechanical torque.

Landscapes

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Abstract

Un moteur intelligent (10) comprenant une machine synchrone à aimants permanents (12, 12', 12") et une unité électronique de commande (18), la machine synchrone (12, 12', 12") comportant un ou deux rotor(s) (121, 1211, 1212) à aimants permanents et au moins un stator hexaphasé (122, 1221 à 1224) par rotor doté d'au moins deux ensembles triphasés (123, 124) formés chacun de trois bobines (1230, 1240) électriquement couplées en étoile, ladite unité électronique de commande (18) comportant un onduleur de commande (184) par stator muni de six bras (1840) indépendants configurés chacun pour piloter une phase d'un stator hexaphasé (122, 1221 à 1224). Les ensembles triphasés (123, 124) sont découplées magnétiquement et électriquement l'un par rapport à un autre.

Description

Description
Titre de l'invention : MOTEUR ELECTRIQUE INTELLIGENT A MULTI-BOBINAGES
DECOUPLES
Domaine Technique
L'invention se rapporte à un moteur électrique intelligent, notamment pour un aéronef, et plus particulièrement à l’architecture électrique d’un moteur électrique intelligent à multi-bobinages découplés à forte intégration mécanique.
Technique antérieure
Les aéronefs à décollage et atterrissage verticaux sont de plus en plus utilisés notamment dans le transport intra-urbain et inter-urbain des marchandises ou des personnes.
La révolution dans le transport aérien fait naître un besoin croissant pour la propulsion des nouveaux aéronefs, par exemple les VTOL (« Vertical Take-Off and Landing » ou aéronefs à décollage et atterrissage vertical en français). L’énergie électrique est le principal vecteur de cette révolution, de par sa souplesse de mise en œuvre, son efficience (seule l’énergie nécessaire est produite), sa fiabilité (maintenance limités) et principalement par la réduction potentielle de masse et volume qu’il engendre par rapport à un système de propulsion classique (thermique avec distribution d’énergie hydraulique ou pneumatique). En revanche, la puissance actuelle des moteurs électriques embarqués ne permet pas de rivaliser avec la puissance développé par un seul moteur thermique, il est donc nécessaire de multiplier le nombre de moteurs électriques.
Il est alors aisé de comprendre que les contraintes d’intégration mécatronique (masse et le volume) de l’ensemble moteur électrique, contrôleur (électronique de puissance et électronique de commande), filtrage et système de refroidissement est une problématique clef de ce changement, notamment pour maintenir un ensemble de propulsion dont la masse et l’encombrement restent faibles.
Il est connu une architecture d’un moteur intelligent doté d’une boîte de vitesse et d’une pluralité de bobinages indépendants, dans laquelle chaque bobinage est alimenté par un convertisseur en pont en H, mais le filtrage d’entrée n’est pas intégré. La présence d’une boîte de vitesse dans le moteur intelligent génère une dégradation de la fiabilité du moteur et une augmentation des opérations de maintenance.
Il est également connu un moteur multi-bobinages statoriques avec une topologie de convertisseur électromécanique comprenant un stator annulaire en regard, dans la direction axiale, d’un ou deux rotors annulaires, le stator comportant une pluralité de bobines et le rotor des aimants permanents. Le moteur présente une architecture électrique comportant deux groupes de trois bobines électriquement couplés en étoile, mais dont le neutre est commun aux deux groupes.
Il est aussi connu un moteur intelligent comportant deux groupes de trois bobines électriquement couplés en étoile, mais dans laquelle les deux groupes en étoile sont bobinés en même temps et à chaque fois sur une seule dent ce qui les couple au moins magnétiquement. Dans cette configuration, les neutres des deux groupes sont électriquement raccordés pour avoir un point commun électriquement et équilibrer les courants. Cette configuration est relativement peu coûteuse en termes de réalisation.
Cependant, cette configuration ne permet pas d’avoir une isolation électrique et magnétique entre les deux groupes en étoile.
Exposé de l’invention
L'invention vise à fournir une solution architecturale de moteur intelligent sans boîte de vitesse permettant à la fois d’améliorer la puissance massique du moteur pour des applications nécessitant un moteur léger, puissant et comportant son
électronique de puissance et de contrôle, et de garantir la fourniture du couple mécanique aussi bien en cas de panne de bras d’onduleur de tension d’une étoile d’un stator, que dans le cas d’une panne d’un des stators.
Dans un premier objet de l’invention, il est proposé un moteur intelligent comprenant une machine synchrone à aimants permanents et une unité électronique de commande, la machine synchrone comportant un ou deux rotor(s) à aimants permanents et au moins un stator hexaphasé par rotor doté d’au moins deux ensembles triphasés formés chacun de trois bobines électriquement couplés en étoile, et de préférence d’un premier ensemble triphasé formé de trois premières bobines électriquement couplées en étoile et d’un second ensemble triphasé formé de trois secondes bobines électriquement couplées en étoile. Ladite unité électronique de commande de la machine synchrone comporte un onduleur de commande par stator muni de six bras indépendants configurés chacun pour piloter une phase d'un stator hexaphasé.
Selon une caractéristique générale du premier objet de l’invention, les deux ensembles de bobines en étoile sont découplées magnétiquement et électriquement l’un de l’autre.
L’isolation électrique et magnétique des deux ensembles triphasés de bobines l’un par rapport à l’autre permet de supprimer les inductances interphases.
Pour un stator hexaphasé donné, le découplage magnétique et électrique des deux ensembles de bobines en étoile permet de rendre le premier ensemble de bobines indépendant du second ensemble de bobines. Cette indépendance entre les deux ensembles de bobines offre notamment au moteur intelligent une possibilité de fonctionner dans un mode dégradé dans lequel un seul des ensembles de bobines fonctionne avec les bras d’onduleur associés suite à une mise en défaut d’au moins un des bras d’onduleur de l’autre ensemble de bobines par exemple.
Dans un autre exemple de moteur intelligent doté de deux stators hexaphasés et d’un rotor, le découplage magnétique et électrique des stators hexaphasés permet en outre de rendre le premier stator indépendant du second stator. Cette
indépendance entre les deux stators offre notamment au moteur intelligent une possibilité de fonctionner dans un mode dégradé dans lequel un seul stator fonctionne suite à une mise en défaut de l'autre stator par exemple.
Le moteur intelligent mentionné plus haut en référence à l’art antérieur et comportant deux ensembles de trois bobines électriquement couplés en étoile possède notamment un neutre commun aux deux ensembles de bobines. Cette configuration ne permet pas d’avoir une isolation électrique et magnétique entre les deux ensembles en étoile.
Dans le moteur intelligent selon l’invention, les deux ensembles en étoile sont bobinés successivement et non simultanément ce qui prend plus de temps qu’un bobinage simultané mais permet d’avoir un découplage magnétique et électrique. L’équilibrage des courants est réalisé par la manière de bobiner uniquement chaque ensemble de bobines. Le bobinage doit donc être plus précis que dans la configuration où les deux ensembles de bobines sont bobinés simultanément et la commande des bobines doit également être plus précise.
Ne pas relier les neutres permet de laisser plus de liberté sur la commande et donc permettre le mode dégradé.
De préférence, le moteur intelligent est dépourvu de boîte de vitesse à l’intérieur de son boîtier, le boîtier, ou carter, logeant la machine synchrone et l’unité de
commande. Cela permet de réaliser un gain en volume et en masse ainsi qu’un gain en fiabilité et en maintenance.
Avantageusement, ledit au moins un stator de la machine électrique peut
comprendre une couronne dentée, chaque bobine des ensembles triphasés étant bobinée autour d’une seule dent de la couronne dentée.
Le stator, ou chaque stator, peut ainsi comprendre une couronne dentée, chacune des premières bobines et des secondes bobines étant bobinée autour d’une seule dent de la couronne dentée, ce qui permet de minimiser la taille du stator, notamment la taille de la tête de bobine.
Le rotor, ou chacun des deux rotors, peut avantageusement comporter des aimants disposés selon une configuration HalBach (« Halbach array » en anglais) ce qui permet d’augmenter le couple massique du moteur intelligent.
De préférence, le stator ou chaque stator de ladite machine électrique peut être divisé en plages angulaires distinctes, le nombre de plages angulaires d’un stator correspondant au nombre d’ensembles triphasés du stator, la plage angulaire s’étendant sur un angle correspondant au résultat de la division de 360° par le nombre d’ensemble triphasés du stator.
Les premières bobines du premier ensemble sont ainsi disposées sur une première plage angulaire du stator s’étendant sur 180° mécaniques et les secondes bobines du second ensemble peuvent être disposées sur une seconde plage angulaire du stator s’étendant sur 180° mécaniques, la première plage angulaire étant distincte de la seconde plage.
Le premier ensemble de bobines et le second ensemble de bobines se situent donc sur deux parties distinctes du périmètre d’un cercle. Cela permet de maximiser le découplage magnétique et de faciliter l’isolement électrique entre les deux
ensembles de bobines.
Avantageusement, l’unité de commande peut comporter en outre un module de régulation du courant dans chaque ensemble de bobines indépendamment de l’autre ensemble de bobines, un module de régulation de la vitesse du rotor.
L’unité de commande est configurée pour fonctionner avec ou sans capteur de position mécanique. Le capteur de position mécanique donne la position mécanique angulaire du rotor sur lequel le capteur est monté. Cela permet à l’unité de commande d'avoir cette information de position pour pouvoir réguler les courants dans les deux ensembles de bobinages du stator hexaphasé.
Lorsque le capteur de position n'est pas monté ou lorsqu’on perd l'information de position issue du capteur, un procédé d'estimation de position est mis en œuvre par le module de régulation de l’unité de commande pour assurer la fonction régulation des courants dans les deux bobinages du stator hexaphasé.
L’unité électronique de commande peut avantageusement comprendre en outre une interface de connexion raccordant un bus d’alimentation haute tension continue à chacun des six bras de l’onduleur et comportant un étage de découplage capacitif muni de condensateurs de mode différentiel.
Avantageusement, le moteur intelligent peut comprendre en outre, pour chaque bras d’onduleur, une carte électronique de puissance sur laquelle est montée ladite unité électronique de commande, des éléments de protection électronique de l’onduleur, au moins un moyen de mesure de courant de phase et un moyen de mesure de tension du bus haute tension continu.
Cette configuration découpée en une pluralité de cartes électroniques de puissance permet d’optimiser le volume occupé par les cartes électroniques de puissance, par exemple en les plaçant autour de l’interface de connexion, ce qui permet en outre de les rapprocher du dispositif de refroidissement et de maximiser le refroidissement des cartes de puissances lorsque le dispositif de refroidissement est montée sur la périphérie du moteur intelligent.
De préférence, le moteur intelligent comprend en outre des liaisons souples entre l’interface de connexion et chacune des cartes électroniques de puissance. Avantageusement, la machine synchrone peut comprendre une pluralité de stators et un rotor commun à la pluralité de stators, chaque stator étant indépendant magnétiquement et électriquement les uns des autres.
La machine synchrone peut avantageusement comprendre au moins quatre stators et un premier et un second rotors, le premier rotor étant commun aux stators d’un premier ensemble d’au moins deux stators, le second rotor étant commun aux stators d’un second ensemble d’au moins deux stators, les stators du premier ensemble étant distincts des stators du second ensemble, et chaque stator étant indépendant magnétiquement et électriquement les uns des autres.
Brève description des dessins
L'invention sera mieux comprise à la lecture faite ci-après, à titre indicatif mais non limitatif, en référence aux dessins annexés sur lesquels :
[Fig. 1] La figure 1 présente schématiquement un aéronef multi-rotors muni d’un système de propulsion selon un mode réalisation de l’invention.
[Fig. 2] La figure 2 représente schématiquement une vue en coupe d’un moteur intelligent du système de propulsion de la figure 1 selon un premier mode de réalisation de l’invention.
[Fig. 3] La figure 3 est une représentation schématique de l’architecture électrique selon un premier mode de réalisation de la machine électrique du moteur intelligent de la figure 2.
[Fig. 4] La figure 4 présente schématiquement une architecture électrique selon un deuxième mode de réalisation de la machine électrique du moteur intelligent de la figure 2.
[Fig. 5] La figure 5 présente schématiquement une architecture électrique selon un troisième mode de réalisation de la machine électrique du moteur intelligent de la figure 2.
Description des modes de réalisation
Sur la figure 1 est présenté de manière schématique un aéronef multi-rotors 7 muni d’un système de propulsion 9 selon un mode de réalisation de l’invention. Dans l’exemple illustré sur la figure 1 , le système de propulsion 9 comprend six rotors 1 à 6 répartis sur un cercle en trait mixte multi-rotors. Les rotors 1 à 6 formant trois couples de rotors, les rotors d’un même couple étant symétriquement opposés par rapport à un centre de symétrie 8. Le premier couple de rotors comprend les rotors 1 et 6, le deuxième couple de rotors comprend les rotors 2 et 5, le troisième couple de rotors comprend les rotors 3 et 4. En outre, le système de propulsion 9 comprend un moteur intelligent 10 pour chaque rotor 1 à 6.
Sur la figure 2 est représenté schématiquement une vue en coupe d’un moteur intelligent 10 selon un premier mode de réalisation de l’invention.
Le moteur intelligent 10 illustré sur la figure 2 comprend une machine électrique 12 agissant comme convertisseur électromécanique et doté d’une partie tournante définissant une direction axiale DA et une direction radiale DR. La figure 2 est une vue en coupe selon un plan comprenant la direction axiale DA et la direction radiale DR.
Le moteur intelligent 10 comprend en outre une roue à aubes 14, des moyens de filtrage électrique 16, une unité électronique de commande 18, et un boîtier 20, ou carter à l’intérieur duquel sont logés la machine électrique 12, l’unité électronique de commande 18 et les moyens de filtrage 16.
La roue à aubes 14 est mécaniquement couplée à la machine électrique 12 par un arbre de transmission 13 qui permet à la machine électrique d’entraîner la roue à aubes 14.
Le boîtier 20 présente une forme cylindrique creuse, avec, dans le mode de réalisation illustré sur la figure 2, une section circulaire. L’axe de révolution du boîtier 20 est confondu avec l’axe de rotation DA de la machine électrique 12 qui est confondu avec l’axe de rotation de l’arbre de transmission 13 et de la roue à aubes 14.
Le boîtier 20 comprend dans la direction axiale DA une première extrémité 201 et une seconde extrémité 202 opposée à la première extrémité 201 . Dans la direction axiale DA, le boîtier 20 est fermé à sa première extrémité 201 par la roue à aubes 14, et à sa seconde extrémité 202 par un couvercle 22.
Le boîtier 20 comprend un dispositif de refroidissement 24 monté sur une surface radiale externe 203 du boîtier 20. Les termes "interne11 et "externe", et « intérieur » et « extérieur » sont utilisés ici en référence à la direction radiale DR dans le moteur intelligent 10.
Le dispositif de refroidissement 24 comprend un ensemble d’ailettes 240 s’étendant radialement vers l’extérieur depuis la surface radiale externe 203 du boîtier 20 et forme ainsi un radiateur permettant un échange calorifique entre les ailettes 240 et un flux d’air F traversant les ailettes 240 du dispositif de refroidissement 24. Le flux d’air de refroidissement F est généré et alimenté par des aubes 140 de la roue à aubes 14 entraînée par la machine électrique 12 et est ainsi auto entretenu. Dans le mode de réalisation illustré sur la figure 2, le dispositif de refroidissement 24 comprend en outre un carter de refroidissement 245 cylindrique disposé autour des ailettes de refroidissement 240. Le carter de refroidissement 245 défini ainsi avec la surface radiale externe 203 du boîtier 20, une veine de refroidissement 248 dans laquelle le flux d’air de refroidissement F est canalisé.
Dans une variante, le moteur intelligent pourrait ne pas comprendre de roues à aubes et de carter de refroidissement afin de réduire la masse du moteur intelligent. Le moteur intelligent serait alors refroidi par le flux d’air générée par le rotor de l’aéronef, le rotor étant constitué classiquement d’une hélice liée mécaniquement directement à l’arbre de rotation mécanique du moteur intelligent.
Dans le mode de réalisation illustré sur la figure 2 qui représente une configuration dite « axiale » du moteur intelligent 10 selon l’invention, le moteur intelligent 10 comprend un boîtier 20 comportant un dispositif de refroidissement, une partie motrice comportant la machine électrique 12, la roue à aubes 14 et l’arbre de transmission 13, et une partie électronique séparée dans la direction axiale de la partie motrice, la partie électronique comprenant notamment les moyens de filtrage électrique 16 et l’unité de commande 18.
Pour séparer physiquement la partie motrice de la partie électronique, le moteur intelligent 10 comprend une paroi interne 15 s’étendant dans un plan radial comprenant la direction radiale DR et orthogonal à la direction axiale DA et fixée à une surface radiale interne 204 du boîtier 20. La machine électrique 12 est disposée à l’intérieur du boîtier 20 en amont de la paroi interne 15 tandis que les moyens de filtrage électrique 16 et l’unité électronique de commande 18 de la partie
électronique sont disposés en aval de la paroi interne 15. Les termes "amont" et "aval" sont utilisés ici en référence au sens d'écoulement du flux d’air de refroidissement délivré représenté par la flèche F sur la figure 2.
L'unité électronique de commande 18 comprend un convertisseur électrique statique 180 configuré pour alimenter machine électrique 12.
Le convertisseur électrique 180 est placé directement à la suite de la machine électrique 12 dans le boîtier 20 du moteur intelligent 10 ce qui permet de réduire la longueur des connexions électriques entre le convertisseur électrique 180 et la machine électrique 12 passant au travers de la paroi interne 15 et ainsi de se passer d’inductances interphases.
Le convertisseur électrique 180 comprend, dans le mode de réalisation illustré sur la figure 2, six cartes électroniques de puissance 1800 arrangées ensemble pour former cylindre creux à base hexagonale coaxiale avec la machine électrique 12.
Dans une variante où le convertisseur électrique comprendrait huit cartes
électroniques, il formerait un cylindre à base octogonale. S’il comprenait cinq cartes électroniques, il formerait un cylindre à base pentagonale. Dans une variante où le convertisseur électrique comprendrait une unique carte électronique, il pourrait former un cylindre creux à base circulaire avec une carte électronique de puissance présentant une forme annulaire, éventuellement avec une première extrémité et une seconde extrémité en regard l’une de l’autre dans une direction orthogonale à la direction radiale DR et à la direction axiale DA.
Les cartes électroniques 1800 sont disposées en regard de la surface interne 204 du boîtier 20 pour maximiser le refroidissement des composants électroniques de puissance.
Les moyens de filtrage 16 comprennent une carte électronique de filtrage 160 sur laquelle sont montés des condensateurs 162.
Dans le mode de réalisation illustré sur la figure 2, la carte électronique de filtrage 160 des moyens de filtrage 16 possède une forme hexagonale permettant son insertion dans le cylindre creux formé par les cartes électroniques 1800 du convertisseur électronique 180. La forme hexagonale de la carte électronique 160 coopère avec la section hexagonale du cylindre creux formé par les cartes électroniques de puissance 1800 du convertisseur électrique 180, ce qui permet d’ajuster la carte électronique de filtrage 160 au plus près des cartes électroniques de puissance 1800. Les condensateurs 162 et la carte électronique 160 sont logés dans le cylindre creux du convertisseur électrique 180.
Chaque carte électronique 1800 du convertisseur électrique 180 comprend au moins une borne de connexion 1802 s’étendant dans un plan radial comprenant la direction radiale DR et orthogonal à ladite direction axiale DA permettant de raccorder électriquement la carte électronique de filtrage 160 aux cartes électroniques de puissance 1800 du convertisseur électrique 180. Chaque borne de connexion 1802 comporte une partie ondulée lui fournissant une élasticité qui permet d’offrir une certaine liberté de mouvement à la carte électronique de filtrage 160 par rapport au convertisseur électrique 180. L’intégration du filtrage électrique dans le boîtier au plus près des éléments perturbateurs, tels que les interrupteurs de puissance des cartes électroniques de puissance 1800, permet de réduire les inductances de câblage et ainsi de réduire la masse et le volume du filtrage.
En outre, l’unité électronique de commande 18 comprend une carte électronique de commande 182 configurée pour commander le fonctionnement de la machine électrique 12. Dans le mode de réalisation illustré sur la figure 2, la carte
électronique de commande 182 comprend une forme hexagonale s’étendant dans un plan radial comprenant la direction radiale DR et orthogonal à la direction axiale DA et parallèle à la carte de filtrage 160.
Le moteur intelligent 10 comprend en outre une carte électronique de supervision 26 logée à l’intérieur du boîtier 20 et en communication avec la carte électronique de commande 182. La carte électronique de supervision s’étend dans un plan radial comprenant la direction radiale DR et orthogonal à la direction axiale DA et parallèle à la carte de filtrage 160. La carte électronique de supervision 26 est disposée en regard du couvercle 22, entre le couvercle 22 et la carte électronique de commande 182.
Dans cette configuration axiale, le dispositif de refroidissement 24 est communalisé entre la machine électrique 12 et la partie électronique du moteur intelligent 10 comprenant les moyens de filtrage 16 et l’unité électronique de commande 18. Le flux d’air de refroidissement F délivré par les aubes 140 de la roue à aubes 14 circule le long de la surface radiale externe 203 du boîtier 20 et communique de manière fluidique avec les ailettes 240 du dispositif de refroidissement 24. La surface radiale externe 203 du boîtier 20 récupère à la fois la chaleur générée par la machine électrique 12 et la chaleur générée par la partie électronique, notamment par le convertisseur de puissance 180 et transfère les calories au flux d’air de refroidissement F notamment via les ailettes 240, le flux d’air F évacuant ensuite les calories hors du moteur intelligent 10.
Comme cela est illustré sur la figure 3, la machine électrique 12 du moteur intelligent 10 est une machine synchrone comportant un rotor 121 à aimants permanents et un stator hexaphasé 122 doté d’un premier ensemble triphasé 123 de trois premières bobines 1230 électriquement couplées en étoile et d’un second ensemble triphasé 124 de trois secondes bobines 1240 électriquement couplées en étoile.
L’unité électronique de commande 18 de la machine synchrone 12 comporte un onduleur de commande 184 muni de six bras indépendants 1840 configurés chacun pour piloter une phase du stator hexaphasé de la machine électrique 12. Les deux ensembles triphasés 123 et 124 de bobines en étoile sont découplées
magnétiquement et électriquement l’un de l’autre.
Pour avoir un premier et un second ensembles triphasés 123 et 124 électriquement et magnétiquement indépendants l’un de l’autre, les bobines 1230 du premier ensemble triphasé 123 en étoile sont bobinées puis les bobines 1240 du second ensemble triphasé 124 en étoile sont bobinées à l’issu du bobinage des bobines 1230 du premier ensemble triphasé 123.
Le stator 122 comprend une couronne dentée. Chacune des premières bobines 1230 et des secondes bobines 1240 est bobinée autour d’une seule dent de la couronne dentée ce qui permet de minimiser la taille du stator 122, notamment la taille de la tête de chacune des bobines 1230 et 1240.
Le rotor 121 comporte des aimants disposés selon une configuration HalBach pour augmenter le couple massique du moteur intelligent 10.
Les premières bobines 1230 du premier ensemble triphasé 123 sont disposées sur une première plage angulaire du stator s’étendant sur 180° mécaniques et les secondes bobines 1240 du second ensemble 124 sont disposées sur une seconde plage angulaire du stator s’étendant sur 180° mécaniques. La première plage angulaire est distincte de la seconde plage, chaque plage angulaire couvrant donc un demi-cercle ce qui permet de maximiser le découplage magnétique et de faciliter l’isolement électrique entre les deux ensembles triphasés 123 et 124.
L’unité électronique de commande 18 comporte en outre un module de régulation du courant dans chaque ensemble triphasé 123 et 124 indépendamment de l’autre ensemble triphasé 124 et 123, et un module de régulation de la vitesse du rotor 121.
Le moteur intelligent 10 comprend également une interface de connexion 17 raccordant un bus d’alimentation haute tension continue à chacun des six bras 1840 de l’onduleur 184 de l’unité électronique de commande 18. L’interface de connexion 17 comporte les moyens de filtrage 16 réalisés sous la forme d’un étage de découplage capacitif muni de condensateurs de mode différentiel. Dans le mode de réalisation illustré sur la figure 2, l’interface de connexion 17 est confondue avec la carte électronique de filtrage 160.
Dans le mode de réalisation illustré sur la figure 3, chaque carte électronique de puissance 1800 comprend des transistors de puissance 1845, des éléments de protection électronique de l’onduleur 184, un capteur de courant de phase et un capteur de tension du bus haute tension continu.
Sur la figure 4 est illustrée une machine électrique 12’ selon un deuxième mode de réalisation de l’invention. Dans le deuxième mode de réalisation de la machine électrique 12’, la machine synchrone 12’ comprend deux stators 1221 et 1222 et un rotor 121 commun aux deux stators 1221 et 1222.
Chaque stator 1221 et 1222 est indépendant magnétiquement et électriquement de l’autre stator 1222 et 1221. Et chaque stator 1221 et 1222 comprend un premier ensemble triphasé de bobines indépendant d’un second ensemble triphasé de bobines.
Sur la figure 5 est illustrée une machine électrique 12’’ selon un troisième mode de réalisation de l’invention. Dans le troisième mode de réalisation de la machine électrique 12”, la machine synchrone 12” comprend quatre stators 1221 , 1222, 1223 et 1224 et un premier et un second rotors 1211 et 1212. Le premier rotor 1211 est commun aux deux premiers stators 1221 et 1222, et le second rotor 1212 est commun aux deux seconds stators 1223 et 1224, les deux premiers stators 1221 et 1222 étant distincts des deux seconds stators 1223 et 1224, et chaque stator étant indépendant magnétiquement et électriquement les uns des autres. L'invention fournit ainsi une solution architecturale de moteur intelligent permettant à la fois d’améliorer la puissance massique du moteur pour des applications nécessitant un moteur léger, puissant et comportant son électronique de puissance et de contrôle, et de garantir la fourniture du couple mécanique :
- en cas de panne de bras d’onduleur de tension d’une étoile d’un stator pour un moteur intelligent soit à configuration simple stator, soit à configuration multi-stators avec un rotor, soit à configuration multi-stators avec un double rotors, ou
- dans le cas d’une panne d’un des stators pour un moteur intelligent à
configuration multi-stators avec un rotor ou à configuration multi-stators avec un double rotors.

Claims

Revendications
[Revendication 1] Moteur intelligent (10) comprenant une machine
synchrone à aimants permanents (12, 12', 12") et une unité électronique de commande (18), la machine synchrone (12, 12', 12") comportant un ou deux rotor(s) (121, 1211, 1212) à aimants permanents et au moins un stator hexaphasé (122, 1221 à 1224) par rotor doté d'au moins deux ensembles triphasés (123, 124) formés chacun de trois bobines (1230, 1240)
électriquement couplées en étoile, ladite unité électronique de commande (18) comportant un onduleur de commande (184) par stator muni de six bras (1840) indépendants configurés chacun pour piloter une phase d'un stator hexaphasé (122, 1221 à 1224),
caractérisé en ce que lesdits ensembles triphasés (123, 124) sont découplées magnétiquement et électriquement l'un par rapport à un autre.
[Revendication 2] Moteur intelligent (10) selon la revendication 1, dans lequel ledit au moins un stator (122, 1221 à 1224) de la machine électrique (12, 12', 12") comprend une couronne dentée, chaque bobine (1230, 1240) des ensembles triphasés (132, 124) étant bobinée autour d'une seule dent de la couronne dentée.
[Revendication 3] Moteur intelligent (10) selon l'une des revendications 1 ou 2, dans lequel le(s) rotor(s) (121, 1211, 1212) comporte(nt) des aimants à configuration HalBach.
[Revendication 4] Moteur intelligent (10) selon l'une des revendications 1 à
3, dans lequel le stator (122) ou chaque stator (1221, 1222, 1223, 1224) de ladite machine électrique (12, 12', 12") est divisé en plages angulaires distinctes, le nombre de plages angulaires d'un stator correspondant au nombre d'ensembles triphasés du stator, la plage angulaire s'étendant sur un angle correspondant au résultat de la division de 360° par le nombre d'ensemble triphasés du stator.
[Revendication 5] Moteur intelligent (10) selon l'une des revendications 1 à
4, dans lequel l'unité électronique de commande (18) comporte en outre un module de régulation du courant configuré pour réguler le courant dans chaque ensemble triphasé (1230, 1240) indépendamment de l'autre ensemble triphasé (1240, 1230), et un module de régulation de la vitesse du rotor
(121).
[Revendication 6] Moteur intelligent (10) selon l'une des revendications 1 à 5, comprenant en outre une interface de connexion (17) raccordant un bus d'alimentation haute tension continue à chacun des six bras (1840) de l'onduleur (184) de l'unité électronique de commande (18), l'interface de connexion (17) comportant un étage de découplage capacitif (16) muni de condensateurs de mode différentiel.
[Revendication 7] Moteur intelligent (10) selon la revendication 6,
comprenant en outre, pour chaque bras d'onduleur (1840), une carte électronique de puissance (1800) sur laquelle sont montés des transistors de puissance (1845), des éléments de protection électrique des transistors de puissance, des moyens de mesure de courant de phase et des moyens de mesure de tension du bus haute tension continue.
[Revendication 8] Moteur intelligent (10) selon la revendication 7,
comprenant en outre des liaisons souples entre l'interface de connexion (17) et chacune des cartes électroniques de puissance (1800).
[Revendication 9] Moteur intelligent (10) selon l'une des revendications 1 à 8, dans lequel la machine synchrone (12') comprend une pluralité de stators (1221, 1222) et un rotor (121) commun à la pluralité de stators (1221, 1222), chaque stator étant indépendant magnétiquement et électriquement les uns des autres.
[Revendication 10] Moteur intelligent (10) selon l'une des revendications 1 à 8, dans lequel la machine synchrone (12") comprend au moins quatre stators (1221 à 1224) et un premier et un second rotors (1211, 1212), le premier rotor (1211) étant commun aux stators (1221, 1222) d'un premier ensemble d'au moins deux stators, le second rotor (1212) étant commun aux stators (1223, 1224) d'un second ensemble d'au moins deux stators, les stators du premier ensemble étant distincts des stators du second ensemble, et chaque stator étant indépendant magnétiquement et électriquement les uns des autres. I
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