WO2025003595A1 - Transformateur tournant segmente standardise a grand diametre - Google Patents

Transformateur tournant segmente standardise a grand diametre Download PDF

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rotor
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internal
sectors
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Djemouai Hadjidj
Rachid BELFKIRA
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Safran Electrical and Power SAS
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F38/00—Adaptations of transformers or inductances for specific applications or functions
    • H01F38/18—Rotary transformers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F27/00—Details of transformers or inductances, in general
    • H01F27/24—Magnetic cores
    • H01F27/245—Magnetic cores made from sheets, e.g. grain-oriented

Definitions

  • the present invention relates to the field of power transfer between a fixed reference point and a rotating reference point for the electrical (electrothermal) defrosting of the propeller blades of an aircraft turbomachine and relates to a single-phase rotating transformer used in a harsh environment for the contactless transmission of electrical energy by electromagnetic induction between first and second electrical windings of this transformer.
  • the main purpose of the present invention is therefore a large diameter rotating transformer, segmented into quarters, whose maintenance is facilitated and does not interfere with the other systems and modules of the aircraft turbomachine, despite its installation in a confined, constrained and difficult to access area.
  • Another purpose is to propose a transformer allowing simplified but robust control.
  • Yet another purpose is to allow industrialization of this rotating transformer at a lower cost, while limiting material waste during manufacturing.
  • a rotating transformer intended to be installed around a rotating movable shaft, the rotating transformer being made up of a plurality of external annular stator sectors and a plurality of internal annular rotor sectors, the juxtaposition over 360° of these external annular stator and internal rotor sectors forming an external stator ring and an internal rotor ring made up of a set of elementary stator and rotor magnetic circuits, each of the elementary stator magnetic circuits comprising an external magnetic core and a first electrical winding and each of the elementary rotor magnetic circuits comprising an internal magnetic core and a second electrical winding to allow a transfer of electrical energy by electromagnetic induction between the outer stator and inner rotor rings, the inner and outer magnetic cores being mounted concentrically and separated by two air gaps present on either side of the inner magnetic core, the outer magnetic cores each have a C-claw shape and the inner magnetic cores each have an I-bar shape and in that the outer magnetic cores and/or the inner magnetic cores have at each of the air
  • the internal and external magnetic cores are formed from a radial stack of wound sheets of a magnetic material of the amorphous or nanocrystalline type or from a block of magnetic powder made from amorphous powder.
  • the C-shaped external magnetic core is produced by cutting to the size of the internal magnetic core, the annular expansions and the air gaps, i.e. from a standard oblong-shaped magnetic element consisting of a radial stack of wound sheets.
  • the number of annular sectors in the stator is or is not the same as the number of annular sectors in the rotor and the number of external magnetic cores per external annular sector of the stator is or is not the same as the number of internal magnetic cores per internal annular sector of the rotor.
  • the stator winding which can be wire or ribbon winding is either a concentric winding around each external magnetic core or a single winding surrounding all the external magnetic cores of a given annular sector and the rotor winding which can be wire or ribbon winding is either a concentric winding around each internal magnetic core or a single winding surrounding all the internal magnetic cores of a given annular sector.
  • the annular expansions have notches to facilitate their assembly on the internal or external magnetic cores.
  • the external annular stator sectors are identical and interchangeable with each other and/or the internal annular rotor sectors are identical and interchangeable with each other.
  • the external annular stator sectors are electrically interconnected with each other by flexible interconnection parts accessible for assembly/disassembly through circumferential access hatches and/or the internal annular rotor sectors are electrically interconnected with each other by flexible interconnection parts accessible for assembly/disassembly through the circumferential access hatches.
  • these electrical interconnection parts for both the stator and the rotor must be flexible (braid type or equivalent) and not mechanically structural in order to limit (or even avoid) the transmission of mechanical forces between adjacent sectors.
  • FIG. 1 Figure 1 illustrates a part of an aircraft turbomachine integrating a rotating transformer according to the invention
  • Figure 2 shows a district of the rotating transformer of Figure 1
  • Figures 3A and 3B show an exemplary embodiment of an external stator magnetic core composing the rotating transformer district of Figure 2
  • FIG. 4A shows a segment of the stator quarter making up the rotating transformer quarter of Figure 2
  • Figure 4B shows a segment of the rotor quarter making up the rotating transformer quarter of Figure 2
  • Figure 5 illustrates a first example of a rotating transformer district segment according to the invention
  • Figure 6 illustrates a second example of a rotating transformer district segment according to the invention
  • Figure 7 shows a third example of a rotating transformer district segment according to the invention.
  • Figure 8 shows a fourth example of a rotating transformer district segment according to the invention.
  • the principle of the invention implemented is based on a segmentation of the rotating transformer, at the stator (called primary) as at the rotor (called secondary), into several annular sectors or quarters each having a mass and a replacement time compatible with a ground maintenance operation limiting the downtime of the aircraft, so that the maintenance and replacement interventions (assembly/disassembly) are facilitated and can be carried out by conventional tools through dedicated access hatches, without having to disassemble or interfere with the other parts of the aircraft turbomachine.
  • the annular stator sectors are identical and interchangeable with each other and the annular rotor sectors are identical and interchangeable with each other. Power transfer between the stator and the rotor is done by electromagnetic induction and without contact.
  • the stator is powered by dedicated electronics (resonant or non-resonant single-phase inverter) operating preferably at high frequencies (several tens of kilohertz), without this being limiting.
  • the rotating transformer 10 As shown in FIG. 1, which is a part of an aircraft turbomachine, the rotating transformer 10 according to the invention is mounted between a rotating transmission shaft 12 forming a rotating part of the turbomachine and a casing 14 forming a fixed part of the turbomachine, provided with circumferential access hatches 14A through which each of the annular quarters or sectors of the rotating transformer 10 can be installed or easily removed for repair or maintenance and then reinstalled once these replacement operations have been carried out.
  • Figure 2 illustrates more precisely an example of an annular sector or quarter 20 of the rotating transformer 10 (which in the illustrated example comprises a single path but two axially offset redundant paths would also be possible) consisting of a fixed stator quarter 22 secured to the housing and a rotating rotor quarter 24 secured to the transmission shaft, the rotor quarter being mounted concentrically (inserted) in the stator quarter to form the transformer quarter while maintaining axial mechanical clearance on either side of the rotor quarter.
  • the rotating transformer formed by the juxtaposition over 360° of several quarters 20 has a large diameter, of the order of a meter or more, which allows the rotor to receive a transmission shaft also of large diameter, such as a propeller shaft.
  • the juxtaposition over 360° of these different annular sectors to the stator and to the rotor form an external stator ring and an internal rotor ring consisting of a plurality of single-phase elementary stator and rotor magnetic circuits comprising respectively a stator magnetic core 30 and a first electrical winding (primary 32) and a rotor magnetic core 34 and a second electrical winding (secondary 36), the stator and rotor magnetic cores being separated by two air gaps e1 and e2 present on either side of the rotor magnetic core (see Figure 5) and the sectors that can be electrically interconnected in series or in parallel for the transmission of electrical energy by electromagnetic induction between the first and second electrical windings of these elementary magnetic circuits of stator and rotor.
  • the annular sectors are identical and interchangeable with each other.
  • the number of these elementary magnetic circuits per annular sector is not necessarily identical at the stator and at the rotor (for example four at the stator and six at the rotor as illustrated), the choice of the number of magnetic circuits at the stator and at the rotor being guided by design considerations and optimization of transfer performances.
  • the numbers of magnetic circuits at the stator and rotor which can be different, the number of sectors at the stator can also be different from the number of sectors at the rotor.
  • An annular sector on the stator or rotor is designed as a removable and replaceable LRU (Line Replaceable Unit) under the wing through dedicated circumferential access hatches 14A. They are electrically interconnected by flexible interconnection parts (not referenced) also accessible for assembly/disassembly through the circumferential access hatches 14A.
  • LRU Line Replaceable Unit
  • the type of material used for the magnetic core or the expansions may be different for the stator and the rotor (for example, winding or stacking of FeNi type sheets, or another material such as FeSi or FeCo, for the stator and powder block for the rotor).
  • a magnetic core made of wound sheet metal of amorphous or nanocrystalline type or in the form of a powder block of any other suitable magnetic material for example, Amorphous powder
  • Amorphous or Nanocrystalline type materials makes it possible to reduce the size and mass of the transformer as well as its losses.
  • stator magnetic cores or external stator cores 30
  • cores rotor magnetic or internal rotor 34
  • the expansions are intended to avoid a discontinuity of the magnetic field lines during rotation, thereby improving the transfer efficiency and simplifying the management of the resonant mode by simplified control independent of the rotation (limited variations of the transformer parameters according to the angular position).
  • the magnetic core of the stator 30 is obtained from an assembly of two elements: a standard C-shaped magnetic element 40 (better known by the acronym C-core) resulting from a cutting of a radial stack of wound sheets 42 around a common axis, and an annular expansion 44 resulting from the cutting of a magnetic circular ring 46 made of a radial stack of circular sheets predefined to the correct diameter.
  • the circular ring is cut into a determined number of annular sectors intended to constitute the complete transformer.
  • the magnetic core of the rotor 34 is obtained from an assembly of two elements: a standard I-shaped magnetic element 48 (a simple bar visible in FIG. 8) and the same annular expansion 44 resulting from the cutting of the same circular ring 46 made from a radial stack of circular sheets predefined to the correct diameter on the same principle as the stator.
  • the assembly of the expansions on the C-cores and the I-shapes can be provided with notches 44a, 44b, 44c, 44d.
  • the cutting of notches would not be feasible (case of a material such as Amorphous)
  • the use for example of FeNi for the expansions can then be envisaged.
  • the stator winding is a concentric winding 50 around each C-core.
  • the rotor winding is a concentric winding 52 around each I-member.
  • the windings may be wired or in ribbons depending on the different integration and performance constraints to be respected.
  • stator coils at an annular sector are interconnected in series with each other.
  • the annular sectors are also interconnected in series with each other to form the primary winding of the complete transformer. The same principle of interconnection between sectors and within each sector is implemented for the rotor.
  • the magnetic cores of the stator 40 comprise annular expansions 44 at each of their two ends, but a configuration without expansions is also possible, as will be shown further with reference to FIG. 7.
  • the magnetic cores of the rotor 48 comprise annular expansions 44 at each of their two ends, but a configuration without expansions is also possible, as will be shown further with reference to FIG. 6.
  • Figure 5 illustrates a first example of a segment (a portion having two stator magnetic cores) of a transformer quarter in which the stator magnetic cores 40 and the rotor magnetic cores 48 each have annular expansions 44, with air gaps e1 and e2 between these annular expansions at the stator and rotor.
  • the stator winding is formed of the concentric coils 50 around each C-core claw element and the rotor winding is formed of the concentric coils 52 around each I-shaped element.
  • Figure 6 illustrates a second example of a segment (a part comprising two stator magnetic cores) of a transformer district in which only the stator magnetic cores 40 each comprise annular expansions 44 (provided with notches in this example), the air gaps e1 and e2 then being located between these annular expansions of the stator and the cores rotor magnetics 48.
  • the stator windings are concentric windings
  • Figure 7 illustrates a third example of a segment (a portion comprising two stator magnetic cores) of a transformer quarter in which only the rotor magnetic cores 48 each comprise annular expansions 44, the air gaps e1 and e2 then being located between these annular expansions of the rotor and the stator magnetic cores 40.
  • the stator windings are concentric windings 50 around each C-core element and the rotor windings are concentric windings 52 around each I-element.
  • Figure 8 illustrates a fourth example of a segment (a portion having two stator magnetic cores) of a transformer quarter in which the stator magnetic cores 40 and the rotor magnetic cores 48 each have annular expansions 44, with air gaps e1 and e2 between these annular expansions at the stator and rotor.
  • the stator windings are formed by a single winding 54 surrounding all the C-core elements of a given transformer annular sector and the rotor windings are formed by a single winding 56 surrounding all the I-elements of the same given transformer annular sector.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Synchronous Machinery (AREA)

Abstract

Transformateur tournant destiné à être installé autour d'un arbre mobile en rotation,le transformateur tournant étant constitué d'une pluralité de secteurs annulaires de stator (22) et d'une pluralité de secteurs annulaires de rotor (24), la juxtaposition de ces secteurs annulaires formant un anneau de stator et un anneau de rotor constitués de circuits magnétiques stator et rotor élémentaires comportant des noyaux magnétiques externes (40) et internes (48) et des premier (50) et second (52) bobinages électriques pour permettre un transfert d'énergie électrique par induction électromagnétique entre les anneaux de stator et de rotor, les noyaux magnétiques internes et externes étant séparés par deux entrefers e1 et e2 présents de part et d'autre du noyau magnétique interne et les noyaux magnétiques externes (40) présentent chacun une forme de griffe en C et les noyaux magnétiques internes (48) présentent chacun une forme de barre en I et les noyaux magnétiques externes (40) et/ou les noyaux magnétiques internes (48) présentent au niveau de chacun des entrefers des épanouissements annulaires (44) réalisés par la découpe en secteurs adjacents d'un anneau circulaire magnétique (46) formé d'un empilement radial de tôles circulaires avantageusement pourvues d'encoches pour faciliter leur assemblage sur les noyaux magnétiques externes et internes.

Description

Description
Titre de l'invention : Transformateur tournant segmenté standardisé à grand diamètre
Domaine Technique
La présente invention se rapporte au domaine du transfert de puissance entre un repère fixe et un repère tournant pour le dégivrage électrique (électrothermique) des pales d'hélice d'une turbomachine d'aéronef et a pour objet un transformateur tournant monophasé utilisé dans un environnement sévère pour la transmission d’énergie électrique sans contact par induction électromagnétique entre des premier et second bobinages électriques de ce transformateur.
Technique antérieure
Sur les aéronefs électriques ou hybrides comme sur les aéronefs conventionnels, il y a plusieurs surfaces à protéger contre le givre sur les parties fixes et tournantes de la turbomachine. La protection envisagée pour les parties tournantes est en général exclusivement électrothermique à base de tapis chauffants électriques formés de nappes de résistances couvrant les surfaces à protéger.
Pour assurer le transfert de puissance et donc acheminer l'énergie électrique de la partie fixe à la partie tournante où les tapis chauffants électriques sont installés, il est connu de recourir à un dispositif appelé « slip ring » dont le principe consiste à faire frotter plusieurs bagues conductrices fixes solidaires de la partie fixe sur des pistes conductrices circulaires et solidaires de la partie tournante, afin de créer une connexion électrique entre la partie fixe et la partie tournante de la turbomachine. Toutefois, l'inconvénient majeur de cette solution réside dans sa durée de vie très limitée due à l'usure des pièces en frottement continu, laquelle génère donc des coûts d'exploitation inacceptable sur un avion commercial monocouloir du type A320 ou B737 où la partie tournante endure de multiples rotations. Par ailleurs, il est connu que du fait de l'environnement sévère (thermique, électromagnétique et vibratoire) existant dans les aéronefs hybrides comportant de nombreuses charges moteurs électrifiées, l'intégration d'équipements électriques est un enjeu majeur et doit répondre à de multiples contraintes liées à la fois à une accessibilité pour le montage/démontage et à un cheminement des câbles de puissance avec d'importants rayons de courbure et des servitudes comme le refroidissement.
Il existe donc un besoin actuel pour une solution fiable et à durée de vie importante de transfert de puissance d'un repère fixe vers un repère tournant applicable à des arbres de rotation de grand diamètre et dans le respect des contraintes d'un équipement remplaçable en ligne sous aile (LRU : Line Replaceable Unit).
Exposé de l'invention
La présente invention a donc pour but principal un transformateur tournant de grand diamètre, segmenté en quartiers, dont la maintenance est facilitée et n'interfère pas avec les autres systèmes et modules de la turbomachine de l'aéronef et ce malgré son installation dans une zone confinée, contrainte et difficile d'accès. Un autre but est de proposer un transformateur permettant un contrôle simplifié mais robuste. Encore un autre but est de permettre une industrialisation de ce transformateur tournant à moindre coût, tout en limitant les rebuts de matériaux à la fabrication.
Ces buts sont atteints par un transformateur tournant destiné à être installé autour d’un arbre mobile en rotation, le transformateur tournant étant constitué d’une pluralité de secteurs annulaires externes de stator et d’une pluralité de secteurs annulaires internes de rotor, la juxtaposition sur 360° de ces secteurs annulaires externes de stator et internes de rotor formant un anneau externe de stator et un anneau interne de rotor constitués d'un ensemble de circuits magnétiques stator et rotor élémentaires, chacun des circuits magnétiques stator élémentaires comportant un noyau magnétique externe et un premier bobinage électrique et chacun des circuits magnétiques rotor élémentaires comportant un noyau magnétique interne et un second bobinage électrique pour permettre un transfert d'énergie électrique par induction électromagnétique entre les anneaux externe de stator et interne de rotor, les noyaux magnétiques internes et externes étant montés concentriquement et séparés par deux entrefers présents de part et d'autre du noyau magnétique interne, les noyaux magnétiques externes présentent chacun une forme de griffe en C et les noyaux magnétiques internes présentent chacun une forme de barre en I et en ce que les noyaux magnétiques externes et/ou les noyaux magnétiques internes présentent au niveau de chacun des entrefers des épanouissements annulaires réalisés par la découpe en secteurs adjacents d'un anneau circulaire magnétique formé d'un empilement radial de tôles circulaires.
Ainsi, avec ce transfert de puissance sans contact, une amélioration de la fiabilité, de la durée de vie et du coût d'exploitation du transformateur est obtenu. De plus, une meilleure accessibilité au transformateur est possible facilitant son intégration dans les systèmes et modules de la turbomachine de l'aéronef. Un tel transformateur tournant est avantageusement utilisé pour le dégivrage électrique des pales d'hélice d'une turbomachine d'aéronef.
De préférence, les noyaux magnétiques internes et externes sont formés d'un empilement radial de tôles enroulées d'un matériau magnétique de type amorphe ou nanocristallin ou d'un bloc de poudre magnétique constitué de poudre d'Amorphe.
Selon le mode de réalisation envisagé, pour permettre l'insertion du noyau magnétique interne dans le noyau magnétique externe et la création des entrefers de part et d'autre du noyau magnétique interne, le noyau magnétique externe en forme de C est issu de la découpe à la dimension du noyau magnétique interne, des épanouissements annulaires et des entrefers, soit d'un élément magnétique standard de forme oblongue constituée d'un empilement radial de tôles enroulées.
De préférence, le nombre des secteurs annulaires au stator est ou non identique au nombre des secteurs annulaires au rotor et le nombre des noyaux magnétiques externes par secteur annulaire externe de stator est ou non identique au nombre des noyaux magnétiques internes par secteur annulaire interne de rotor. Avantageusement, le bobinage au stator qui peut être filaire ou en rubans est soit un bobinage concentrique autour de chaque noyau magnétique externe soit un bobinage unique entourant tous les noyaux magnétiques externe d'un secteur annulaire déterminé et le bobinage au rotor qui peut être filaire ou en rubans est soit un bobinage concentrique autour de chaque noyau magnétique interne soit un bobinage unique entourant tous les noyaux magnétiques interne d'un secteur annulaire déterminé.
De préférence, les épanouissements annulaires comportent des encoches pour faciliter leur assemblage sur les noyaux magnétiques internes ou externes.
Avantageusement, les secteurs annulaires externes de stator sont identiques et interchangeables entre eux et/ou les secteurs annulaires internes de rotor sont identiques et interchangeables entre eux.
De préférence, les secteurs annulaires externes de stator sont interconnectés entre eux électriquement par des pièces d'interconnexions souples accessibles au montage/démontage au travers de trappes d'accès circonférentielles et/ou les secteurs annulaires internes de rotor sont interconnectés entre eux électriquement par des pièces d'interconnexions souples accessibles au montage/démontage au travers des trappes d'accès circonférentielles. Il est important de noter que ces pièces d'interconnexions électriques tant au stator qu'au rotor doivent être souples (type tresses ou équivalent) et non mécaniquement structurales pour limiter (voire éviter) la transmission d'efforts mécanique entre secteurs adjacents.
Brève description des dessins
D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront mieux de la description faite ci-dessous, en référence aux dessins annexés qui en illustrent des exemples de réalisation dépourvus de tout caractère limitatif et sur lesquels :
[Fig. 1] la figure 1 illustre une partie d'une turbomachine d'aéronef intégrant un transformateur tournant conforme à l'invention, [Fig. 2] la figure 2 montre un quartier du transformateur tournant de la figure 1, [Fig. 3A-3B] les figures 3A et 3B montrent un exemple de réalisation d'un noyau magnétique externe de stator composant le quartier de transformateur tournant de la figure 2,
[Fig. 4A] la figure 4A montre un segment du quartier de stator composant le quartier de transformateur tournant de la figure 2,
[Fig. 4B] la figure 4B montre un segment du quartier de rotor composant le quartier de transformateur tournant de la figure 2,
[Fig. 5] la figure 5 illustre un premier exemple de segment de quartier de transformateur tournant selon l'invention,
[Fig. 6] la figure 6 illustre un deuxième exemple de segment de quartier de transformateur tournant selon l'invention,
[Fig. 7] la figure 7 montre un troisième exemple de segment de quartier de transformateur tournant selon l'invention, et
[Fig. 8] la figure 8 montre un quatrième exemple de segment de quartier de transformateur tournant selon l'invention.
Description des modes de réalisation
Le principe de l'invention mis en oeuvre est basé sur une segmentation du transformateur tournant, au stator (dit primaire) comme au rotor (dit secondaire), en plusieurs secteurs annulaires ou quartiers ayant chacun une masse et un temps de remplacement compatible avec une opération de maintenance au sol limitant le temps d'immobilisation de l'avion, de sorte que les interventions de maintenance et de remplacement (montage /démontage) sont facilitées et peuvent être réalisées par un outillage classique à travers de trappes d'accès dédiées, sans avoir à démonter ni à interférer avec les autres parties de la turbomachine de l'aéronef. Pour ce faire, les secteurs annulaires de stator sont identiques et interchangeables entre eux et les secteurs annulaires de rotor sont identiques et interchangeables entre eux. Le transfert de puissance entre le stator et le rotor se fait par induction électromagnétique et sans contact. Le stator est alimenté par une électronique dédiée (onduleur monophasé résonant ou non) fonctionnant de préférence à des fréquences élevées (plusieurs dizaines de kilohertz), sans que cela ne soit limitatif.
Comme le montre la figure 1 qui est une partie de turbomachine d'aéronef, le transformateur tournant 10 selon l'invention est monté entre un arbre de transmission 12 mobile en rotation formant une partie tournante de la turbomachine et un carter 14 formant une partie fixe de la turbomachine, muni de trappes d'accès circonférentielles 14A au travers desquelles chacun des quartiers ou secteurs annulaires du transformateur tournant 10 peut être installé ou aisément retiré pour réparation ou maintenance puis réinstallé une fois ces interventions de remplacement effectuées.
La figure 2 illustre plus précisément un exemple d'un secteur annulaire ou quartier 20 du transformateur tournant 10 (qui dans l'exemple illustré comporte une seule voie mais deux voies redondantes axialement décalées seraient aussi possibles) constitué d'un quartier de stator fixe 22 solidaire du carter et d'un quartier de rotor tournant 24 solidaire de l'arbre de transmission, le quartier de rotor étant monté concentriquement (inséré) dans le quartier de stator pour former le quartier de transformateur en conservant un jeu mécanique axial de part et d'autre du quartier de rotor. Le transformateur tournant formé par la juxtaposition sur 360° de plusieurs quartiers 20 présente un grand diamètre, de l'ordre du mètre et plus, qui permet au rotor de recevoir un arbre de transmission également de grand diamètre, comme un arbre d'hélice.
Selon l'invention, la juxtaposition sur 360° de ces différents secteurs annulaires au stator et au rotor forment un anneau externe de stator et un anneau interne de rotor constitués d'une pluralité de circuits magnétiques stator et rotor élémentaires monophasés comportant respectivement un noyau magnétique statorique 30 et un premier bobinage électrique (primaire 32) et un noyau magnétique rotorique 34 et un second bobinage électrique (secondaire 36), les noyaux magnétiques statorique et rotorique étant séparés par deux entrefers el et e2 présents de part et d'autre du noyau magnétique rotorique (voir la figure 5) et les secteurs pouvant être interconnectés électriquement en série ou en parallèle pour la transmission d'énergie électrique par induction électromagnétique entre les premier et second bobinages électriques de ces circuits magnétiques élémentaires de stator et de rotor. Comme indiqué précédemment, tant au stator qu'au rotor, les secteurs annulaires sont identiques et interchangeables entre eux. Par contre, le nombre de ces circuits magnétiques élémentaires par secteur annulaire n'est pas forcément identique au stator et au rotor (par exemple quatre au stator et six au rotor comme illustré), le choix du nombre de circuits magnétiques au stator et au rotor étant guidé par des considérations de conception et d'optimisation de performances de transfert. Comme pour les nombres des circuits magnétiques au stator et rotor qui peuvent être différents, le nombre de secteurs au stator peut également être différent du nombre de secteurs au rotor.
Un secteur annulaire au stator ou au rotor est conçu comme un LRU (Line Replaceable Unit) démontable et remplaçable sous aile au travers de trappes d'accès circonférentielles dédiées 14A. Ils sont interconnectés entre eux électriquement par des pièces d'interconnexions souples (non référencées) également accessibles au montage/démontage au travers des trappes d'accès circonférentielles 14A.
Le type de matériau utilisé pour le noyau magnétique ou les épanouissements pourra être différent au stator et au rotor (par exemple enroulement ou empilement de tôles de type FeNi, ou un autre matériau comme le FeSi ou le FeCo, au stator et bloc de poudre au rotor). Mais un noyau magnétique en tôle enroulée de type amorphe ou nanocristallin ou sous forme de bloc de poudre de tout autre matériau magnétique adapté (par exemple en poudre d'Amorphe) est envisagé de préférence. L'usage de matériaux de type Amorphe ou Nanocristallin permet de réduire la taille et la masse du transformateur ainsi que ses pertes.
Différentes topologies sont envisageables pour chaque circuit magnétique élémentaire au stator et au rotor permettant la réalisation du transformateur tournant selon l'invention. Ces topologies ont toutes en commun le fait que les noyaux magnétiques statoriques (ou externe de stator 30) et/ou les noyaux magnétiques rotoriques (ou interne de rotor 34) présentent au niveau de chacun des entrefers des épanouissements 30A, 30B ; 34A, 34B réalisés de façon économique avec des formes magnétiques standards sans gaspillage de matériaux à la découpe. Les épanouissements ont pour but d'éviter une discontinuité des lignes de champs magnétiques pendant la rotation, améliorant de ce fait l'efficacité du transfert et une simplification de la gestion du mode résonant par un contrôle simplifié indépendant de la rotation (variations limitées des paramètres du transformateur selon la position angulaire).
Ainsi, et comme le montrent les figures 3A et 3B, le noyau magnétique du stator 30 est obtenu à partir d'un assemblage de deux éléments : un élément magnétique standard 40 en forme de C (plus connu sous le sigle C-core) issu d'une découpe d'un empilement radial de tôles enroulées 42 autour d'un axe commun, et un épanouissement annulaire 44 issu de la découpe d'un anneau circulaire magnétique 46 fait d'un empilement radial de tôles circulaires prédéfini au bon diamètre. L'anneau circulaire est découpé en un nombre déterminé de secteurs annulaires prévus pour constituer le transformateur complet.
De même, le noyau magnétique du rotor 34 est obtenu à partir d'un assemblage de deux éléments : un élément magnétique standard 48 en forme de I (une simple barre visible sur la figure 8) et le même épanouissement annulaire 44 issu de la découpe du même anneau circulaire 46 fait d'un empilement radial de tôles circulaires prédéfini au bon diamètre sur le même principe que le stator.
Pour faciliter, au stator comme au rotor, l'assemblage des épanouissements sur les C-core et les formes en I, ceux-ci peuvent être pourvus d'encoches 44a, 44b, 44c, 44d. Dans le cas où la découpe d'encoches ne serait pas réalisable (cas d'un matériau comme l'Amorphe), l'usage par exemple de FeNi pour les épanouissements peut alors être envisagé.
Comme le montrent les figures 4A et 4B, le bobinage au stator est un bobinage concentrique 50 autour de chaque C-core. De même, le bobinage au rotor est un bobinage concentrique 52 autour de chaque élément en I. Les bobinages peuvent être filaires ou en rubans selon les différentes contraintes d'intégration et de performances à respecter.
Les bobines du stator au niveau d'un secteur annulaire sont interconnectées entre elles en série. Les secteurs annulaires sont également interconnectés entre eux en série pour former le bobinage primaire du transformateur complet. Le même principe d'interconnexion entre secteurs et dans chaque secteur est mis en oeuvre pour le rotor.
Sur la figure 4A, les noyaux magnétiques du stator 40 comportent des épanouissements annulaires 44 à chacune de leurs deux extrémités mais une configuration sans épanouissements est aussi possible, comme il sera montré plus avant en référence à la figure 7. De même, sur la figure 4B, les noyaux magnétiques du rotor 48 comportent des épanouissements annulaires 44 à chacune de leurs deux extrémités mais une configuration sans épanouissements est aussi possible, comme il sera montré plus avant en référence à la figure 6.
L'ensemble des pièces sont assemblées et maintenues par des pièces mécaniques adaptées (non représentées).
La figure 5 illustre un premier exemple d'un segment (une partie comportant deux noyaux magnétiques de stator) d'un quartier de transformateur dans lequel les noyaux magnétiques du stator 40 et les noyaux magnétiques du rotor 48 comportent chacun des épanouissements annulaires 44, les entrefers el et e2 se trouvant entre ces épanouissements annulaires au stator et au rotor. Le bobinage au stator est formé des bobines concentriques 50 autour de chaque élément en griffe de type C- core et le bobinage au rotor est formé des bobines concentriques 52 autour de chaque élément en I.
La figure 6 illustre un deuxième exemple d'un segment (une partie comportant deux noyaux magnétiques de stator) d'un quartier de transformateur dans lequel seuls les noyaux magnétiques du stator 40 comportent chacun des épanouissements annulaires 44 (munis d'encoches dans cet exemple), les entrefers el et e2 se trouvant alors entre ces épanouissements annulaires du stator et les noyaux magnétiques du rotor 48. Les bobinages au stator sont des bobinages concentriques
50 autour de chaque élément C-core et les bobinages au rotor sont des bobinages concentriques 52 autour de chaque élément en I.
La figure 7 illustre un troisième exemple d'un segment (une partie comportant deux noyaux magnétiques de stator) d'un quartier de transformateur dans lequel seuls les noyaux magnétiques du rotor 48 comportent chacun des épanouissements annulaires 44, les entrefers el et e2 se trouvant alors entre ces épanouissements annulaires du rotor et les noyaux magnétiques du stator 40. Les bobinages au stator sont des bobinages concentriques 50 autour de chaque élément C-core et les bobinages au rotor sont des bobinages concentriques 52 autour de chaque élément en I.
La figure 8 illustre un quatrième exemple d'un segment (une partie comportant deux noyaux magnétiques de stator) d'un quartier de transformateur dans lequel les noyaux magnétiques du stator 40 et les noyaux magnétiques du rotor 48 comportent chacun des épanouissements annulaires 44, les entrefers el et e2 se trouvant entre ces épanouissements annulaires au stator et au rotor. Toutefois, au contraire des exemples précédents, les bobinages au stator sont formés d'un unique bobinage 54 entourant tous les éléments C-core d'un secteur annulaire déterminé de transformateur et les bobinages au rotor sont formés d'un unique bobinage 56 entourant tous les éléments en I du même secteur annulaire déterminé de transformateur.
51 à titre d'application, il a été fait référence au dégivrage des pales d'hélice d'une turbomachine d'aéronef, parmi les autres applications possibles, notamment dans l’industrie aéronautique, qui peuvent tirer profit de l’utilisation de transformateurs tournants, on peut citer, la remontée d'informations de capteurs de couple pour le calage variable d’aubes dans les avions et le calage du pas d’hélice dans les hélicoptères, par exemple. Pour de telles applications, la suppression du collecteur à balais frottant classique et son remplacement par un transformateur tournant sont avantageux car il permet de fiabiliser le matériel en supprimant le risque de panne créée par l’usure fréquente des balais. Ainsi, l'invention présente notamment les avantages suivants :
. une amélioration de la fiabilité et de la durée de vie du système de dégivrage par une solution de transfert sans contact,
. un coût d'exploitation du système réduit à travers l'amélioration de sa fiabilité et de son accessibilité (amélioration du temps de remplacement de l'équipement),
. une intégration facilitée du système de dégivrage sur la turbomachine.

Claims

Revendications
[Revendication 1] Transformateur tournant (10) destiné à être installé autour d'un arbre mobile en rotation (12), le transformateur tournant étant constitué d'une pluralité de secteurs annulaires externes de stator (22) et d'une pluralité de secteurs annulaires internes de rotor (24), la juxtaposition sur 360° de ces secteurs annulaires externes de stator et internes de rotor formant un anneau externe de stator et un anneau interne de rotor constitués de circuits magnétiques stator et rotor élémentaires, les secteurs annulaires internes de rotor étant insérés axialement dans les secteurs annulaires externes de stator, chacun des circuits magnétiques stator élémentaires comportant un noyau magnétique externe (30 ; 40) et un premier bobinage électrique (32 ; 50, 54) et chacun des circuits magnétiques rotor élémentaires comportant un noyau magnétique interne (34 ; 48) et un second bobinage électrique (36 ; 52, 56) pour permettre un transfert d'énergie électrique par induction électromagnétique entre les anneaux externe de stator et interne de rotor, les noyaux magnétiques internes et externes étant montés concentriquement et séparés par deux entrefers axiaux el et e2 présents de part et d'autre du noyau magnétique interne (48), caractérisé en ce que les noyaux magnétiques externes (40) présentent chacun une forme de griffe en C et les noyaux magnétiques internes (48) présentent chacun une forme de barre en I et en ce que les noyaux magnétiques externes (40) et/ou les noyaux magnétiques internes (48) présentent au niveau de chacun des entrefers des épanouissements annulaires (44) réalisés par la découpe en secteurs adjacents d'un anneau circulaire magnétique (46) formé d'un empilement radial de tôles circulaires.
[Revendication 2] Transformateur tournant selon la revendication 1, dans lequel les noyaux magnétiques interne et externe (30, 40 ; 34, 48) sont formés d'un empilement radial de tôles enroulées d'un matériau magnétique de type amorphe ou nanocristallin ou d'un bloc de poudre magnétique constitué de poudre d'Amorphe.
[Revendication 3] Transformateur tournant selon la revendication 1 ou la revendication 2, dans lequel pour permettre l'insertion du noyau magnétique interne dans le noyau magnétique externe et la création des entrefers de part et d'autre du noyau magnétique interne, le noyau magnétique externe en forme de C (40) est issu de la découpe à la dimension du noyau magnétique interne, des épanouissements annulaires et des entrefers, d'un élément magnétique standard de forme oblongue (42) constituée d'un empilement radial de tôles enroulées.
[Revendication 4] Transformateur tournant selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel le nombre des secteurs annulaires au stator est ou non identique au nombre des secteurs annulaires au rotor.
[Revendication 5] Transformateur tournant selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel le nombre des noyaux magnétiques externes par secteur annulaire externe de stator est ou non identique au nombre des noyaux magnétiques internes par secteur annulaire interne de rotor.
[Revendication 6] Transformateur tournant selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel les épanouissements annulaires comportent des encoches (44a, 44b, 44c, 44d) pour faciliter leur assemblage sur les noyaux magnétiques internes ou externes.
[Revendication 7] Transformateur tournant selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel le bobinage au stator qui peut être filaire ou en rubans est soit un bobinage concentrique autour de chaque noyau magnétique externe soit un bobinage unique (54) entourant tous les noyaux magnétiques externe d'un secteur annulaire déterminé et le bobinage au rotor qui peut être filaire ou en rubans est soit un bobinage concentrique autour de chaque noyau magnétique interne soit un bobinage unique (56) entourant tous les noyaux magnétiques interne d'un secteur annulaire déterminé.
[Revendication 8] Transformateur tournant selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel les secteurs annulaires externes de stator sont identiques et interchangeables entre eux et/ou les secteurs annulaires internes de rotor sont identiques et interchangeables entre eux.
[Revendication 9] Transformateur tournant selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel les secteurs annulaires externes de stator sont interconnectés entre eux électriquement par des pièces d'interconnexions souples accessibles au montage/démontage au travers de trappes d'accès circonférentielles (14A) et/ou les secteurs annulaires internes de rotor sont interconnectés entre eux électriquement par des pièces d'interconnexions souples accessibles au montage/démontage au travers de trappes d'accès circonférentielles (14A).
[Revendication 10] Utilisation d'un transformateur tournant selon l'une quelconque des revendications 1 à 9 pour le dégivrage électrique des pales d'hélice d'une turbomachine d'aéronef.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2010081654A1 (fr) * 2009-01-14 2010-07-22 Rolls-Royce Plc Transformateur rotatif
FR2953321A1 (fr) * 2009-11-30 2011-06-03 Hispano Suiza Sa Transformateur tournant a installation facilitee

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