FR3118350A1 - Conical type permanent magnet electric generator for aircraft - Google Patents

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Abstract

Une génératrice électrique à aimants permanents (G) pour aéronef, la génératrice électrique (G) étant du type conique et comportant un organe de stator (S) et un organe de rotor (R) configuré pour être entrainé par une turbomachine de l’aéronef en rotation autour d’un axe (X) afin de générer de l’énergie électrique par couplage magnétique, l’organe de rotor (R) étant monté mobile en translation selon ledit axe (X), la génératrice électrique (G) comprenant une butée avant (6), une butée arrière (7) et au moins un ressort (5), monté entre la butée avant (6) et l’organe de rotor (R), configuré pour contraindre l’organe de rotor (R) vers la butée arrière (7) selon l’axe (X) de manière à écarter l’organe de rotor (R) de l’organe de stator (S). Figure de l’abrégé : Figure 2A permanent magnet electric generator (G) for an aircraft, the electric generator (G) being of the conical type and comprising a stator member (S) and a rotor member (R) configured to be driven by a turbomachine of the aircraft in rotation about an axis (X) in order to generate electrical energy by magnetic coupling, the rotor member (R) being mounted to move in translation along said axis (X), the electrical generator (G) comprising a front stopper (6), a rear stopper (7) and at least one spring (5), mounted between the front stopper (6) and the rotor member (R), configured to constrain the rotor member (R) towards the rear stop (7) along the axis (X) so as to separate the rotor member (R) from the stator member (S). Figure of the abstract: Figure 2

Description

Génératrice électrique à aimants permanents du type conique pour aéronefConical type permanent magnet electric generator for aircraft

La présente invention concerne le domaine des génératrices électriques embarquées dans un aéronef pour alimenter un réseau de distribution électrique d’un aéronef.The present invention relates to the field of electrical generators on board an aircraft to supply an electrical distribution network of an aircraft.

De manière connue, un aéronef comporte une ou plusieurs génératrices électriques pour générer de l’énergie électrique. En pratique, une génératrice électrique comporte un organe de rotor coopérant magnétiquement avec un organe de stator de manière à générer un courant électrique suite à l’entrainement de l’organe de rotor par une turbomachine de l’aéronef.In known manner, an aircraft comprises one or more electrical generators to generate electrical energy. In practice, an electric generator comprises a rotor member cooperating magnetically with a stator member so as to generate an electric current following the drive of the rotor member by a turbomachine of the aircraft.

Dans l’art antérieur, pour alimenter un réseau de distribution électrique d’un aéronef, il est connu d’utiliser une génératrice électrique synchrone à excitation bobinée permettant de réguler la tension d’alimentation générée et aussi d’assurer la désexcitation. En général, une génératrice électrique synchrone à excitation bobinée possède un encombrement important, ce qui présente un inconvénient pour une application embarquée. Par ailleurs, une génératrice électrique synchrone à excitation bobinée possède des performances magnétiques inférieures à une génératrice à aimants permanents. Par contre, une génératrice à aimants permanents ne permet pas de réguler directement la tension générée ou d’assurer une désexcitation de manière optimale, ce qui est un inconvénient à son utilisation dans un aéronef.In the prior art, to supply an electrical distribution network of an aircraft, it is known to use a synchronous electric generator with wound excitation making it possible to regulate the supply voltage generated and also to provide de-excitation. In general, a synchronous electric generator with wound excitation has a large bulk, which presents a drawback for an on-board application. Furthermore, a synchronous electrical generator with wound excitation has lower magnetic performance than a generator with permanent magnets. On the other hand, a permanent magnet generator does not make it possible to directly regulate the voltage generated or to ensure optimal de-excitation, which is a drawback to its use in an aircraft.

De manière incidente, en référence à la , il est connu par la demande de brevet US9825510B2 une machine électrique M_AA du type conique comportant un organe de stator S_AA et un organe de rotor R_AA, rotatif selon un axe X_AA, de manière à ménager entre eux un entrefer de forme conique. Un système de contrôle C permet de définir les courants de commande qui circulent dans l’organe de stator S_AA afin de contrôler le couple de l’organe de rotor R_AA. Lorsque le flux magnétique devient trop important dans la machine électrique M_AA, il est connu de prévoir un actionneur extérieur AE, relié à l’organe de rotor R_AA de la machine électrique M_AA, qui est configuré pour déplacer l’organe de rotor R_AA selon l’axe X_AA par rapport à l’organe de stator S_AA de manière à les écarter et stopper le couplage magnétique. L’intégration d’un tel actionneur extérieur augmente le coût, l’encombrement et la masse d’une machine électrique M_AA, ce qui présente un inconvénient.Incidentally, with reference to the , patent application US9825510B2 discloses an electric machine M_AA of the conical type comprising a stator member S_AA and a rotor member R_AA, rotatable along an axis X_AA, so as to form a conical air gap between them. A control system C makes it possible to define the control currents which circulate in the stator member S_AA in order to control the torque of the rotor member R_AA. When the magnetic flux becomes too high in the electric machine M_AA, it is known to provide an external actuator AE, connected to the rotor member R_AA of the electric machine M_AA, which is configured to move the rotor member R_AA according to the axis X_AA with respect to the stator member S_AA so as to separate them and stop the magnetic coupling. The integration of such an external actuator increases the cost, the size and the mass of an electric machine M_AA, which has a drawback.

Le but de la présente invention est de proposer une génératrice électrique à aimants permanents permettant de réguler de manière optimale la tension d’alimentation et qui puisse être désexcitée et découplée de manière pratique.The object of the present invention is to propose an electric generator with permanent magnets which makes it possible to regulate the supply voltage in an optimal manner and which can be de-energized and decoupled in a practical manner.

PRESENTATION DE L’INVENTIONPRESENTATION OF THE INVENTION

L’invention concerne une génératrice électrique à aimants permanents pour aéronef, la génératrice électrique étant du type conique et comporte un organe de stator et un organe de rotor configuré pour être entrainé par une turbomachine de l’aéronef en rotation autour d’un axe par rapport à l’organe de stator afin de générer de l’énergie électrique par couplage magnétique, l’organe de rotor comprenant selon l’axe une extrémité avant et une extrémité arrière dont la section est plus grande que l’extrémité avant, l’organe de rotor étant monté mobile en translation selon ledit axe, la génératrice électrique comprenant une butée avant, une butée arrière et au moins un ressort monté entre la butée avant et l’organe de rotor et configuré pour contraindre l’organe de rotor vers la butée arrière selon l’axe de manière à écarter l’organe de rotor de l’organe de stator.The invention relates to a permanent magnet electric generator for an aircraft, the electric generator being of the conical type and comprising a stator member and a rotor member configured to be driven by a turbomachine of the aircraft in rotation about an axis by relative to the stator member in order to generate electrical energy by magnetic coupling, the rotor member comprising, along the axis, a front end and a rear end whose section is larger than the front end, the rotor member being mounted to move in translation along said axis, the electric generator comprising a front stop, a rear stop and at least one spring mounted between the front stop and the rotor member and configured to force the rotor member towards the rear stop along the axis so as to separate the rotor member from the stator member.

La génératrice à aimants permanents selon l’invention permet de réaliser une régulation de la tension d’alimentation et une désexcitation de la génératrice en agissant sur la position axiale du rotor dont l’équilibre dépend des forces exercées par le ressort, les aimants et les courants circulant dans l’organe de stator. Grâce à l’invention, on peut former une génératrice électrique à aimants permanents ayant des fonctions analogues à une génératrice synchrone à excitation bobinée tout en ayant un rendement plus élevé.The permanent magnet generator according to the invention makes it possible to regulate the supply voltage and de-energize the generator by acting on the axial position of the rotor, the balance of which depends on the forces exerted by the spring, the magnets and the currents circulating in the stator member. Thanks to the invention, it is possible to form an electric generator with permanent magnets having functions similar to a synchronous generator with wound excitation while having a higher efficiency.

De préférence, l’organe de rotor comporte un corps principal conique et des aimants permanents montés à la périphérie du corps principal conique.Preferably, the rotor member comprises a conical main body and permanent magnets mounted at the periphery of the conical main body.

De manière préférée, l’organe de rotor est mobile selon l’axe entre une position d’utilisation dans laquelle l’organe de rotor est positionné en vis-à-vis de l’organe de stator et une position de repos dans laquelle l’organe de rotor est décalé vers l’arrière par rapport à l’organe de stator contre la butée arrière. Ainsi, en position de repos, le couplage magnétique est plus faible par comparaison à la position d’utilisation. De préférence, un entrefer étant défini entre l’organe de rotor et l’organe de stator, l’entrefer possède une épaisseur maximale lorsque l’organe de rotor est en position de repos.Preferably, the rotor member is movable along the axis between a position of use in which the rotor member is positioned vis-à-vis the stator member and a rest position in which the 'rotor member is offset rearward relative to the stator member against the rear stop. Thus, in the rest position, the magnetic coupling is weaker compared to the position of use. Preferably, an air gap being defined between the rotor member and the stator member, the air gap has a maximum thickness when the rotor member is in the rest position.

De préférence, le ressort est configuré pour exercer une force de rappel sur l’organe de rotor qui est supérieure à la force d’attraction axiale des aimants permanents de l’organe de rotor en position de repos. Ainsi, lorsqu’aucun courant de magnétisation ne circule dans l’organe de stator, l’organe de rotor est contraint en position de repos par le ressort qui s’oppose à la force d’attraction axiale des aimants permanents. Cette position de repos peut être utilisée comme une mise en sécurité de la génératrice afin de diminuer ou annuler la tension délivrée ou encore activer un mécanisme de déconnexion mécanique.Preferably, the spring is configured to exert a restoring force on the rotor member which is greater than the axial attraction force of the permanent magnets of the rotor member in the rest position. Thus, when no magnetizing current flows through the stator member, the rotor member is forced into the rest position by the spring which opposes the axial attraction force of the permanent magnets. This rest position can be used as a generator safety in order to reduce or cancel the voltage delivered or even activate a mechanical disconnection mechanism.

Selon un aspect de l’invention, la génératrice électrique comprend un organe de déconnexion configuré pour déconnecter l’organe de rotor de la turbomachine d’aéronef. Ainsi, l’organe de rotor n’est plus entrainé en rotation, ce qui améliore la sécurité de fonctionnement.According to one aspect of the invention, the electric generator comprises a disconnection member configured to disconnect the rotor member from the aircraft turbine engine. Thus, the rotor member is no longer driven in rotation, which improves operating safety.

De préférence, l’organe de déconnexion est configuré pour être activé par un déplacement axial de l’organe de rotor. Ainsi, l’activation est pratique et ne requiert pas d’équipement dédié comme dans l’art antérieur.Preferably, the disconnect member is configured to be activated by axial movement of the rotor member. Thus, activation is convenient and does not require dedicated equipment as in the prior art.

L’invention concerne également un ensemble d’une génératrice électrique à aimants permanents telle que présentée précédemment et d’un système de contrôle de ladite génératrice électrique, le système de contrôle étant configuré pour faire circuler un courant de magnétisation dans l’organe de stator de manière à modifier la position axiale de l’organe de rotor. Ainsi, le système de contrôle permet de contrôler entièrement la génératrice sans recourir à d’autres équipements.The invention also relates to an assembly of an electric generator with permanent magnets as presented previously and of a control system for said electric generator, the control system being configured to cause a magnetization current to circulate in the stator member so as to modify the axial position of the rotor member. Thus, the control system allows full control of the generator without the need for other equipment.

De préférence, le système de contrôle est configuré pour prélever de la puissance électrique à l’organe de stator de manière à alimenter un réseau de distribution électrique d’un aéronef.Preferably, the control system is configured to draw electrical power from the stator member so as to supply an electrical distribution network of an aircraft.

L’invention concerne en outre un aéronef comprenant au moins une turbomachine et un ensemble tel que présenté précédemment dans lequel l’organe de rotor de la génératrice électrique à aimants permanents est relié à la turbomachine.The invention further relates to an aircraft comprising at least one turbomachine and an assembly as presented above in which the rotor member of the permanent magnet electric generator is connected to the turbomachine.

L’invention concerne aussi un procédé de commande d’une génératrice électrique à aimants permanents d’un ensemble tel que présenté précédemment, la génératrice électrique alimentant un réseau de distribution électrique d’un aéronef selon une tension d’alimentation, le procédé comprenant une étape de régulation du courant de magnétisation dans l’organe de stator de manière à modifier la position axiale de l’organe de rotor afin de réguler la tension d’alimentation.The invention also relates to a method for controlling a permanent magnet electric generator of an assembly as presented previously, the electric generator supplying an electrical distribution network of an aircraft according to a supply voltage, the method comprising a step of regulating the magnetization current in the stator member so as to modify the axial position of the rotor member in order to regulate the supply voltage.

PRESENTATION DES FIGURESPRESENTATION OF FIGURES

L’invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre d’exemple, et se référant aux figures suivantes, données à titre d’exemples non limitatifs, dans lesquelles des références identiques sont données à des objets semblables.The invention will be better understood on reading the following description, given by way of example, and referring to the following figures, given by way of non-limiting examples, in which identical references are given to similar objects. .

La est une représentation schématique d’une machine électrique conique avec un actionneur externe selon l’art antérieur.There is a schematic representation of a conical electric machine with an external actuator according to the prior art.

La est une représentation schématique en coupe longitudinale d’une génératrice électrique à aimants permanents selon une forme de réalisation de l’invention.There is a schematic representation in longitudinal section of a permanent magnet electric generator according to one embodiment of the invention.

La est une représentation schématique vue de face de la génératrice électrique.There is a front view schematic representation of the electric generator.

La est une représentation schématique des forces qui s’exercent sur l’organe de rotor.There is a schematic representation of the forces acting on the rotor member.

La est une représentation schématique en coupe de la génératrice électrique en configuration de repos.There is a schematic sectional representation of the electric generator in rest configuration.

La est une représentation schématique en coupe de la génératrice électrique en configuration d’utilisation.There is a schematic sectional representation of the electric generator in the configuration of use.

La est une représentation schématique en coupe de la génératrice électrique au cours d’une étape de désexcitation.There is a schematic sectional representation of the electric generator during a de-excitation step.

La est une représentation schématique en coupe de la génératrice électrique au cours d’une étape de déconnexion.There is a schematic sectional representation of the electric generator during a disconnection step.

Il faut noter que les figures exposent l’invention de manière détaillée pour mettre en œuvre l’invention, lesdites figures pouvant bien entendu servir à mieux définir l’invention le cas échéant.It should be noted that the figures expose the invention in detail to implement the invention, said figures can of course be used to better define the invention if necessary.

DESCRIPTION DETAILLEE DE L’INVENTIONDETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

En référence à la , l’invention concerne une génératrice électrique G à aimants permanents pour un aéronef, la génératrice électrique G est du type conique et comporte un organe de rotor R configuré pour être entrainé en rotation autour d’un axe X par rapport à un organe de stator S afin de générer de l’énergie électrique par couplage magnétique entre l’organe de rotor R et l’organe de stator S.With reference to the , the invention relates to an electric generator G with permanent magnets for an aircraft, the electric generator G is of the conical type and comprises a rotor member R configured to be driven in rotation about an axis X with respect to a stator member S in order to generate electrical energy by magnetic coupling between the rotor member R and the stator member S.

L’organe de rotor R comprend une extrémité avant et une extrémité arrière dont la section est plus grande que l’extrémité avant. L’axe X est ainsi orienté d’arrière vers l’avant sur la .The rotor member R comprises a front end and a rear end whose section is larger than the front end. The X axis is thus oriented from back to front on the .

L’organe de stator S et l’organe de rotor R sont de formes coniques de manière à définir entre eux un entrefer conique ENT qui comporte une épaisseur g et une longueur L. Dans cet exemple, en référence à la , l’organe de rotor R possède un angle conique γ, défini entre l’axe X et l’axe de cône Xc. L’organe de stator S possède, de préférence, le même angle conique γ de manière à former un entrefer ENT qui possède une épaisseur constante g (pour une position axiale donnée de l’organe de rotor R comme cela sera présenté par la suite) qui est définie normalement à la surface du cône dont l’organe de rotor R a la forme comme illustré à la . L’angle conique γ est déterminé en fonction des critères de dimensionnement pour une application donnée, tels que la force du ressort, la force d’attraction axiale des aimants permanents, le déplacement axial souhaité et autres critères. La longueur L est définie selon l’axe de cône Xc et correspond à la longueur en vis-à-vis entre l’organe de rotor R et l’organe de stator S. En référence à la , l’organe de rotor R et l’organe de stator S sont entièrement en vis-à-vis et la longueur d’entrefer L correspond à la longueur conique de l’organe de rotor R.The stator member S and the rotor member R are of conical shapes so as to define between them a conical air gap ENT which has a thickness g and a length L. In this example, with reference to the , the rotor member R has a conical angle γ, defined between the axis X and the cone axis Xc. The stator member S preferably has the same conical angle γ so as to form an air gap ENT which has a constant thickness g (for a given axial position of the rotor member R as will be presented later) which is defined normally on the surface of the cone whose rotor member R has the shape as illustrated in . The conical angle γ is determined according to the dimensioning criteria for a given application, such as the force of the spring, the axial attraction force of the permanent magnets, the desired axial displacement and other criteria. The length L is defined along the axis of the cone Xc and corresponds to the length facing each other between the rotor member R and the stator member S. With reference to the , the rotor member R and the stator member S are entirely opposite each other and the air gap length L corresponds to the conical length of the rotor member R.

En référence à la , l’organe de rotor R est monté sur un arbre 4 s’étendant selon l’axe X. L’organe de rotor R comporte un corps principal conique 2 solidaire de l’arbre 4 et des aimants permanents 3 montés à la périphérie du corps principal conique 2 comme illustré à la . Les aimants permanents 3 sont organisés selon des polarités nord et sud. L’organe de stator S comporte un corps extérieur 1 définissant une cavité intérieure conique dans laquelle l’organe de rotor R peut tourner et se translater selon l’axe X. En référence à la , l’organe de stator S comporte une pluralité d’éléments de stator 10 répartis à la périphérie du corps extérieur 1 de manière à générer un flux magnétique entrant en interaction avec les aimants permanents 3 de l’organe de rotor R. Chaque élément de stator 10 comporte une pluralité d’enroulements 11 comme illustré à la .With reference to the , the rotor member R is mounted on a shaft 4 extending along the axis X. The rotor member R comprises a conical main body 2 integral with the shaft 4 and permanent magnets 3 mounted on the periphery of the tapered main body 2 as shown in . The permanent magnets 3 are organized according to north and south polarities. The stator member S comprises an outer body 1 defining a conical inner cavity in which the rotor member R can rotate and translate along the axis X. With reference to the , the stator member S comprises a plurality of stator elements 10 distributed around the periphery of the outer body 1 so as to generate a magnetic flux entering into interaction with the permanent magnets 3 of the rotor member R. Each element of stator 10 comprises a plurality of windings 11 as illustrated in .

En référence à la , la génératrice électrique G est reliée de manière connue à un système de contrôle COM qui assure la régulation de la tension délivrée à un réseau de distribution électrique LOAD dans une certaine plage de vitesse de rotation de l’entraînement mécanique et de courant appelé par les charges, c’est-à-dire, le réseau de distribution électrique LOAD. Cette régulation agit sur la position axiale de l’organe de rotor R en contrôlant le courant I, notamment, le courant de magnétisation Id comme cela sera présenté par la suite.With reference to the , the electrical generator G is connected in a known manner to a control system COM which ensures the regulation of the voltage delivered to an electrical distribution network LOAD in a certain range of speed of rotation of the mechanical drive and of current drawn by the loads, that is, the LOAD electrical distribution network. This regulation acts on the axial position of the rotor member R by controlling the current I, in particular the magnetization current Id as will be presented subsequently.

L’organe de rotor R est configuré pour être entrainé par une turbomachine de l’aéronef, en particulier, au niveau de l’extrémité avant de l’arbre 4. En référence à la , il est représenté un arbre de turbomachine 9 entrainant l’arbre 4 de l’organe de rotor R.The rotor member R is configured to be driven by a turbomachine of the aircraft, in particular, at the level of the front end of the shaft 4. With reference to the , there is shown a turbomachine shaft 9 driving the shaft 4 of the rotor member R.

En référence à la , l’organe de rotor R est monté mobile en translation selon ledit axe X afin de régler l’entrefer ENT. En particulier, l’arbre 4 est monté mobile en translation selon ledit axe X.With reference to the , the rotor member R is mounted to move in translation along said axis X in order to adjust the air gap ENT. In particular, the shaft 4 is mounted to move in translation along said axis X.

Dans cette forme de réalisation, la génératrice électrique G comprend une butée avant 6 et une butée arrière 7 pour limiter le déplacement axial de l’organe de rotor R. La génératrice électrique G comprend également un ressort 5, monté entre la butée avant 6 et l’organe de rotor R, qui est configuré pour contraindre l’organe de rotor R vers la butée arrière 7. Autrement dit, plus l’épaisseur de l’entrefer ENT est faible, plus le ressort 5 exerce un effort important pour s’opposer à l’attraction magnétique entre l’organe de rotor R et l’organe de stator S.In this embodiment, the electric generator G comprises a front stop 6 and a rear stop 7 to limit the axial displacement of the rotor member R. The electric generator G also comprises a spring 5, mounted between the front stop 6 and the rotor member R, which is configured to force the rotor member R towards the rear stop 7. In other words, the thinner the thickness of the air gap ENT, the more the spring 5 exerts a significant force to oppose the magnetic attraction between the rotor member R and the stator member S.

En pratique, l’épaisseur g de l’entrefer ENT est limitée par les butées 6,7. L’épaisseur maximale gM est obtenue lorsque l’organe de rotor R est en condition de repos contre la butée arrière 7 ( ). L’épaisseur minimale gm est obtenue lorsque l’organe de rotor R est en vis à vis de l’organe de stator S ( ).In practice, the thickness g of the air gap ENT is limited by the stops 6.7. The maximum thickness gM is obtained when the rotor member R is in rest condition against the rear stop 7 ( ). The minimum thickness gm is obtained when the rotor member R is opposite the stator member S ( ).

Une telle génératrice électrique à aimants permanents G permet de réguler la tension d’alimentation E à l’aide du système de contrôle COM pour alimenter le réseau de distribution électrique LOAD. Comme cela sera présenté par la suite, une telle génératrice électrique G permet de réguler la tension d’alimentation E, de réaliser une désexcitation et de réaliser une déconnexion.Such a permanent magnet electric generator G makes it possible to regulate the supply voltage E using the control system COM to supply the electrical distribution network LOAD. As will be presented later, such an electric generator G makes it possible to regulate the supply voltage E, to achieve de-excitation and to achieve disconnection.

Le système de contrôle COM gère les courants triphasés délivrés par l’organe de stator S et permet de collecter l’énergie électrique générée par la génératrice électrique G. Les courants de commande sont triphasés, mais ils sont contrôlés dans le repère dq.The control system COM manages the three-phase currents delivered by the stator member S and makes it possible to collect the electrical energy generated by the electric generator G. The control currents are three-phase, but they are controlled in the reference dq.

En référence à la , il est représenté de manière schématique la force électromagnétique F qui est exercée sur l’organe de rotor R par magnétisme par l’organe de stator S. Cette force F se décompose en une composante radiale Fr, une composante tangentielle Ft et une composante axiale FXI. Le système de contrôle COM permet de régler le courant de magnétisation Id de la génératrice électrique G qui participe à la génération de la force d’attraction F entre l’organe de rotor R et l’organe de stator S. En pratique, les effets de la composante radiale Fr sur l’organe de rotor R se compensent et le système de contrôle COM permet de contrôler la composante axiale FXI et la composante tangentielle Ft. Autrement dit, le courant de magnétisation Id de la génératrice électrique G permet d’agir sur la force axiale FXI appliquée à l’organe de rotor R tandis que le courant Iq agira sur la force tangentielle Ft de ce même organe de rotor R.With reference to the , the electromagnetic force F which is exerted on the rotor member R by magnetism by the stator member S is schematically represented. This force F breaks down into a radial component Fr, a tangential component Ft and an axial component FXI. The control system COM makes it possible to adjust the magnetization current Id of the electric generator G which participates in the generation of the force of attraction F between the rotor member R and the stator member S. In practice, the effects of the radial component Fr on the rotor member R compensate each other and the control system COM makes it possible to control the axial component FXI and the tangential component Ft. In other words, the magnetization current Id of the electric generator G makes it possible to act on the axial force FXI applied to the rotor member R while the current Iq will act on the tangential force Ft of this same rotor member R.

En référence à la , lors du fonctionnement de la génératrice électrique G, la force axiale globale FX appliquée par l’organe de rotor R résulte d’une combinaison de la force axiale des aimants permanents FXM et de la force axiale liée au courant de magnétisation FXI. Cette force axiale globale FX s’oppose à la force de rappel du ressort FXR. Ainsi, si la force axiale globale FX est supérieure ou inférieure à la force de rappel du ressort FXR, l’organe de rotor R peut avancer ou reculer selon l’axe X.With reference to the , during operation of the electric generator G, the overall axial force FX applied by the rotor member R results from a combination of the axial force of the permanent magnets FXM and the axial force associated with the magnetization current FXI. This overall axial force FX opposes the restoring force of the spring FXR. Thus, if the overall axial force FX is greater or less than the return force of the spring FXR, the rotor member R can move forward or backward along the axis X.

Le mouvement de l’organe de rotor R conséquent à la compression du ressort 5 génère une variation de l’épaisseur g de l’entrefer ENT. En réduisant le courant de magnétisation Id, l’organe de rotor R recule, l’épaisseur d’entrefer g augmente et la tension d’alimentation E baisse.The movement of the rotor member R resulting from the compression of the spring 5 generates a variation in the thickness g of the air gap ENT. By reducing the magnetization current Id, the rotor member R moves back, the gap thickness g increases and the supply voltage E drops.

La tension d’alimentation E peut ainsi être régulée pour différents niveaux de vitesse de rotation par la variation de la densité du flux dans l’entrefer ENT qui peut être obtenue par la variation de l’épaisseur de l’entrefer g. La tension d’alimentation E est fonction de la densité de flux et de l’aire de l’entrefer ENT selon les formules suivantes :The supply voltage E can thus be regulated for different levels of rotation speed by the variation of the flux density in the air gap ENT which can be obtained by the variation of the thickness of the air gap g. The supply voltage E is a function of the flux density and the area of the air gap ENT according to the following formulas:

Avec

  • qui sont respectivement le flux, la densité du flux et l’aire de l’entrefer ENT
  • est le flux conductif
  • N est le nombre de conducteurs de l’enroulement/ bobine dans chaque élément de stator 10
  • e, E sont respectivement le vecteur et l’amplitude de la tension
  • we, θ sont respectivement la vitesse de rotation et la position angulaire du rotor
With
  • Who are respectively the flux, the flux density and the area of the air gap ENT
  • is the conductive flux
  • N is the number of winding/coil conductors in each stator element 10
  • e, E are respectively the vector and the magnitude of the voltage
  • we, θ are respectively the rotational speed and the angular position of the rotor

De manière connue, l’aire Ag de l’entrefer ENT dépend de l’épaisseur g et de la longueur L de l’entrefer ENT.In a known manner, the area Ag of the air gap ENT depends on the thickness g and the length L of the air gap ENT.

Ainsi, pour une réduction de moitié de l’épaisseur g, on obtient de manière avantageuse une réduction de moitié de l’amplitude de la tension d’alimentation E. Ainsi, selon l’invention, il suffit de contrôler le courant de magnétisation Id pour contrôler l’épaisseur de l’entrefer g ainsi que l’amplitude de la tension d’alimentation E. Une génératrice à aimants permanents G peut être contrôlée de manière pratique pour réguler la tension d’alimentation E.Thus, for a halving of the thickness g, a halving of the amplitude of the supply voltage E is advantageously obtained. Thus, according to the invention, it suffices to control the magnetization current Id to control the air gap thickness g as well as the magnitude of the supply voltage E. A permanent magnet generator G can be conveniently controlled to regulate the supply voltage E.

Un exemple de mise en œuvre va être présenté en référence aux figures 5 à 8. Comme illustré à la , en condition de repos, l’organe de stator S n’est pas alimenté (I=0) et il n’existe pas de couplage magnétique. Le ressort 5 contraint l’organe de rotor R contre la butée arrière 7. L’épaisseur d’entrefer g est maximale (épaisseur maximale gM). Dans cette configuration de repos, l’arbre 4, relié à l’organe de rotor R, peut être entrainé en rotation par la turbomachine de l’aéronef.An example of implementation will be presented with reference to Figures 5 to 8. As illustrated in , in rest condition, the stator member S is not powered (I=0) and there is no magnetic coupling. The spring 5 constrains the rotor member R against the rear stop 7. The air gap thickness g is maximum (maximum thickness gM). In this configuration at rest, the shaft 4, connected to the rotor member R, can be driven in rotation by the turbine engine of the aircraft.

En condition d’utilisation, en référence à la , l’organe de stator S est alimenté par le système de contrôle COM, ce qui induit un couplage magnétique entre les aimants permanents 3 de l’organe de rotor R et l’organe de stator S. L’organe de rotor R est positionné en vis-à-vis de l’organe de stator S. Le courant de magnétisation Id du système de contrôle COM permet de définir précisément la position axiale de l’organe de rotor R et donc la tension d’alimentation E qui est générée par la génératrice électrique G. L’arbre 4, relié à l’organe de rotor R, est entrainé en rotation par la turbomachine de l’aéronef et une tension d’alimentation E peut être fournie au réseau de distribution électrique LOAD de l’aéronef.In use condition, with reference to the , the stator member S is powered by the control system COM, which induces a magnetic coupling between the permanent magnets 3 of the rotor member R and the stator member S. The rotor member R is positioned opposite the stator member S. The magnetization current Id of the control system COM makes it possible to precisely define the axial position of the rotor member R and therefore the supply voltage E which is generated by the electric generator G. The shaft 4, connected to the rotor member R, is driven in rotation by the turbomachine of the aircraft and a supply voltage E can be supplied to the electrical distribution network LOAD of the aircraft .

De manière avantageuse, la force FXRdu ressort 5 permet de s’opposer à la force globale axiale FXet ainsi assurer un positionnement axial dynamique tout en évitant que l’épaisseur g de l’entrefer ENT soit trop faible.Advantageously, the force F XR of the spring 5 makes it possible to oppose the overall axial force F X and thus ensure dynamic axial positioning while preventing the thickness g of the air gap ENT from being too small.

Pour désexciter la génératrice électrique G, en référence à la , le courant de magnétisation Id du système de contrôle COM est annulé de manière à permettre au ressort 5 de repousser l’organe de rotor R même si la force axiale des aimants permanents FXM demeure présente. Autrement dit, la génératrice électrique G est configurée de manière à ce que la force FXR du ressort 5 soit supérieure à la force axiale FXM générée par les aimants 3 de l’organe de stator S en l’absence de courant de magnétisation Id. En position de repos, l’organe de rotor R est décalé vers l’arrière par rapport à l’organe de stator S contre la butée arrière 7.To de-energize the electric generator G, with reference to the , the magnetization current Id of the control system COM is canceled so as to allow the spring 5 to push back the rotor member R even if the axial force of the permanent magnets FXM remains present. In other words, the electric generator G is configured so that the force FXR of the spring 5 is greater than the axial force FXM generated by the magnets 3 of the stator member S in the absence of magnetization current Id. rest position, the rotor member R is offset to the rear with respect to the stator member S against the rear stop 7.

Le déplacement axial Δx, entre la position d’utilisation et la position de repos, permet de réduire le couplage des aimants permanents 3 et ainsi désexciter la génératrice électrique G. Une désexcitation peut être commandée, par exemple, pour des raisons de sécurité. A cet effet, l’épaisseur maximale d’entrefer ENT est déterminée de manière à respecter des limites de sécurité prédéterminées. La variation de l’épaisseur Δg autorisée dépend du déplacement axial Δx ainsi que de l’angle conique γ de la génératrice électrique G selon la formule suivante :The axial displacement Δx, between the position of use and the position of rest, makes it possible to reduce the coupling of the permanent magnets 3 and thus to de-energize the electric generator G. A de-excitation can be controlled, for example, for safety reasons. For this purpose, the maximum air gap thickness ENT is determined in such a way as to respect predetermined safety limits. The authorized variation of the thickness Δg depends on the axial displacement Δx as well as on the conical angle γ of the electric generator G according to the following formula:

La butée arrière 7 est ainsi positionnée pour permettre d’obtenir le déplacement axial Δx respectant les limites de sécurité.The rear stop 7 is thus positioned to make it possible to obtain the axial displacement Δx respecting the safety limits.

En référence à la , la génératrice électrique G peut comprendre un organe de déconnexion 8 configuré pour empêcher un entrainement de l’arbre 4 par l’arbre 9 de la turbomachine de l’aéronef. De manière préférée, l’organe de déconnexion 8 peut être commandé directement par le déplacement axial Δx. Une telle déconnexion permet d’augmenter la sécurité.With reference to the , the electric generator G may comprise a disconnection member 8 configured to prevent the shaft 4 from being driven by the shaft 9 of the aircraft turbine engine. Preferably, the disconnection member 8 can be controlled directly by the axial displacement Δx. Such a disconnection makes it possible to increase security.

Grâce à la génératrice électrique à aimants permanents G selon l’invention, la tension d’alimentation E peut être régulée, la génératrice électrique G désexcitée ou déconnectée de manière pratique. En outre, la génératrice électrique à aimants permanents G possède un rendement supérieur à celui d’une génératrice électrique synchrone à excitation bobinée, une densité de puissance supérieure et un encombrement réduit.Thanks to the permanent magnet electric generator G according to the invention, the supply voltage E can be regulated, the electric generator G de-energized or disconnected in a practical manner. In addition, the permanent magnet electric generator G has a higher efficiency than that of a synchronous electric generator with wound excitation, a higher power density and a reduced size.

Claims (10)

Génératrice électrique à aimants permanents (G) pour aéronef, la génératrice électrique (G) étant du type conique et comportant un organe de stator (S) et un organe de rotor (R) configuré pour être entrainé par une turbomachine de l’aéronef en rotation autour d’un axe (X) par rapport à l’organe de stator (S) afin de générer de l’énergie électrique par couplage magnétique, l’organe de rotor (R) comprenant selon l’axe (X) une extrémité avant et une extrémité arrière dont la section est plus grande que l’extrémité avant, l’organe de rotor (R) étant monté mobile en translation selon ledit axe (X), la génératrice électrique (G) comprenant une butée avant (6), une butée arrière (7) et au moins un ressort (5) monté entre la butée avant (6) et l’organe de rotor (R) et configuré pour contraindre l’organe de rotor (R) vers la butée arrière (7) selon l’axe (X) de manière à écarter l’organe de rotor (R) de l’organe de stator (S).Electric generator with permanent magnets (G) for an aircraft, the electric generator (G) being of the conical type and comprising a stator member (S) and a rotor member (R) configured to be driven by a turbomachine of the aircraft in rotation about an axis (X) with respect to the stator member (S) in order to generate electrical energy by magnetic coupling, the rotor member (R) comprising along the axis (X) an end front and a rear end whose section is larger than the front end, the rotor member (R) being mounted so as to be able to move in translation along said axis (X), the electric generator (G) comprising a front stop (6) , a rear thrust bearing (7) and at least one spring (5) mounted between the front thrust bearing (6) and the rotor member (R) and configured to force the rotor member (R) towards the rear thrust bearing (7 ) along the axis (X) so as to separate the rotor member (R) from the stator member (S). Génératrice électrique (G) selon la revendication 1, dans laquelle l’organe de rotor (R) comporte un corps principal conique (2) et des aimants permanents (3) montés à la périphérie du corps principal conique (2).Electric generator (G) according to claim 1, wherein the rotor member (R) comprises a conical main body (2) and permanent magnets (3) mounted at the periphery of the conical main body (2). Génératrice électrique (G) selon l’une des revendications 1 à 2, dans laquelle l’organe de rotor (R) est mobile selon l’axe (X) entre une position d’utilisation dans laquelle l’organe de rotor (R) est positionné en vis-à-vis de l’organe de stator (S) et une position de repos dans laquelle l’organe de rotor (R) est décalé vers l’arrière par rapport à l’organe de stator (S) contre la butée arrière (7).Electric generator (G) according to one of Claims 1 to 2, in which the rotor member (R) is movable along the axis (X) between a position of use in which the rotor member (R) is positioned opposite the stator member (S) and a rest position in which the rotor member (R) is offset rearward relative to the stator member (S) against the rear stop (7). Génératrice électrique (G) selon la revendication 3, dans laquelle, un entrefer (ENT) étant défini entre l’organe de rotor (R) et l’organe de stator (S), l’entrefer (ENT) possède une épaisseur maximale (gM) lorsque l’organe de rotor (R) est en position de repos.Electric generator (G) according to Claim 3, in which, an air gap (ENT) being defined between the rotor member (R) and the stator member (S), the air gap (ENT) has a maximum thickness ( g M ) when the rotor member (R) is in the rest position. Génératrice électrique (G) selon l’une des revendications 1 à 4, dans laquelle le ressort (5) est configuré pour exercer une force de rappel (FXR) sur l’organe de rotor (R) qui est supérieure à la force d’attraction axiale (FXM) des aimants permanents (3) de l’organe de rotor (R) en position de repos.Electric generator (G) according to one of Claims 1 to 4, in which the spring (5) is configured to exert a return force (F XR ) on the rotor member (R) which is greater than the force d axial attraction (F XM ) of the permanent magnets (3) of the rotor member (R) in the rest position. Génératrice électrique (G) selon l’une des revendications 1 à 5, comprenant un organe de déconnexion (8) configuré pour déconnecter l’organe de rotor (R) de la turbomachine d’aéronef.Electric generator (G) according to one of Claims 1 to 5, comprising a disconnection member (8) configured to disconnect the rotor member (R) from the aircraft turbine engine. Génératrice électrique (G) selon la revendication 6, dans laquelle l’organe de déconnexion (8) est configuré pour être activé par un déplacement axial de l’organe de rotor (R).Electric generator (G) according to claim 6, wherein the disconnecting member (8) is configured to be activated by an axial movement of the rotor member (R). Ensemble d’une génératrice électrique à aimants permanents (G) selon l’une des revendications précédentes et d’un système de contrôle (COM) de ladite génératrice électrique (G), le système de contrôle (COM) étant configuré pour faire circuler un courant de magnétisation (Id) dans l’organe de stator (S) de manière à modifier la position axiale de l’organe de rotor (R).Assembly of a permanent magnet electric generator (G) according to one of the preceding claims and of a control system (COM) of the said electric generator (G), the control system (COM) being configured to circulate a magnetization current (Id) in the stator member (S) so as to modify the axial position of the rotor member (R). Aéronef comprenant au moins une turbomachine et un ensemble selon la revendication 6 dans lequel l’organe de rotor (R) de la génératrice électrique à aimants permanents (G) est relié à la turbomachine.Aircraft comprising at least one turbine engine and an assembly according to claim 6 in which the rotor member (R) of the permanent magnet electric generator (G) is connected to the turbine engine. Procédé de commande d’une génératrice électrique à aimants permanents (G) d’un ensemble selon la revendication 6, la génératrice électrique (G) alimentant un réseau de distribution électrique (LOAD) d’un aéronef selon une tension d’alimentation (E), le procédé comprenant une étape de régulation du courant de magnétisation (Id) dans l’organe de stator (S) de manière à modifier la position axiale de l’organe de rotor (R) afin de réguler la tension d’alimentation (E).Method for controlling a permanent magnet electric generator (G) of an assembly according to claim 6, the electric generator (G) supplying an electrical distribution network (LOAD) of an aircraft according to a supply voltage (E ), the method comprising a step of regulating the magnetization current (Id) in the stator member (S) so as to modify the axial position of the rotor member (R) in order to regulate the supply voltage ( E).
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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DE1088600B (en) * 1958-09-09 1960-09-08 Siemens Ag Electric power generator, especially for use as an alternator
EP0389072A1 (en) * 1989-03-21 1990-09-26 MANNESMANN Aktiengesellschaft Sliding rotor motor
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US9825510B2 (en) 2016-04-13 2017-11-21 Hamilton Sundstrand Corporation Variable gap electrical machines

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