FR3093503A1 - Electric thruster for aircraft and method of using such a thruster - Google Patents
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Abstract
Un propulseur électrique (P) pour aéronef, le propulseur électrique (P) comportant au moins un premier organe de propulsion (1), un deuxième organe de propulsion (2) et un unique moteur électrique synchrone (6) configuré pour entrainer les organes de propulsion (1, 2) en rotation, le moteur électrique (6) comportant un élément de stator périphérique (4), un premier élément de rotor (51), solidaire du premier organe de propulsion (1), comportant un premier nombre N1 de paires de pôles et un deuxième élément de rotor (52), solidaire du deuxième organe de propulsion (2), comportant un deuxième nombre N2 de paires de pôles différent du premier nombre N1 de paires de pôles de manière à entrainer les organes de propulsion (1, 2) à des vitesses de rotation différentes. Figure de l’abrégé : Figure 1An electric thruster (P) for an aircraft, the electric thruster (P) comprising at least a first propulsion member (1), a second propulsion member (2) and a single synchronous electric motor (6) configured to drive the control members. propulsion (1, 2) in rotation, the electric motor (6) comprising a peripheral stator element (4), a first rotor element (51), integral with the first propulsion member (1), comprising a first number N1 of pairs of poles and a second rotor element (52), integral with the second propulsion member (2), comprising a second number N2 of pairs of poles different from the first number N1 of pairs of poles so as to drive the propulsion members ( 1, 2) at different rotational speeds. Abstract figure: Figure 1
Description
La présente invention se rapporte au domaine de la propulsion électrique ou hybride électrique d’un aéronef, en particulier, permettant un décollage et un atterrissage vertical.The present invention relates to the field of electric or hybrid-electric propulsion of an aircraft, in particular, allowing vertical take-off and landing.
De manière connue, il a été proposé un aéronef comportant une pluralité de propulseurs électriques qui sont répartis dans l’aéronef. De manière connue, un propulseur électrique comporte un ou plusieurs organes de propulsion, hélice ou soufflante. Chaque organe de propulsion est relié à un moteur électrique d’entrainement. Chaque moteur électrique d’entrainement est relié à un onduleur électrique afin de commander son fonctionnement. De manière générale, l’onduleur électrique est relié à une source d’alimentation électrique (par exemple une batterie embarquée ou une génératrice de tension électrique associée à un redresseur) par l’intermédiaire d’un composant passif, par exemple, un condensateur de bus. L’onduleur électrique comporte une pluralité d’interrupteurs pilotables qui reçoivent des ordres de commande en provenance d’un calculateur d’implémentation des lois de commande. En pratique, cette chaine d’entrainement électrique possède une masse et un encombrement qui sont élevés, ce qui pénalise les performances de propulsion électrique.In known manner, an aircraft has been proposed comprising a plurality of electric thrusters which are distributed in the aircraft. In known manner, an electric thruster comprises one or more propulsion members, propeller or fan. Each propulsion unit is connected to an electric drive motor. Each electric drive motor is connected to an electric inverter to control its operation. In general, the electrical inverter is connected to an electrical power source (for example an on-board battery or an electrical voltage generator associated with a rectifier) via a passive component, for example a capacitor of bus. The electrical inverter comprises a plurality of controllable switches which receive control commands from a control law implementation computer. In practice, this electric drive chain has a mass and a bulk that are high, which penalizes the performance of electric propulsion.
Lorsque l’on souhaite entrainer deux organes de propulsion, d’un même propulseur électrique, à des vitesses de rotation différentes, en particulier, pour limiter les nuisances acoustiques. Une solution immédiate consiste à utiliser deux moteurs électriques différents pour entraîner les deux organes de propulsion. Une telle solution présente une masse et un encombrement qui sont très élevés.When you want to drive two propulsion units, from the same electric thruster, at different rotation speeds, in particular, to limit noise pollution. An immediate solution consists in using two different electric motors to drive the two propulsion devices. Such a solution has a mass and a bulk that are very high.
Pour éliminer ces inconvénients, il est connu d’intégrer un train d’engrenages entraîné par un unique moteur électrique afin de régler le rapport de vitesse entre les organes de propulsion. Néanmoins, un tel train d’engrenages présente également les inconvénients d’être lourd et encombrant. De plus, il réduit le rendement global de la chaîne de propulsion.To eliminate these drawbacks, it is known to integrate a gear train driven by a single electric motor in order to adjust the speed ratio between the propulsion members. However, such a gear train also has the disadvantages of being heavy and bulky. In addition, it reduces the overall efficiency of the propulsion chain.
Un des objectifs est ainsi de réduire la masse et l’encombrement d’un propulseur électrique comprenant deux organes de propulsion entrainés à des vitesses de rotation différentes de manière à améliorer le rendement de propulsion et les nuisances acoustiques.One of the objectives is thus to reduce the mass and size of an electric thruster comprising two propulsion units driven at different rotational speeds so as to improve propulsion efficiency and noise pollution.
L’invention concerne un propulseur électrique pour aéronef, le propulseur électrique comportant au moins un premier organe de propulsion rotatif autour d’un axe X, un deuxième organe de propulsion rotatif autour de l’axe X et un unique moteur électrique synchrone configuré pour entrainer le premier organe de propulsion et le deuxième organe de propulsion en rotation.The invention relates to an electric thruster for an aircraft, the electric thruster comprising at least a first rotary propulsion member about an X axis, a second rotary propulsion member about the X axis and a single synchronous electric motor configured to drive the first propulsion member and the second rotational propulsion member.
L’invention est remarquable en ce que le moteur électrique comporte un élément de stator périphérique, un premier élément de rotor, solidaire du premier organe de propulsion, comportant un premier nombre N1 de paires de pôles configurés pour être entrainés magnétiquement par le champ magnétique tournant généré par l’élément de stator périphérique et un deuxième élément de rotor, solidaire du deuxième organe de propulsion, comportant un deuxième nombre N2 de paires de pôles configurés pour être entrainés magnétiquement par le champ magnétique tournant généré par l’élément de stator périphérique, le deuxième nombre N2 étant différent du premier nombre N1 de paires de pôles P1, P2 de manière à entrainer les organes de propulsion à des vitesses de rotation différentes.The invention is remarkable in that the electric motor comprises a peripheral stator element, a first rotor element, integral with the first propulsion member, comprising a first number N1 of pairs of poles configured to be driven magnetically by the rotating magnetic field generated by the peripheral stator element and a second rotor element, integral with the second propulsion member, comprising a second number N2 of pairs of poles configured to be driven magnetically by the rotating magnetic field generated by the peripheral stator element, the second number N2 being different from the first number N1 of pairs of poles P1, P2 so as to drive the propulsion members at different speeds of rotation.
De manière avantageuse, un unique élément de stator entraine deux éléments de rotor à des vitesses différentes du fait de leurs nombres de pôles différents. Cela permet avantageusement de réduire les nuisances acoustiques tout en ayant un propulseur électrique compact et léger, c’est-à-dire, avec une grande densité de puissance.Advantageously, a single stator element drives two rotor elements at different speeds due to their different numbers of poles. This advantageously makes it possible to reduce acoustic pollution while having a compact and light electric thruster, that is to say, with a high power density.
De manière préférée, la différence entre le premier nombre N1 et le deuxième nombre N2 de paires de pôles P1, P2 est inférieure à 10, de préférence, à 4. De préférence encore, la différence entre le premier nombre N1 et le deuxième nombre N2 de paires de pôles P1, P2 est égale à 2. Une faible différence permet avantageusement d’obtenir des vitesses de rotation qui sont différentes mais proches les unes des autres de manière à limiter les nuisances acoustiques. De plus, une faible différence permet d’obtenir des éléments de rotor avec des comportements dynamiques et électromagnétiques qui sont analogues, ce qui permet d’optimiser la régulation thermique et d’améliorer le contrôle.Preferably, the difference between the first number N1 and the second number N2 of pairs of poles P1, P2 is less than 10, preferably less than 4. More preferably, the difference between the first number N1 and the second number N2 of pairs of poles P1, P2 is equal to 2. A small difference advantageously makes it possible to obtain speeds of rotation which are different but close to each other so as to limit acoustic nuisance. Moreover, a small difference makes it possible to obtain rotor elements with dynamic and electromagnetic behaviors which are analogous, which makes it possible to optimize the thermal regulation and to improve the control.
Selon un aspect de l’invention, le premier nombre N1 et le deuxième nombre N2 de paires de pôles P1, P2 sont chacun supérieurs ou égaux à 40, de préférence à 48. De préférence, le premier nombre N1 et le deuxième nombre N2 de paires de pôles P1, P2 sont chacun inférieurs ou égaux à 50. Un tel nombre de paires de pôles assure un compromis entre une vitesse optimale de rotation et une densité optimale de puissance. De plus, cela permet d’obtenir une fréquence électrique du fondamental de l’ordre de 2kHz.According to one aspect of the invention, the first number N1 and the second number N2 of pairs of poles P1, P2 are each greater than or equal to 40, preferably to 48. Preferably, the first number N1 and the second number N2 of pairs of poles P1, P2 are each less than or equal to 50. Such a number of pairs of poles ensures a compromise between an optimum speed of rotation and an optimum density of power. In addition, this makes it possible to obtain an electrical frequency of the fundamental of the order of 2 kHz.
De manière préférée, le deuxième nombre N2 de paires de pôles P2 est défini par rapport au premier nombre N1 de paires de pôles P1, selon la formule suivante:Preferably, the second number N2 of pairs of poles P2 is defined with respect to the first number N1 of pairs of poles P1, according to the following formula:
- fmec1 est la fréquence mécanique du premier organe de propulsion
- fmec2 est la fréquence mécanique du deuxième organe de propulsion.
- fmec1 is the mechanical frequency of the first propulsion unit
- fmec2 is the mechanical frequency of the second propulsion unit.
Ainsi, en paramétrant les nombres de paires de pôles, on peut définir de manière précise le rapport de vitesse entre les éléments de rotor. De plus, en réglant la fréquence électrique des phases de l’élément de stator périphérique, on peut définir de manière précise la vitesse de rotation de chaque élément de rotor.Thus, by setting the numbers of pairs of poles, it is possible to precisely define the speed ratio between the rotor elements. In addition, by adjusting the electrical frequency of the phases of the peripheral stator element, it is possible to precisely define the rotational speed of each rotor element.
De préférence, le propulseur électrique comprend une carène périphérique s’étendant selon l’axe X. Les organes de propulsion sont montés dans la carène périphérique. De manière avantageuse, l’utilisation d’une carène périphérique permet de guider le flux d’air lors de son accélération par les organes de propulsion. En outre, la carène périphérique permet de loger l’élément de stator. Cette double fonction permet d’augmenter la compacité et donc la densité de puissance.Preferably, the electric thruster comprises a peripheral hull extending along the X axis. The propulsion members are mounted in the peripheral hull. Advantageously, the use of a peripheral hull makes it possible to guide the flow of air during its acceleration by the propulsion components. In addition, the peripheral hull makes it possible to house the stator element. This dual function makes it possible to increase compactness and therefore power density.
De manière préférée, les éléments de rotor sont guidés dans la carène périphérique. Autrement dit, il n’existe pas un guidage unique via le moyeu central comme dans l’art antérieur. Une telle conception permet d’augmenter la section de passage du flux d’air dans la carène périphérique.Preferably, the rotor elements are guided in the peripheral hull. In other words, there is not a single guide via the central hub as in the prior art. Such a design makes it possible to increase the passage section of the air flow in the peripheral hull.
De préférence, le premier élément de rotor et le deuxième élément de rotor possèdent chacun une forme périphérique. Ainsi, ils peuvent être guidés de manière pratique sur toute la circonférence.Preferably, the first rotor element and the second rotor element each have a peripheral shape. Thus, they can be conveniently guided around the entire circumference.
De manière préférée, le premier élément de rotor et le deuxième élément de rotor sont respectivement montés extérieurement au premier organe de propulsion et au deuxième organe de propulsion. Cela permet avantageusement aux éléments de rotor de coopérer directement avec la carène périphérique. Les organes de propulsion peuvent ainsi librement accélérer le flux d’air.Preferably, the first rotor element and the second rotor element are respectively mounted outside the first propulsion member and the second propulsion member. This advantageously allows the rotor elements to cooperate directly with the peripheral hull. The propulsion components can thus freely accelerate the flow of air.
Selon un aspect, le premier élément de rotor est guidé en rotation par rapport à l’élément de stator, en particulier, par au moins un roulement à billes ou un palier magnétique. De préférence, le deuxième élément de rotor est guidé en rotation par rapport à l’élément de stator, en particulier, par au moins un roulement à billes ou un palier magnétique.According to one aspect, the first rotor element is guided in rotation relative to the stator element, in particular, by at least one ball bearing or one magnetic bearing. Preferably, the second rotor element is guided in rotation relative to the stator element, in particular, by at least one ball bearing or a magnetic bearing.
L’invention concerne également un procédé d’utilisation d’un propulseur électrique tel que présenté précédemment, comprenant une étape d’alimentation en courant des phases de l’élément de stator, une étape d’entrainement magnétique en rotation des pôles du premier élément de rotor par le champ magnétique tournant généré par l’élément de stator à une première vitesse et une étape d’entrainement magnétique en rotation des pôles du deuxième élément de rotor par le champ magnétique tournant généré par l’élément de stator à une deuxième vitesse.The invention also relates to a method of using an electric thruster as presented previously, comprising a step of supplying current to the phases of the stator element, a step of magnetically driving in rotation the poles of the first element rotor by the rotating magnetic field generated by the stator element at a first speed and a step of magnetically driving the poles of the second rotor element in rotation by the rotating magnetic field generated by the stator element at a second speed .
L’invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d’exemple, et se référant aux dessins annexés donnés à titre d’exemples non limitatifs, dans lesquels des références identiques sont données à des objets semblables et sur lesquels:
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.
Il va dorénavant être présenté un propulseur électrique de conception nouvelle qui peut être monté sur un aéronef. De manière préférée, plusieurs propulseurs P sont montés de manière répartie sur un aéronef afin de permettre sa propulsion et, plus particulièrement, son décollage et son atterrissage vertical.There will now be presented an electric thruster of new design which can be mounted on an aircraft. Preferably, several thrusters P are mounted in a distributed manner on an aircraft in order to allow its propulsion and, more particularly, its take-off and its vertical landing.
En référence à la figure 1, le propulseur électrique P comprend un premier organe de propulsion 1 rotatif autour d’un axe X et un deuxième organe de propulsion 2 rotatif autour de l’axe X. Le propulseur électrique P comprend un unique moteur électrique synchrone 6 configuré pour entrainer le premier organe de propulsion 1 et le deuxième organe de propulsion 2 en rotation autour de l’axe X à des vitesses différentes de manière à permettre, notamment, de diminuer les nuisances acoustiques. Les organes de propulsion 1, 2 sont entrainés dans le même sens.Referring to Figure 1, the electric thruster P comprises a first propulsion member 1 rotatable around an axis X and a second propulsion member 2 rotatable around the axis X. The electric thruster P comprises a single synchronous electric motor 6 configured to drive the first propulsion member 1 and the second propulsion member 2 in rotation around the axis X at different speeds so as to allow, in particular, to reduce noise pollution. The propulsion members 1, 2 are driven in the same direction.
De manière préférée, le propulseur électrique P ne comporte que deux organes de propulsion 1, 2. Néanmoins, il va de soi que l’invention s’applique à plus de 2 organes de propulsion 1, 2, en particulier, un nombre pair d’organes de propulsion 1, 2.Preferably, the electric thruster P comprises only two propulsion members 1, 2. Nevertheless, it goes without saying that the invention applies to more than 2 propulsion members 1, 2, in particular, an even number d propulsion units 1, 2.
Dans cet exemple, le propulseur électrique P comprend une carène périphérique 3 s’étendant selon l’axe X dans lequel sont montés les organes de propulsion 1, 2 de manière à accélérer le flux d’air circulant dans la cavité intérieure de la carène périphérique 3, également appelée « veine du propulseur ».In this example, the electric thruster P comprises a peripheral hull 3 extending along the axis X in which the propulsion members 1, 2 are mounted so as to accelerate the flow of air circulating in the interior cavity of the peripheral hull. 3, also called the "thruster vein".
Selon l’invention, le propulseur électrique P comprend un élément de stator périphérique 4 qui est, dans cet exemple, monté dans la carène périphérique 3. Le propulseur électrique P comprend en outre un premier élément de rotor 51, solidaire du premier organe de propulsion 1, comportant un premier nombre N1 de paires de pôles P1, configurés pour être entrainés magnétiquement par l’élément de stator périphérique 4.According to the invention, the electric thruster P comprises a peripheral stator element 4 which is, in this example, mounted in the peripheral hull 3. The electric thruster P further comprises a first rotor element 51, secured to the first propulsion member 1, comprising a first number N1 of pairs of poles P1, configured to be driven magnetically by the peripheral stator element 4.
Le propulseur électrique P comprend en outre un deuxième élément de rotor 52, solidaire du deuxième organe de propulsion 2, comportant un deuxième nombre N2 de paires de pôles P2 configurés pour être entrainés magnétiquement par l’élément de stator périphérique 4. Selon l’invention, le deuxième nombre N2 est différent du premier nombre N1 de paires de pôles P1 de manière à entrainer les organes de propulsion 1, 2 à des vitesses de rotation V1, V2 différentes.The electric thruster P further comprises a second rotor element 52, integral with the second propulsion member 2, comprising a second number N2 of pairs of poles P2 configured to be driven magnetically by the peripheral stator element 4. According to the invention , the second number N2 is different from the first number N1 of pairs of poles P1 so as to drive the propulsion members 1, 2 at different speeds of rotation V1, V2.
Dans cette forme de réalisation, comme illustré aux figures 2A, 2B, chaque organe de propulsion 1, 2 se présente sous la forme d’une hélice comportant un moyeu central 10, 20 et une pluralité d’aubes radiales 11, 21 dont les extrémités radialement intérieures sont reliées au moyeu central 10, 20 et dont les extrémités radialement extérieures sont reliées à un élément de rotor 51, 52.In this embodiment, as illustrated in Figures 2A, 2B, each propulsion member 1, 2 is in the form of a propeller comprising a central hub 10, 20 and a plurality of radial vanes 11, 21 whose ends radially inner are connected to the central hub 10, 20 and whose radially outer ends are connected to a rotor element 51, 52.
Dans cet exemple, l’élément de stator 4 comporte trois phases qui sont alimentées de manière à permettre simultanément une rotation du premier élément de rotor 1 et une rotation du deuxième élément de rotor 2. En référence à la figure 1, le propulseur électrique P comporte un onduleur de propulsion 7 afin de commander l’élément de stator 4, en particulier, le courant circulant dans ses phases comme cela sera présenté par la suite. De préférence, le propulseur électrique P comporte un calculateur 8 d’implémentation des lois de commande. L’onduleur de propulsion 7 est relié à une source d’alimentation électrique SE (par exemple une batterie embarquée ou une génératrice de tension électrique associée à un redresseur) par l’intermédiaire d’un composant passif, par exemple, un condensateur de bus. L’onduleur de propulsion 7 comporte une pluralité d’interrupteurs pilotables qui reçoivent des ordres de commande en provenance du calculateur 8 d’implémentation des lois de commande. De manière préférée, le condensateur de bus est circulaire afin de permettre de limiter les contraintes d’encombrement lors de son montage dans le propulseur électrique P. L’utilisation d’un moteur électrique 6 polyphasé permet d’augmenter la tolérance aux pannes, ce qui augmente la disponibilité du propulseur électrique P. Le stator 4 permet de générer un champ magnétique tournant pour entrainer les éléments de rotor 51, 52.In this example, the stator element 4 comprises three phases which are supplied so as to simultaneously allow rotation of the first rotor element 1 and rotation of the second rotor element 2. With reference to FIG. 1, the electric thruster P comprises a propulsion inverter 7 in order to control the stator element 4, in particular, the current flowing in its phases as will be presented subsequently. Preferably, the electric thruster P includes a computer 8 for implementing the control laws. The propulsion inverter 7 is connected to an electric power source SE (for example an on-board battery or an electric voltage generator associated with a rectifier) via a passive component, for example a bus capacitor . The propulsion inverter 7 comprises a plurality of controllable switches which receive control commands from the computer 8 for implementing the control laws. Preferably, the bus capacitor is circular in order to make it possible to limit the size constraints when it is mounted in the electric thruster P. The use of a polyphase electric motor 6 makes it possible to increase fault tolerance, this which increases the availability of the electric thruster P. The stator 4 makes it possible to generate a rotating magnetic field to drive the rotor elements 51, 52.
En référence à la figure 2A, le premier élément de rotor 51 se présente sous la forme d’une couronne périphérique d’axe X définissant une cavité intérieure dans laquelle est monté le premier organe de propulsion 1, les extrémités radialement extérieures des aubes 11 étant reliées au premier élément de rotor 51, en particulier à la surface radialement intérieure de la couronne périphérique dont le premier élément de rotor 51 a la forme. Le premier élément de rotor 51 est monté rotatif dans la carène périphérique 3 en regard de l’élément de stator 4. La cavité intérieure du premier élément de rotor 51 est également appelée « veine du propulseur ».With reference to FIG. 2A, the first rotor element 51 is in the form of a peripheral crown of axis X defining an interior cavity in which the first propulsion member 1 is mounted, the radially outer ends of the blades 11 being connected to the first rotor element 51, in particular to the radially inner surface of the peripheral ring of which the first rotor element 51 has the shape. The first rotor element 51 is rotatably mounted in the peripheral hull 3 facing the stator element 4. The interior cavity of the first rotor element 51 is also called the “thruster section”.
De manière analogue, en référence à la figure 2B, le deuxième élément de rotor 52 se présente sous la forme d’une couronne périphérique d’axe X définissant une cavité intérieure dans laquelle est monté le deuxième organe de propulsion 2. Les extrémités radialement extérieures des aubes 21 sont reliées au deuxième élément de rotor 52, en particulier à la surface radialement intérieure de la couronne périphérique dont le deuxième élément de rotor 52 a la forme. Le deuxième élément de rotor 52 est monté rotatif dans la carène périphérique 3 en regard de l’élément de stator 4. La cavité intérieure du deuxième élément de rotor 52 est également appelée « veine du propulseur ». Ainsi, le premier élément de rotor 51 et le deuxième élément de rotor 52 sont respectivement intégrés au premier organe de propulsion 1 et au deuxième organe de propulsion 2.Similarly, with reference to FIG. 2B, the second rotor element 52 is in the form of a peripheral ring with axis X defining an internal cavity in which the second propulsion member 2 is mounted. The radially external ends blades 21 are connected to the second rotor element 52, in particular to the radially inner surface of the peripheral ring whose shape the second rotor element 52 has. The second rotor element 52 is rotatably mounted in the peripheral hull 3 facing the stator element 4. The internal cavity of the second rotor element 52 is also called “thruster vein”. Thus, the first rotor element 51 and the second rotor element 52 are respectively integrated into the first propulsion member 1 and the second propulsion member 2.
Dans cet exemple, comme illustré aux figures 2A et 2B, chaque élément de rotor 51, 52 comporte une pluralité de pôles magnétiques P1, P2 de manière à posséder un barycentre situé sur l’axe X. De manière connue, les paires de pôles P1 et P2 interagissent avec le champ magnétique tournant généré par les courants électriques circulants dans les phases de l’élément de stator 4 de manière à entrainer en rotation chaque élément de rotor 51, 52 et l’organe de propulsion 1, 2 auquel il est associé.In this example, as illustrated in FIGS. 2A and 2B, each rotor element 51, 52 comprises a plurality of magnetic poles P1, P2 so as to have a barycenter situated on the axis X. In known manner, the pairs of poles P1 and P2 interact with the rotating magnetic field generated by the electric currents flowing in the phases of the stator element 4 so as to rotate each rotor element 51, 52 and the propulsion member 1, 2 with which it is associated .
Dans cet exemple, le premier élément de rotor 51 comporte un premier nombre N1 de paires de pôles P1, qui sont répartis de manière périphérique. Autrement dit, deux pôles adjacents sont écartés d’un même angle. De manière préférée, le premier nombre N1 de paires de pôles P1, est supérieur ou égal à 40, de préférence à 48, de manière à ne pas dépasser une fréquence électrique maximale de 2kHz à la vitesse maximale de rotation. De manière préférée, le premier nombre N1 de paires de pôles P1 est inférieur à 50. Par souci de clarté et de concision, uniquement 12 paires de pôles P1 sont représentés à la figure 2A.In this example, the first rotor element 51 comprises a first number N1 of pairs of poles P1, which are distributed peripherally. In other words, two adjacent poles are separated by the same angle. Preferably, the first number N1 of pairs of poles P1 is greater than or equal to 40, preferably 48, so as not to exceed a maximum electrical frequency of 2 kHz at the maximum speed of rotation. Preferably, the first number N1 of pairs of poles P1 is less than 50. For the sake of clarity and conciseness, only 12 pairs of poles P1 are represented in FIG. 2A.
De manière analogue, le deuxième élément de rotor 52 comporte un deuxième nombre N2 de paires de pôles P2 qui sont répartis de manière périphérique. Autrement dit, deux pôles adjacents sont écartés d’un même angle. De manière préférée, le deuxième nombre N2 de paires de pôles P2 est supérieur ou égal à 40, de préférence à 48, de manière à ne pas dépasser une fréquence électrique maximale de 2kHz à la vitesse maximale de rotation. De manière préférée, le deuxième nombre N2 de paires de pôles P2 est inférieur à 50. Par souci de clarté et de concision, uniquement 8 paires de pôles P2 sont représentés à la figure 2B.Similarly, the second rotor element 52 comprises a second number N2 of pairs of poles P2 which are distributed in a peripheral manner. In other words, two adjacent poles are separated by the same angle. Preferably, the second number N2 of pairs of poles P2 is greater than or equal to 40, preferably 48, so as not to exceed a maximum electrical frequency of 2 kHz at the maximum speed of rotation. Preferably, the second number N2 of pairs of poles P2 is less than 50. For the sake of clarity and conciseness, only 8 pairs of poles P2 are represented in FIG. 2B.
De manière préférée, la différence entre le premier nombre N1 et le deuxième nombre N2 de paires de pôles P1, P2 est inférieure à 10, de préférence, à 4. De manière préférée encore, la différence entre le premier nombre N1 et le deuxième nombre N2 de paires de pôles P1, P2 est égale à 2. Une faible différence est avantageuse dans la présente application afin de conserver un comportement électromagnétique proche pour les deux organes de propulsion 1, 2.Preferably, the difference between the first number N1 and the second number N2 of pairs of poles P1, P2 is less than 10, preferably less than 4. More preferably, the difference between the first number N1 and the second number N2 of pairs of poles P1, P2 is equal to 2. A small difference is advantageous in the present application in order to maintain close electromagnetic behavior for the two propulsion members 1, 2.
De manière préférée, le deuxième nombre N2 de paires de pôles P2, est défini par rapport au premier nombre N1 de paires de pôles P1, selon la formule suivante :Preferably, the second number N2 of pairs of poles P2 is defined with respect to the first number N1 of pairs of poles P1, according to the following formula:
-fmec1 est la fréquence mécanique du premier organe de propulsion 1;-fmec1 is the mechanical frequency of the first propulsion member 1;
-fmec2 est la fréquence mécanique du deuxième organe de propulsion 2.-fmec2 is the mechanical frequency of the second propulsion member 2.
De manière connue, la fréquence mécanique est définie comme le rapport de la fréquence électrique sur le nombre de paires de pôles. On obtient ainsi pour les différents éléments de rotor 51, 52, les formules suivantes :In a known way, the mechanical frequency is defined as the ratio of the electrical frequency to the number of pairs of poles. The following formulas are thus obtained for the various rotor elements 51, 52:
De manière préférée, la fréquence électrique est la même pour les deux éléments de rotor 51, 52 étant donné qu’elle est dictée par l’élément de stator 4, lui-même commandé par l’onduleur de propulsion 7. On obtient ainsi la formule énoncée plus haut
- [Math. 5]
- [Math. 5]
Comme les nombres de paires de pôles N1 et N2 sont entiers, les fréquences mécaniques de rotation des éléments de rotor 51, 52 doivent être sélectionnées de manière à respecter la formule.
As the numbers of pairs of poles N1 and N2 are integers, the mechanical frequencies of rotation of the rotor elements 51, 52 must be selected so as to respect the formula.
A titre d’exemple, la fréquence électrique de l’élément de stator 4 est 2kHz. Le premier élément de rotor 51 comporte 48 paires de pôles N1 de manière à être entrainé à une vitesse de rotation de 2500 tours/minute. Le deuxième élément de rotor 52 comporte 50 paires de pôles N2 de manière à être entrainé à une vitesse de rotation de 2400 tours/minute.By way of example, the electrical frequency of the stator element 4 is 2kHz. The first rotor element 51 comprises 48 pairs of poles N1 so as to be driven at a speed of rotation of 2500 revolutions/minute. The second rotor element 52 comprises 50 pairs of poles N2 so as to be driven at a speed of rotation of 2400 revolutions/minute.
Dans cet exemple, le deuxième élément de rotor 52 est agencé de manière à ce que le rendement et la puissance électromagnétique transmise soient identiques au premier élément de rotor 51 de manière à améliorer le contrôle et optimiser la gestion thermique. De manière préférée, la taille des paires de pôles N1 et la taille des paires de pôles N2 sont différentes afin de réduire le flux rotorique global du deuxième élément de rotor 52. La constante de couple Kt du deuxième organe de propulsion 2 est ainsi avantageusement adaptée. Les pertes/échauffements sont avantageusement analogues sur les deux éléments de rotor 51, 52.In this example, the second rotor element 52 is arranged so that the efficiency and the transmitted electromagnetic power are identical to the first rotor element 51 so as to improve control and optimize thermal management. Preferably, the size of the pairs of poles N1 and the size of the pairs of poles N2 are different in order to reduce the overall rotor flux of the second rotor element 52. The torque constant Kt of the second propulsion member 2 is thus advantageously adapted . The losses/heating are advantageously similar on the two rotor elements 51, 52.
De manière avantageuse, les deux faces de l’élément de rotor 51, 52 et les deux faces de l’élément de stator 4 sont au contact d’un flux d’air, ce qui permet d’améliorer leur refroidissement. De manière préférée, la carène périphérique 3 comporte une ouverture de ventilation, en particulier une fente, afin de faciliter le refroidissement de l’élément de stator 4.Advantageously, the two faces of the rotor element 51, 52 and the two faces of the stator element 4 are in contact with an air flow, which makes it possible to improve their cooling. Preferably, the peripheral hull 3 comprises a ventilation opening, in particular a slot, in order to facilitate the cooling of the stator element 4.
De manière préférée, les éléments de rotor 51, 52 sont guidés en rotation dans la carène périphérique 3 par l’intermédiaire de paliers de guidage, en particulier, des roulements à billes ou des paliers magnétiques. Autrement dit, les éléments de rotor 51, 52 sont entrainés de manière périphérique et non de manière centrale comme dans un propulseur conventionnel. Le moyeu central possède une structure plus légère qui n’impacte pas la circulation du flux d’air.Preferably, the rotor elements 51, 52 are guided in rotation in the peripheral hull 3 via guide bearings, in particular ball bearings or magnetic bearings. In other words, the rotor elements 51, 52 are driven peripherally and not centrally as in a conventional thruster. The central hub has a lighter structure that does not impact the circulation of the airflow.
De manière préférée, le moteur électrique 6 est un moteur synchrone, en particulier, à flux radial. De manière préférée, dans cet exemple d’application, un moteur électrique 6 du type Halbach est préféré car il permet d’augmenter la densité de puissance du système (puissance augmentée pour encombrement /masse constant).Preferably, the electric motor 6 is a synchronous motor, in particular, radial flux. Preferably, in this application example, an electric motor 6 of the Halbach type is preferred because it makes it possible to increase the power density of the system (increased power for constant size/mass).
Un exemple de mise en œuvre d’un procédé d’utilisation d’un propulseur électrique P selon l’invention va être dorénavant présenté.An example of implementation of a method of using an electric thruster P according to the invention will now be presented.
En référence à la figure 3, le procédé comporte une étape d’alimentation E1 en courant des phases de l’élément de stator 4 via l’onduleur de propulsion 7 suite à une commande issue du calculateur de lois de commande 8.With reference to FIG. 3, the method includes a step of supplying current E1 to the phases of the stator element 4 via the propulsion inverter 7 following a command from the control law calculator 8.
Suite à l’étape d’alimentation E1, le procédé comporte une étape d’entrainement magnétique E2 en rotation des pôles du premier élément de rotor 1 par le champ magnétique tournant généré par l’alimentation électrique des phases de l’élément de stator 4 à une première vitesse V1. En effet, les N1 paires de pôles P1 du premier élément de rotor 1 interagissent magnétiquement avec le champ magnétique tournant généré par l’alimentation électrique des phases de l’élément de stator 4. Il en résulte alors une rotation du premier organe de propulsion 1.Following the power supply step E1, the method comprises a magnetic drive step E2 in rotation of the poles of the first rotor element 1 by the rotating magnetic field generated by the electrical supply of the phases of the stator element 4 at a first speed V1. Indeed, the N1 pairs of poles P1 of the first rotor element 1 interact magnetically with the rotating magnetic field generated by the electrical supply of the phases of the stator element 4. This then results in a rotation of the first propulsion member 1 .
De manière analogue, du fait de la génération d’un champ magnétique tournant induit par la circulation du courant dans les phases de l’élément de stator 4, le procédé comporte une étape d’entrainement magnétique E3 en rotation des N2 paires de pôles P2, du deuxième élément de rotor 2 par l’élément de stator 4 à une deuxième vitesse V2. Il en résulte alors une rotation du deuxième organe de propulsion 2.Similarly, due to the generation of a rotating magnetic field induced by the flow of current in the phases of the stator element 4, the method includes a magnetic drive step E3 in rotation of the N2 pairs of poles P2 , of the second rotor element 2 by the stator element 4 at a second speed V2. This then results in a rotation of the second propulsion member 2.
Comme présenté précédemment, la vitesse V1, V2 de rotation d’un élément de rotor 51, 52 est fonction du nombre N1, N2 de paires de pôles P1, P2. Ainsi, dans l’exemple de mise en œuvre présent, les vitesses de rotation V1, V2 sont différentes et il existe un différentiel de vitesse entre les organes de propulsion 1, 2, ce qui diminue les nuisances acoustiques.As presented previously, the speed V1, V2 of rotation of a rotor element 51, 52 is a function of the number N1, N2 of pairs of poles P1, P2. Thus, in the example of implementation present, the speeds of rotation V1, V2 are different and there is a speed differential between the propulsion members 1, 2, which reduces the acoustic nuisances.
Dans cet exemple, chaque organe de propulsion 1, 2 est guidé en rotation autour de l’axe X dans la carène périphérique 3 par l’intermédiaire de paliers de guidage positionnés à l’interface entre la carène périphérique 3 et les éléments de rotor 51, 52 reliés respectivement aux organes de propulsion 1, 2. De préférence, l’élément de stator 4 comporte des moyens de dissipation de chaleur pour éviter toute surchauffe lors du fonctionnement du propulseur électrique P.In this example, each propulsion member 1, 2 is guided in rotation about the axis X in the peripheral hull 3 via guide bearings positioned at the interface between the peripheral hull 3 and the rotor elements 51 , 52 respectively connected to the propulsion members 1, 2. Preferably, the stator element 4 comprises heat dissipation means to prevent any overheating during operation of the electric thruster P.
Claims (10)
- un élément de stator périphérique (4),
- un premier élément de rotor (51), solidaire du premier organe de propulsion (1), comportant un premier nombre N1 de paires de pôles (P1) configurés pour être entrainés magnétiquement par le champ magnétique tournant généré par l’élément de stator périphérique (4)
- un deuxième élément de rotor (52), solidaire du deuxième organe de propulsion (2), comportant un deuxième nombre N2 de paires de pôles (P2) configurés pour être entrainés magnétiquement par le champ magnétique tournant généré par l’élément de stator périphérique (4), le deuxième nombre N2 étant différent du premier nombre N1 de paires de pôles (P1) de manière à entrainer les organes de propulsion (1, 2) à des vitesses de rotation (V1, V2) différentes.
- a peripheral stator element (4),
- a first rotor element (51), integral with the first propulsion member (1), comprising a first number N1 of pairs of poles (P1) configured to be driven magnetically by the rotating magnetic field generated by the peripheral stator element ( 4)
- a second rotor element (52), integral with the second propulsion member (2), comprising a second number N2 of pairs of poles (P2) configured to be driven magnetically by the rotating magnetic field generated by the peripheral stator element ( 4), the second number N2 being different from the first number N1 of pairs of poles (P1) so as to drive the propulsion members (1, 2) at different speeds of rotation (V1, V2).
dans laquelle
-fmec1 est la fréquence mécanique du premier organe de propulsion (1)
-fmec2 est la fréquence mécanique du deuxième organe de propulsion (2).Electric thruster (P) for aircraft according to one of Claims 1 to 4, in which the second number N2 of pairs of poles (P1, P2) is defined with respect to the first number N1 of pairs of poles (P1, P2) according to the following formula:
in which
-fmec1 is the mechanical frequency of the first propulsion unit (1)
-fmec2 is the mechanical frequency of the second propulsion member (2).
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