WO2024256085A1 - Demarreur-generateur a fonction demarreur amelioree - Google Patents

Demarreur-generateur a fonction demarreur amelioree Download PDF

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WO2024256085A1
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starter
generator
rotor
exciter
winding
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PCT/EP2024/062578
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English (en)
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François BEL
Amira MAALOUF
Jean-Pierre COUTIN
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Safran Electrical & Power Sas
Original Assignee
Safran Electrical & Power Sas
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Publication date
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    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P9/00—Arrangements for controlling electric generators for the purpose of obtaining a desired output
    • H02P9/08—Control of generator circuit during starting or stopping of driving means, e.g. for initiating excitation
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02N2011/0881—Components of the circuit not provided for by previous groups
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • H02K19/00—Synchronous motors or generators
    • H02K19/16—Synchronous generators
    • H02K19/38—Structural association of synchronous generators with exciting machines

Definitions

  • the present invention relates to a starter-generator coupled to a combustion engine.
  • the field of application of the invention is more particularly that of starter-generators for gas turbine propulsion aeronautical engines mounted on aircraft.
  • the invention is however applicable to other types of combustion engines, for example internal combustion engines, industrial turbines, helicopter turbines or auxiliary power unit turbines or APUs.
  • Such a starter-generator comprises a rotating electrical machine intended to be mechanically coupled to a shaft of a combustion engine.
  • the starter-generator is capable of operating in a generator mode, during a so-called generation phase, during which the combustion engine drives the shaft in rotation and the rotating electrical machine transforms the mechanical rotational energy of the shaft into electrical energy intended to electrically supply an electrical network, for example an on-board network of an aircraft.
  • the starter-generator is also capable of operating in starter mode, during a so-called start-up phase, during which the rotating electrical machine supplies mechanical power to the shaft of the combustion engine to and rotate the shaft of the combustion engine so as to start the combustion engine.
  • the rotating electrical machine often called S/G for its English acronym: "Starter/Generator” usually includes a main electrical machine, an exciter and possibly an auxiliary generator. These elements of the rotating machine are mounted on a common shaft mechanically coupled to a shaft of the combustion engine.
  • a starter-generator is a brushless starter-generator.
  • the main electrical machine forms a main electrical generator (or alternator) operating in synchronous mode.
  • the electrical machine main has a rotor winding, and stator windings which, when operating in synchronous generator mode, convert the mechanical energy supplied by a shaft mechanically coupled to the combustion engine into alternating electrical energy, for example three-phase, supplying an on-board network of an aircraft.
  • the alternating on-board network of aircraft supplied by the voltage delivered by the starter-generator operating as a generator, can be at a fixed frequency, generally 400 Hz or at a variable frequency set to the drive speed of the alternator. In the case of a fixed frequency network, the network can be supplied by an auxiliary power unit APU operating at constant speed.
  • the exciter comprises a wound rotor supplying the rotor of the main machine through a rotating rectifier and a stator comprising a stator winding supplied with direct current during the generation phase and with alternating current during the start-up phase.
  • the stator winding of the exciter is generally designed for a direct voltage with a large number of turns adapted to the generator mode. As a result, its inductance is large, which would require a high voltage to excite it in alternating current in the starting phase. To limit this voltage to an acceptable level, it is possible to provide two separate stator windings, one supplied with direct current for the generator mode and the other with alternating current for the starter mode.
  • the exciter in starting mode, has a low power factor, due to the high magnetization current caused by the presence of an air gap between the rotor and the stator in the magnetic circuit. This limits the performance of the exciter and to overcome this defect, it is necessary to increase the dimensions of the starter-generator only to ensure the starting function. This increase in dimensions is once again to the detriment of mass and bulk.
  • the low power factor of the exciter also requires an oversized exciter power supply converter due to the high currents to be supplied to the AC winding for starting compared to the active power to be supplied.
  • the generation of the voltage by switching requires the addition of an output filter for electromagnetic compatibility issues in order to limit the impact of voltage switching on the exciter winding and on the rotating rectifier.
  • US patent 6,998,726 proposes two solutions for improving the power factor: either by injecting a harmonic component 3 added to the sinusoidal voltage supplying the alternating winding or by supplying this winding by means of a square signal.
  • the invention aims to overcome all or part of the problems mentioned above by proposing a starter-generator whose starting function is particularly well adapted.
  • the invention relates to a brushless starter-generator, capable of operating in starter mode so as to drive a combustion engine in rotation, and in synchronous electric generator mode so as to transform into electrical energy mechanical energy supplied by the combustion engine, the starter-generator comprising:
  • main electrical machine having a stator comprising stator windings and a rotor comprising a rotor winding and intended to be mechanically coupled to the combustion engine
  • an exciter comprising a stator, comprising a stator winding, and a rotor comprising rotor windings connected to the rotor winding of the main electrical machine via the rotating rectifier, the rotors of the main electrical machine and the exciter forming the rotor of the starter-generator, the rotor being intended to be mechanically coupled to the combustion engine,
  • the alternating voltage alternations have a square wave shape of constant amplitude.
  • the frequency of the alternating voltage alternations is fixed.
  • the regulator is configured to generate a duty cycle comprising an increasing phase at the start of rotation of the rotor.
  • the starter-generator comprises an auxiliary generator configured to supply the stator winding with direct current when the starter-generator operates in generator mode.
  • the stator winding comprises two end terminals and an intermediate terminal and in which, the alternating current is applied between one of the end terminals and the intermediate terminal, and the direct current is applied between two end terminals.
  • the stator winding of the exciter is supplied only with alternating current
  • the exciter comprises a second stator winding
  • the regulator is configured to supply the second stator winding with direct current when the starter-generator operates in generator mode.
  • Figure 1 schematically represents a starter-generator according to one embodiment of the invention
  • Figure 2 shows in the form of a timing diagram an example of a signal applied to a stator winding of an exciter of the starter-generator in starting mode
  • Figure 3 shows an example of a converter for supplying the stator winding of the exciter in starter mode
  • Figure 4 shows in the form of a timing diagram an example of voltage and current applied to the terminals of the stator winding by the converter of Figure 3;
  • Figure 5 shows a variant of the stator of the starter-generator exciter;
  • Figure 6 shows another variant of the stator of the starter-generator exciter.
  • FIG. 1 schematically represents a brushless starter-generator 1 with wound rotor excitation according to the invention.
  • the starter-generator 1 comprises a rotating electrical machine 100 intended to be mechanically coupled to a shaft 201 of a combustion engine 200.
  • the starter-generator 1 is able to operate in generator mode, during a so-called generation phase, during which the combustion engine 200 supplies motive power to the rotating electrical machine 100.
  • the rotating machine 100 transforms the mechanical rotational energy of the shaft 201 into electrical energy intended to supply an electrical network, for example an on-board network of an aircraft.
  • the starter-generator 1 is also able to operate in starter mode, during a start-up phase, during which it rotates the shaft 201 of the combustion engine 200 so as to start it.
  • the rotating electrical machine 100 comprises three sub-machines whose rotors are mechanically coupled: a main electrical machine 10, an exciter 20, and optionally an auxiliary generator 30, as well as a rotating rectifier bridge 40.
  • the rotating electrical machine 100 comprises a casing 150 housing the main electrical machine 10, the exciter 20 and the optional auxiliary generator 30.
  • the stator of the rotating electrical machine 100 is fixed to the casing 150.
  • the rotors of the main electrical machine 10, of the exciter 20 and of the auxiliary generator 30 form the rotor 75 of the electrical machine 100. They are mounted on a common shaft 101 of which only the part outside the casing 150 is shown in FIG. 1.
  • the common shaft 101 is intended to be mechanically coupled to the shaft 201 of the combustion engine 200.
  • the combustion engine 200 is for example a piston engine or a gas turbine. commonly used for the propulsion of an aircraft.
  • On board an aircraft there is also an auxiliary generator known in English as: "Auxilairy Power Unit" or by its acronym APU which also requires a starter-generator. More generally, the invention can be implemented in a starter-generator coupled to any type of combustion engine.
  • the coupling of the shafts 101 and 201 can be disconnectable for example by means of a dog device which can be actuated in the event of a malfunction of either the combustion engine 200 or the starter-generator 1.
  • the casing 150 is intended to be mounted on a support of the equipment comprising the combustion engine 200, for example a support of an aircraft.
  • the rotating electrical machine 100 drives the common shaft 101 in rotation.
  • the common shaft 101 rotates relative to the casing 150.
  • the starter-generator 1 comprises elements for accelerating the rotor 13 of the main electrical machine 10 mechanically coupled to the combustion engine 200, so as to drive the combustion engine 200, in starter mode, to a rotational speed where it can maintain its speed thanks to the combustion of fuel. No auxiliary starting device outside the starter-generator 1 is necessary to start the combustion engine 200.
  • the main electrical machine 10 forms a synchronous electric motor which provides the torque necessary to rotate the combustion engine 200.
  • the exciter 20 is supplied with alternating current so as to start the combustion engine.
  • the main electrical machine 10 comprises a stator 11 comprising stator windings 12a, 12b, 12c which can be connected in star, as shown, or in delta if the stator 11 is three-phase. Other numbers of phases are also possible.
  • the rotor 13 comprises a rotor winding 14.
  • the main electrical machine 10 constitutes a synchronous electrical generator which transforms the mechanical rotational energy of the common shaft 101 mechanically coupled to the shaft 201 of the combustion engine 200 into electrical energy of electrical voltage U delivered at the output of its stator 11 on a power supply line 60 which conveys the electrical energy to a device intended to be electrically powered, for example an on-board network 202 of the aircraft.
  • the voltage U is a three-phase electrical voltage in the example shown. The invention can be implemented regardless of the number of phases of the stator 11.
  • the exciter 20 comprises a stator 21 and a rotor 22 secured to the shaft 101.
  • the rotor 22 comprises rotor windings 23a, 23b, 23c, which can be connected in star or in any other way. As previously, the invention can be implemented regardless of the number of phases of the rotor 22.
  • the stator 21 comprises a stator winding 24 forming a wound inductor which can be traversed either by an alternating current in starter mode or by a direct current in generator mode.
  • the alternating currents developed at the rotor 22 of the exciter 20 are rectified by the rotating rectifier 40, such as a rotating diode bridge 41, to supply the rotor winding 14 of the main electrical machine 10 with direct current.
  • the auxiliary generator 30 is for example a synchronous generator comprising a rotor 31 secured to the shaft 101 and comprising permanent magnets 32.
  • the auxiliary generator 30 comprises a stator 33 comprising stator windings 34a, 34b, 34c.
  • the stators of the possible auxiliary generator 30, of the exciter 20 and of the main machine 10 form the stator of the rotating electrical machine. It is fixed relative to the casing 150.
  • the aforementioned rotors and stators each comprise a structure on which the windings of the corresponding rotor or stator are fixed.
  • the starter-generator 1 further comprises a regulator 50 configured to supply the stator winding 24 with alternating current when the starter-generator 1 operates in starter mode.
  • the stator winding 24 is for example supplied by the auxiliary generator 30 through a rectifier 52 which may be accompanied by a regulator, not shown.
  • the change from starter mode to generator mode is for example carried out by means of a contactor 25 when the same winding 24 is supplied either with alternating current for the starter mode or with direct current for the generator mode. It is possible to do without the contactor 25 when the stator 21 comprises two separate windings, one for the starter mode and the other for the generator mode, as will be seen later with the aid of FIG. 5.
  • the electrical energy used to power the stator winding 24 can come from different sources: the on-board network 202, the auxiliary generator 30, a battery 60 or a ground socket 70.
  • the on-board network 202 can be energized, which makes it possible to power other starter-generators associated in particular with the propulsion engines.
  • auxiliary generator 30 Power supply via the auxiliary generator 30 cannot be provided as long as the shaft 101 is stationary.
  • the auxiliary generator 30 can however take over from another power source in starter mode.
  • FIG. 1 several energy sources are shown to power the stator winding 24.
  • the invention can be implemented regardless of the source(s) used to power the stator winding 24.
  • the regulator 50 comprises several converters. In practice, the number of converters and the function of each are adapted to the number and specificities of the different energy sources used to power the stator winding 24.
  • a first rectifier 51 transforms the energy from the on-board network 202 or from the park socket 70 into direct voltage.
  • the starter-generator 1 In starter mode, the starter-generator 1 does not produce electrical energy and the stator 11 is then not connected to the on-board network 202.
  • a contactor 15 makes it possible to disconnect the stator 11 from the on-board network 202 in starter mode and to connect it in generator mode.
  • An inverter 53 receives the direct voltages from the rectifier 51 or possibly from the battery 60 to power the stator winding 24 with alternating voltage.
  • the regulator 50 may further comprise a control module 54 managing the various converters, in particular the rectifier 51 and the inverter 53.
  • the regulator 50 may also comprise other contactors, not shown in FIG. 1 and in particular enabling switching from one source to another: 60, 70, 202. These contactors are controlled by the control module 54.
  • Figure 2 shows in the form of a timing diagram an example of a signal applied to the stator winding 24 in start-up mode. More precisely, the regulator 50 is configured to apply to the stator winding 24 an alternating voltage whose amplitude width is modulated. The modulation comprises an increasing phase of the amplitude width at the start of rotation of the rotor 75.
  • the width of the alternation is defined as the duration separating the rise from the fall in voltage to mid-voltage value of the maximum amplitude.
  • the duty cycle represents the ratio between the width of two successive alternations, one positive and the other negative, and the duration of a period of the alternating signal.
  • the frequency of the alternating voltage applied to the stator winding 24 may vary during the start-up phase. However, to simplify the control of the inverter 53, a fixed frequency is however preferable.
  • the alternations any form of voltage evolution as a function of time.
  • the alternations a sinusoidal shape, for example by generating the sinusoidal shape using pulse width modulation (PWM) cutting.
  • PWM pulse width modulation
  • the alternations a shape substantially in constant amplitude square waves. More precisely, the switches of the inverter 53 only switch twice per alternation, once to establish the voltage and a second time to interrupt it. The square waveform is directly given by the switching of the electronic switches of the inverter 53. It is then not necessary to add a filter at the output of the inverter 53.
  • Figure 2 shows more precisely the shape of the alternating voltage applied to the stator winding at the start of the start-up phase. Time is shown on the abscissa and the voltage on the ordinate. The voltage is expressed as a percentage of the voltage present at the output of the rectifier 51 supplying the inverter 53.
  • the square wave shape of the alternations shown in Figure 2 is a theoretical shape. In practice, the actual voltage undergoes variations around this square wave shape.
  • the electronic switches of the inverter 53 are controlled by means of a square wave signal and parasitic phenomena are often found on the alternating voltage applied to the stator winding of the exciter, phenomena such as transients when the electronic switches switch.
  • the increasing phase of the duty cycle is shown over about twenty alternations to illustrate the invention at the start of the phase of starting.
  • the increasing phase can be spread over a greater number of alternations.
  • the alternating voltage applied to the stator winding 24 can have a fixed frequency of 1 kHz.
  • the duration of the starting phase can be of the order of a second. It may then be necessary to vary the duty cycle over a thousand alternations.
  • the duration of the increasing phase can be predetermined in the regulator 50. It is also possible to predetermine the evolution of the duty cycle during the increasing phase.
  • the predetermination is mainly defined as a function of the electrical time constant of the exciter. For example, it is possible to define a ramp with a constant slope defining the duty cycle as a function of time.
  • the duty cycle can be varied as a function of the torque to be supplied to start the motor 200. More precisely, during the increase in speed of the rotor 75, it is possible to first deliver a constant torque to the motor 200 and then deliver a constant power.
  • the invention providing for a variation of the duty cycle can be applied to the entire start-up phase, in particular at the beginning of the latter with an increasing phase of the duty cycle even though the rotor 75 is still stationary and has barely started to rotate.
  • a decreasing phase of the duty cycle can be applied in order to reduce the direct excitation current applied to the rotor winding 14 of the main electrical machine 10, for example when switching from constant torque control to constant power control. Then, during constant power control, the speed of the rotor 75 increases and it is still desirable to reduce the direct excitation current by further reducing the duty cycle.
  • Figure 3 shows an example of an inverter 53 comprising two branches 53a and 53b.
  • Branch 53a comprises two electronic switches 53a+ and 53a- each associated with a freewheel diode.
  • the electronic switches 53a+ and 53a- are connected in series between two input terminals + and - receiving a DC voltage.
  • branch 53b comprises two electronic switches 53b+ and 53b- each associated with a freewheel diode and connected in series between the two input terminals + and
  • the DC voltage coming from one of the rectifiers 51 or 52 is applied between the two input terminals + and
  • the stator winding 24 is connected between the common points of the two switches of each of branches 53a and 53b.
  • FIG. 4 shows in the form of a timing diagram over two periods T, i.e. four alternations, the evolution over time of the voltage at the terminals of the stator winding 24 and of the current flowing in the stator winding 24.
  • a first step A the switches 53a+ and 53b+ are closed, the switches 53a- and 53b- are open and the voltage applied to the stator winding 24 is zero.
  • a second step B the switches 53a+ and 53b- are closed, the switches 53a- and 53b+ are open and the voltage applied to the stator winding 24 is positive.
  • step B a third step C follows during which the switches 53a+ and 53b+ are open, the switches 53a- and 53b- are closed and the voltage applied to the stator winding 24 is again zero.
  • step D follows during which the switches 53a+ and 53b- are open, the switches 53a- and 53b+ are closed and the voltage applied to the stator winding 24 is negative.
  • Step B forms a positive alternation and step D, a negative alternation.
  • Each step begins with a switching of switches and ends with a switching of another switch. No switching is carried out between the beginning and the end of each step.
  • the duty cycle of a period T is the ratio between the sum of the durations of steps B and D, where a voltage is applied to the stator winding 24, and the total duration of the period, i.e. the sum of the durations of the four steps A, B, C, D.
  • FIG. 2 represents an example of variation in duty cycle over about twenty periods during the starting phase of the combustion engine 200.
  • the duty cycle is low, for example of the order of 10%. Then the duty cycle increases.
  • the duty cycle reaches 50%. It is understood that the duty cycle can still increase later before reaching a phase where the starter-generator is driven at constant torque.
  • Figure 5 shows a variant of the stator 21 of the exciter 20 of the starter-generator 1.
  • the stator 21 of the exciter 20 can comprise two separate windings, one DC supplied with direct current during the generation phase and the other AC supplied with alternating current during the starting phase of the motor 200.
  • the winding marked AC in Figure 5 corresponds to the winding 24 shown in Figure 1.
  • the two AC and DC windings are arranged in quadrature, which limits the currents induced during the starting phase of the motor 200 in the DC winding due to the power supply of the AC winding.
  • the shape of the alternating excitation signal applied to the winding 24, in particular a square-wave signal allows an increase in the number of turns of the winding 24, compared to the number of turns required by traditional excitation by sinusoidal voltage. This makes it possible to reduce the asymmetry between the numbers of turns of the AC and DC windings of the stator 21 of the exciter 20 and therefore to limit the problems of high voltage induced in the DC winding during excitation on the AC winding.
  • Figure 6 shows a variant of the stator 21 in which the winding 24 has three terminals including two end terminals 24a and 24b and an intermediate terminal 24c.
  • the winding 24 is supplied with alternating current AC by implementing the increasing phase as for example illustrated using Figure 2. More precisely, the winding 24 is supplied between its terminals 24a and 24c.
  • the entire winding 24 is supplied with direct current DC between its terminals 24a and 24b.

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Abstract

L'invention concerne un démarreur-générateur sans balais (1 ) comprenant : - une machine électrique principale (10) ayant un stator (11 ) comprenant des enroulements statoriques (12a, 12b, 12c) et un rotor (13) comprenant un enroulement rotorique (14) et destiné à être couplé mécaniquement au moteur à combustion (200), - une excitatrice (20) comprenant un enroulement statorique (24) et des enroulements rotoriques (23a, 23b, 23c) reliés à l'enroulement rotorique (14) de la machine électrique principale (10) les rotors de la machine électrique principale (10) et de l'excitatrice (20) formant le rotor (75) du démarreur-générateur, - un régulateur (50) configuré pour alimenter l'enroulement statorique de l'excitatrice en tension alternative à modulation de rapport cyclique de largeur d'alternance lorsque le démarreur-générateur fonctionne en mode démarreur, le régulateur étant configuré pour faire varier le rapport cyclique de façon à faire varier une excitation délivrée par le rotor (22) de l'excitatrice à l'enroulement rotorique de la machine électrique principale.

Description

DESCRIPTION
Titre de l’invention : Démarreur-générateur à fonction démarreur améliorée
[0001] La présente invention se rapporte à un démarreur-générateur couplé à un moteur à combustion. Le domaine d’application de l’invention est plus particulièrement celui des démarreurs-générateurs pour des moteurs aéronautiques de propulsion à turbine à gaz montés sur des aéronefs. L’invention est toutefois applicable à d’autres types de moteurs à combustion, par exemple des moteurs à combustion interne, des turbines industrielles, des turbines d’hélicoptères ou des turbines de groupes auxiliaires de puissance ou APU acronyme de l’expression anglo-saxonne « Auxiliary Power Unit ».
[0002] Un tel démarreur-générateur comprend une machine électrique tournante destinée à être couplée mécaniquement à un arbre d’un moteur à combustion. Le démarreur-générateur est apte à fonctionner dans un mode générateur, pendant une phase dite de génération, lors de laquelle le moteur à combustion entraine l’arbre en rotation et la machine électrique tournante transforme l’énergie mécanique de rotation de l’arbre en énergie électrique destinée à alimenter électriquement un réseau électrique, par exemple un réseau de bord d’un aéronef. Le démarreur-générateur est également apte à fonctionner en mode démarreur, pendant une phase dite de démarrage, lors de laquelle la machine électrique tournante fournit la puissance mécanique à l’arbre du moteur à combustion pour et entraîner en rotation l’arbre du moteur à combustion de façon à démarrer le moteur à combustion.
[0003] La machine électrique tournante souvent appelés S/G pour son acronyme anglais : « Starter/Generator » comprend de façon usuelle une machine électrique principale, une excitatrice et éventuellement une génératrice auxiliaire. Ces éléments de la machine tournante sont montés sur un arbre commun couplé mécaniquement à un arbre du moteur à combustion. Un tel démarreur-générateur est un démarreur-générateur sans balais (ou « brushless » en terminologie anglo- saxonne).
[0004] La machine électrique principale forme une génératrice électrique principale (ou alternateur) fonctionnant en mode synchrone. La machine électrique principale possède un enroulement rotorique, et des enroulements statoriques qui, lorsqu’elle fonctionne en mode générateur synchrone, convertissent l’énergie mécanique fournie par un arbre couplé mécaniquement au moteur à combustion en une énergie électrique alternative par exemple triphasée alimentant un réseau de bord d’un aéronef. Pour les applications aéronautiques, le réseau de bord alternatif des aéronefs, alimenté par la tension délivrée par le démarreur- générateur fonctionnant en génératrice, peut être à fréquence fixe, généralement 400 Hz ou à fréquence variable calée sur la vitesse d’entrainement de l’alternateur. Dans le cas d’un réseau à fréquence fixe, le réseau peut être alimenté par un groupe auxiliaire de puissance APU fonctionnant à vitesse constante. Il est également possible d’entrainer un alternateur à vitesse constante au moyen d’un régulateur mécanique puisant son énergie d’un moteur tournant à vitesse variable. Il est également possible de mettre en œuvre un alternateur à fréquence variable et d’intercaler entre cet alternateur et le réseau de bord un convertisseur générant une tension alternative à fréquence fixe.
[0005] L’excitatrice comprend un rotor bobiné alimentant le rotor de la machine principale au travers d’un redresseur tournant et un stator comprenant un enroulement statorique alimenté en courant continu pendant la phase de génération et en courant alternatif pendant la phase de démarrage.
L’enroulement statorique de l’excitatrice est généralement conçu pour une tension continue avec un nombre de spires important adapté au mode générateur. De ce fait, son inductance est grande, ce qui nécessiterait une haute tension pour l’exciter en alternatif dans la phase de démarrage. Pour limiter cette tension à un niveau acceptable, il est possible de prévoir deux enroulements statoriques distincts, l’un alimenté en courant continu pour le mode générateur et l’autre en courant alternatif pour le mode démarreur.
[0006] Il est possible d’utiliser la tension alternative du réseau 400 Hz pour alimenter l’enroulement alternatif de l’excitatrice mais cette fréquence peut s’avérer trop basse pour les performances de l’excitatrice et en outre ne permet pas d’ajuster le niveau d’excitation.
[0007] Du fait de la dissymétrie entre les nombres de spires habituellement requis pour les deux enroulements, une haute tension peut être induite sur l’enroulement d’excitation continu lors de la phase de démarrage où l’enroulement d’excitation alternative est alimenté. Cette tension peut dépasser significativement les seuils habituellement admis sur les réseaux de bord. Une solution consiste en l’utilisation de nombreux contacteurs et câbles pour passer d’une configuration de d’enroulement utilisée pour le démarrage à celle utilisée pour la génération électrique. Ces solutions sont lourdes et encombrantes. Une autre solution décrite dans la demande de brevet FR 2 348 594 consiste à disposer les deux enroulements en quadrature, ce qui limite les courants induits dans l’enroulement continu du fait de l’alimentation de l’enroulement alternatif. Encore une autre solution décrite dans la demande de brevet WO 2017/211838 A1 prévoit de court- circuiter l’enroulement continu lors de la phase de démarrage.
[0008] Par ailleurs, l’excitatrice, en mode démarrage, possède un faible facteur de puissance, du fait du courant de magnétisation important dû à la présence d’un entrefer entre rotor et stator dans le circuit magnétique. Ceci limite les performances de l’excitatrice et pour pallier ce défaut, on est tenu d’augmenter les dimensions du démarreur-générateur uniquement pour assurer la fonction de démarrage. Cette augmentation de dimension se fait une nouvelle fois au détriment de la masse et de l’encombrement.
[0009] Le faible facteur de puissance de l’excitatrice impose aussi un convertisseur d’alimentation de l’excitatrice surdimensionné du fait de courants importants à fournir à l’enroulement alternatif pour le démarrage par rapport à la puissance active à fournir. De plus, la génération de la tension par découpage nécessite l’ajout d’un filtre de sortie pour les problématiques de compatibilité électromagnétique afin de limiter l’impact des commutations de tensions sur le bobinage de l’excitatrice et sur le redresseur tournant.
[0010] Le brevet US 6 998 726 propose deux solutions pour améliorer le facteur de puissance : soit en injectant une composante harmonique 3 ajoutée à la tension sinusoïdale alimentant l’enroulement alternatif soit en alimentant cet enroulement au moyen d’un signal carré.
[0011] Ceci permet à partir de la même tension d’entrée du convertisseur, de réduire la valeur efficace du courant qui doit être fourni par l’excitatrice, pour les mêmes performances du système de démarrage. Cette solution peut cependant nécessiter l’emploi d’un filtre de sortie sur le convertisseur. [0012] Le signal carré permet de réduire significativement les pertes par commutation dans le convertisseur formant le signal d’alimentation de l’enroulement alternatif de démarrage, la tension de sortie n’étant plus découpée. Cependant les solutions proposées par le brevet US 6 998 726 ne permettent pas de réguler le courant de sortie de l’excitatrice, à moins de disposer d’une tension d’entrée variable sur le convertisseur ou d’un étage supplémentaire pour l’ajuster.
[0013] L’invention vise à pallier tout ou partie des problèmes cités plus haut en proposant un démarreur-générateur dont la fonction démarrage est particulièrement bien adaptée.
[0014] A cet effet, l’invention a pour objet un démarreur-générateur sans balais, apte à fonctionner en mode démarreur de façon à entraîner en rotation un moteur à combustion, et en mode générateur électrique synchrone de façon à transformer en énergie électrique une énergie mécanique fournie par le moteur à combustion, le démarreur-générateur comprenant :
- une machine électrique principale ayant un stator comprenant des enroulements statoriques et un rotor comprenant un enroulement rotorique et destiné à être couplé mécaniquement au moteur à combustion,
- un redresseur tournant,
- une excitatrice comprenant un stator, comprenant un enroulement statorique, et un rotor comprenant des enroulements rotoriques reliés à l'enroulement rotorique de la machine électrique principale par l'intermédiaire du redresseur tournant, les rotors de la machine électrique principale et de l'excitatrice formant le rotor du démarreur-générateur, le rotor étant destiné à être couplé mécaniquement au moteur à combustion,
- un régulateur raccordé à l'enroulement statorique de l’excitatrice, configuré pour alimenter l'enroulement statorique de l’excitatrice en tension alternative à modulation de rapport cyclique de largeur d'alternance lorsque le démarreur- générateur fonctionne en mode démarreur, et configuré pour faire varier le rapport cyclique de façon à faire varier une excitation délivrée par le rotor de l'excitatrice au à l'enroulement rotorique de la machine électrique principale. [0015] Avantageusement, les alternances de tension alternative ont une forme en créneaux d'amplitude constante.
[0016] Avantageusement, la fréquence des alternances de tension alternative est fixe.
[0017] Avantageusement, le régulateur est configuré pour générer un rapport cyclique comprenant une phase croissante au démarrage de la rotation du rotor.
[0018] Avantageusement, le démarreur-générateur comprend une génératrice auxiliaire configurée pour alimenter l'enroulement statorique en courant continu lorsque le démarreur-générateur fonctionne en mode générateur.
[0019] Avantageusement, l'enroulement statorique comprend deux bornes d'extrémité et une borne intermédiaire et dans lequel, le courant alternatif est appliqué entre une des bornes d'extrémité et la borne intermédiaire, et le courant continu est appliqué entre deux bornes d'extrémité.
[0020] Avantageusement, l'enroulement statorique de l'excitatrice n'est alimenté qu'en courant alternatif, l'excitatrice comprend un second enroulement statorique et le régulateur est configuré pour alimenter le second enroulement statorique en courant continu lorsque le démarreur-générateur fonctionne en mode générateur.
[0021] L’invention sera mieux comprise et d’autres avantages apparaîtront à la lecture de la description détaillée d’un mode de réalisation donné à titre d’exemple, description illustrée par le dessin joint dans lequel :
[0022] la figure 1 représente schématiquement un démarreur-générateur selon un mode de réalisation de l’invention ;
[0023] la figure 2 représente sous forme de chronogramme un exemple de signal appliqué à un enroulement statorique d’une excitatrice du démarreur-générateur en mode démarrage ;
[0024] la figure 3 représente un exemple de convertisseur permettant d’alimenter l’enroulement statorique de l’excitatrice en mode démarreur ;
[0025] la figure 4 représente sous forme de chronogramme un exemple de tension et d’intensité appliqué aux bornes de l’enroulement statorique par le convertisseur de la figure 3 ; [0026] la figure 5 représente une variante du stator de l’excitatrice du démarreur- générateur ;
[0027] la figure 6 représente une autre variante du stator de l’excitatrice du démarreur-générateur.
[0028] Par souci de clarté, les mêmes éléments porteront les mêmes repères dans les différentes figures.
[0029] La figure 1 représente schématiquement un démarreur-générateur sans balais 1 à excitation rotorique bobinée selon l’invention. Le démarreur-générateur 1 comprend une machine électrique tournante 100 destinée à être couplée mécaniquement à un arbre 201 d’un moteur à combustion 200. Le démarreur- générateur 1 est apte à fonctionner en mode générateur, pendant une phase dite de génération, lors de laquelle le moteur à combustion 200 fournit une puissance motrice à la machine électrique tournante 100. Lors de cette phase la machine tournante 100 transforme l’énergie mécanique de rotation de l’arbre 201 en énergie électrique destinée à alimenter un réseau électrique, par exemple un réseau de bord d’un aéronef. Le démarreur-générateur 1 est également apte à fonctionner en mode démarreur, pendant une phase de démarrage, lors de laquelle il entraîne en rotation l’arbre 201 du moteur à combustion 200 de façon à le démarrer.
[0030] La machine électrique tournante 100 comprend trois sous machines dont les rotors sont couplés mécaniquement : une machine électrique principale 10, une excitatrice 20, et en option une génératrice auxiliaire 30, ainsi qu’un pont redresseur tournant 40. La machine électrique tournante 100 comprend un carter 150 logeant la machine électrique principale 10, l’excitatrice 20 et l’éventuelle génératrice auxiliaire 30. Le stator de la machine électrique tournante 100 est fixé au carter 150.
[0031] Les rotors de la machine électrique principale 10, de l’excitatrice 20 et de la génératrice auxiliaire 30 forment le rotor 75 de la machine électrique 100. Ils sont montés sur un arbre commun 101 dont seule la partie extérieure au carter 150 est représentée sur la figure 1 . L’arbre commun 101 est destiné à être couplé mécaniquement à l’arbre 201 du moteur à combustion 200. Le moteur à combustion 200 est par exemple un moteur à piston ou une turbine à gaz couramment employée pour la propulsion d’un aéronef. A bord d’un aéronef, on trouve aussi un générateur auxiliaire connu en anglais sous l’appellation : « Auxilairy Power Unit » ou par son acronyme APU qui nécessite aussi un démarreur-générateur. De façon plus générale, l’invention peut être mise en œuvre dans un démarreur-générateur couplé à tout type de moteur à combustion. Le couplage des arbres 101 et 201 peut être déconnectable par exemple au moyen d’un dispositif à crabot pouvant être actionné en cas de disfonctionnement soit du moteur à combustion 200 soit du démarreur-générateur 1 .
[0032] Le carter 150 est destiné à être monté sur un support de l’équipement comprenant le moteur à combustion 200, par exemple un support d’un aéronef. En mode démarreur, la machine électrique tournante 100 entraine l’arbre commun 101 en rotation. L’arbre commun 101 tourne par rapport au carter 150.
[0033] Le démarreur-générateur 1 comprend des éléments pour accélérer le rotor 13 de la machine électrique principale 10 couplés mécaniquement au moteur à combustion 200, de façon à entrainer le moteur à combustion 200, en mode démarreur, jusqu’à une vitesse de rotation où il peut entretenir sa vitesse grâce à la combustion de carburant. Aucun dispositif de démarrage auxiliaire hors du démarreur-générateur 1 n’est nécessaire pour démarrer le moteur à combustion 200. Lorsque le démarreur-générateur 1 fonctionne en mode démarreur, la machine électrique principale 10 forme un moteur électrique synchrone qui fournit le couple nécessaire à la mise en rotation du moteur à combustion 200. Lorsque que le démarreur-générateur fonctionne en mode démarreur, l’excitatrice 20 est alimentée en courant alternatif de façon à démarrer le moteur à combustion. Lorsque vitesse de rotation de l’arbre 201 du moteur à combustion 200 atteint un premier seuil, cette alimentation est coupée car le couple produit par le moteur à combustion 200 est suffisant pour que le moteur à combustion 200 entretienne seul le mouvement de l’arbre 201. Le démarreur-générateur 1 ne fonctionne alors plus en mode démarreur. La vitesse de rotation de l’arbre 201 du moteur à combustion 200 accélère d’elle-même, c'est-à-dire de façon autonome, jusqu’à atteindre un deuxième seuil, supérieur au premier seuil, à partir duquel le démarreur-générateur 1 va pouvoir fonctionner en mode générateur. Les modes générateur et démarreur ne sont pas simultanés. [0034] La machine électrique principale 10 comprend un stator 11 comprenant des enroulements statoriques 12a, 12b, 12c qui peuvent être connectés en étoile, comme représenté, ou en triangle si le stator 11 est triphasé. D’autres nombre de phase sont également possibles. Le rotor 13 comprend un enroulement rotorique 14.
[0035] En mode générateur, le moteur à combustion 200 ayant été démarré, la machine électrique principale 10 constitue une génératrice électrique synchrone qui transforme l’énergie mécanique de rotation de l’arbre commun 101 couplé mécaniquement à l’arbre 201 du moteur à combustion 200 en énergie électrique de tension électrique U délivrée en sortie de son stator 11 sur une ligne d’alimentation 60 qui achemine l’énergie électrique vers un dispositif destiné à être alimenté électriquement, par exemple un réseau de bord 202 de l’aéronef. La tension U est une tension électrique triphasée dans l’exemple représenté. L’invention peut être mise en œuvre quel que soit le nombre de phases du stator 11.
[0036] L’excitatrice 20 comprend un stator 21 et un rotor 22 solidaire de l’arbre 101 . Le rotor 22 comprend des enroulements rotoriques 23a, 23b, 23c, qui peuvent être connectés en étoile ou de toute autre façon. Comme précédemment, l’invention peut être mise en œuvre quel que soit le nombre de phases du rotor 22. Le stator 21 comprend un enroulement statorique 24 formant un inducteur bobiné pouvant être parcouru soit par un courant alternatif en mode démarreur soit par un courant continu en mode générateur. Les courants alternatifs développés au rotor 22 de l’excitatrice 20 sont redressés par le redresseur tournant 40, tel qu’un pont de diodes 41 tournant, pour alimenter l’enroulement rotorique 14 de la machine électrique principale 10 en courant continu.
[0037] La génératrice auxiliaire 30 est par exemple une génératrice synchrone comprenant un rotor 31 solidaire de l’arbre 101 et comprenant des aimants permanents 32. De plus, la génératrice auxiliaire 30 comprend un stator 33 comprenant des enroulements statoriques 34a, 34b, 34c.
[0038] Les stators de l’éventuelle génératrice auxiliaire 30, de l’excitatrice 20 et de la machine principale 10 forment le stator de la machine électrique tournante. Il est fixe par rapport au carter 150. Les rotors et stators précités comprennent chacun une structure sur laquelle sont fixés les enroulements du rotor ou stator correspondant.
[0039] Le démarreur-générateur 1 comprend en outre un régulateur 50 configuré pour alimenter l’enroulement statorique 24 en courant alternatif lorsque le démarreur-générateur 1 fonctionne en mode démarreur. En mode générateur, l’enroulement statorique 24 est par exemple alimenté par la génératrice auxiliaire 30 au travers d’un redresseur 52 qui peut être accompagné d’un régulateur, non représenté. Le passage du mode démarreur au mode générateur est par exemple réalisé au moyen d’un contacteur 25 lorsqu’un même enroulement 24 est alimenté soit en courant alternatif pour le mode démarreur, soit en courant continu pour le mode générateur. Il est possible de se passer du contacteur 25 lorsque le stator 21 comprend deux enroulements distincts, l’un pour le mode démarreur et l’autre pour le mode générateur, comme on le verra plus loin à l’aide de la figure 5. Pour la présente invention, on s’intéresse principalement au mode démarreur et au courant alternatif injecté dans l’enroulement statorique 24.
[0040] L’énergie électrique permettant d’alimenter l’enroulement statorique 24 peut provenir de différentes sources : le réseau de bord 202, la génératrice auxiliaire 30, une batterie 60 ou une prise de parc 70. A bord d’un aéronef, lorsque celui-ci est au sol, lors du démarrage du premier moteur, notamment celui du groupe auxiliaire, la seule source d’énergie électrique disponible à bord peut être celle de la batterie 60. Certains aéroports sont équipés de groupes de parc permettant à l’aéronef de se raccorder au travers de sa prise de parc 70, ce qui permet d’éviter le fonctionnement du groupe auxiliaire lorsque l’aéronef est à l’arrêt. Une fois le groupe auxiliaire démarré, le réseau de bord 202 peut être sous tension ce qui permet d’alimenter d’autres démarreurs-générateurs associés notamment aux moteurs de propulsion. L’alimentation au travers de la génératrice auxiliaire 30 ne peut pas se faire, tant que l’arbre 101 est à l’arrêt. La génératrice auxiliaire 30 peut cependant prendre le relais d’une autre source d’alimentation en mode démarreur. Sur la figure 1 , plusieurs sources d’énergie sont représentées pour alimenter l’enroulement statorique 24. En pratique, l’invention peut être mise en œuvre quelle que soit la ou les sources permettant d’alimenter l’enroulement statorique 24. [0041] Dans l’exemple représenté sur la figure 1 , le régulateur 50 comprend plusieurs convertisseurs. Dans la pratique, le nombre de convertisseurs et la fonction de chacun sont adaptés au nombre et aux spécificités des différentes sources d’énergies permettant d’alimenter l’enroulement statorique 24. Un premier redresseur 51 transforme l’énergie issue du réseau de bord 202 ou de la prise de parc 70 en tension continue. En mode démarreur, le démarreur-générateur 1 ne produit pas d’énergie électrique et le stator 11 n’est alors pas raccordé au réseau de bord 202. Un contacteur 15 permet de déconnecter le stator 11 du réseau de bord 202 en mode démarreur et de le connecter en mode générateur. Un onduleur 53 reçoit les tensions continues issues du redresseur 51 ou éventuellement de la batterie 60 pour alimenter l’enroulement statorique 24 en tension alternative. Le régulateur 50 peut comprendre en outre un module de pilotage 54 gérant les différents convertisseurs, notamment le redresseur 51 et l’onduleur 53. Le régulateur 50 peut comprendre également d’autres contacteurs, non représentés sur la figure 1 et permettant notamment de passer d’une source à l’autre : 60, 70, 202. Ces contacteurs sont commandés par le module de pilotage 54.
[0042] La figure 2 représente sous forme de chronogramme un exemple de signal appliqué à l’enroulement statorique 24 en mode démarrage. Plus précisément, le régulateur 50 est configuré pour appliquer à l’enroulement statorique 24 une tension alternative dont la largeur d’amplitude est modulée. La modulation comprend une phase croissante de la largeur d’amplitude au démarrage de la rotation du rotor 75.
[0043] En appliquant une tension alternative sinusoïdale constante à l’enroulement statorique 24 durant la phase de démarrage, lorsque le rotor 75 est à l’arrêt, un appel de courant important peut apparaître sur l’enroulement statorique 24, ce qui peut lui être préjudiciable. En modulant le rapport cyclique de largeur d’alternance d’une tension alternative à amplitude constante, il est possible de limiter l’apparition de cet appel de courants. On définit par exemple la largeur de l’alternance comme la durée séparant la montée de la descente en tension à mi valeur de tension de l’amplitude maximale. Le rapport cyclique représente le rapport entre la largeur de deux alternances successives, l’une positive et l’autre négative et la durée d’une période du signal alternatif.
[0044] La fréquence de la tension alternative appliquée à l’enroulement statorique 24 peut varier durant la phase de démarrage. Cependant, pour simplifier la commande de l’onduleur 53, une fréquence fixe est cependant préférable.
[0045] A l'aide de l'onduleur 53, il est possible de donner aux alternances toute forme d'évolution de tension en fonction du temps. Il est par exemple possible de donner aux alternances une forme sinusoïdale par exemple en générant la forme sinusoïdale à l’aide d’un découpage en modulation de largeur d’impulsion (MLI ou PWM selon l’acronyme anglo-saxon). Cela permet de faire varier la tension de façon douce aux bornes de l'enroulement statorique 24. Pour simplifier la forme des alternances, et limiter le nombre de commutation d’interrupteurs électroniques de l’onduleur 53, il est possible de donner aux alternances une forme sensiblement en créneaux d’amplitude constante. Plus précisément, les interrupteurs de l’onduleur 53 ne commutent que deux fois par alternance, une première fois pour établir la tension et une seconde fois pour l’interrompre. La forme en créneaux est directement donnée par la commutation des interrupteurs électroniques de l’onduleur 53. Il n’est alors pas nécessaire d’ajouter un filtre en sortie de l’onduleur 53.
[0046] La figure 2 représente plus précisément la forme de la tension alternative appliquée à l’enroulement statorique au début de la phase de démarrage. Le temps est représenté en abscisse et la tension en ordonnée. La tension est exprimée en pourcentage de la tension présente en sortie du redresseur 51 alimentant l’onduleur 53. La forme en créneaux des alternances représentée sur la figure 2 est une forme théorique. En pratique la tension réelle subit des variations autour de cette forme en créneaux. Les interrupteurs électroniques de l’onduleur 53 sont commandés au moyen d’un signal de forme en créneaux et on retrouve souvent des phénomènes parasites sur la tension alternative appliquée à l’enroulement statorique de l’excitatrice, des phénomènes tels que des transitoires au moment du basculement des interrupteurs électroniques.
[0047] Sur la figure 2, la phase croissante du rapport cyclique est représentée sur une vingtaine d’alternances pour illustrer l’invention au début de la phase de démarrage. En pratique la phase croissante peut s’étaler sur un plus grand nombre d’alternances. Par exemple, la tension alternative appliquée à l’enroulement statorique 24 peut avoir une fréquence fixe de 1 k Hz. La durée de la phase de démarrage peut être de l’ordre de la seconde. Il peut alors être nécessaire de faire varier le rapport cyclique sur un millier d’alternances.
[0048] La durée de la phase croissante peut être prédéterminée dans le régulateur 50. il est également possible de prédéterminer l'évolution du rapport cyclique durant la phase croissante. La prédétermination est principalement définie en fonction de la constante de temps électrique de l’excitatrice. Il est per exemple possible de définir une rampe à pente constante définissant le rapport cyclique en fonction du temps. A l’issue de la phase croissante, on peut faire varier le rapport cyclique en fonction du couple à fournir pour démarrer le moteur 200. Plus précisément, lors de l’augmentation de vitesse du rotor 75, il est possible de délivrer tout d’abord un couple constant au moteur 200 et ensuite de délivrer une puissance constante.
[0049] L’invention prévoyant une variation du rapport cyclique peut s’appliquer à l’ensemble de la phase de démarrage, notamment au début de celle-ci avec une phase croissante du rapport cyclique alors même que le rotor 75 est encore à l’arrêt et qu’il commence à peine à tourner. En complément ou alternativement, une phase décroissante du rapport cyclique peut être appliquée afin de réduire le courant continu d’excitation appliqué à l'enroulement rotorique 14 de la machine électrique principale 10 par exemple lors du passage du pilotage à couple constant au pilotage à puissance constante. Ensuite, lors du pilotage à puissance constante, la vitesse du rotor 75 augmente et il est encore souhaitable de réduire le courant continu d’excitation en réduisant encore le rapport cyclique.
[0050] Pendant le pilotage à couple constant, il est généralement utile de conserver un courant continu d’excitation constant et donc de garder constant la valeur du rapport cyclique.
[0051] La figure 3 représente un exemple d’onduleur 53 comprenant deux branches 53a et 53b. La branche 53a comprend deux interrupteurs électroniques 53a+ et 53a- associé chacun à une diode de roue libre. Les interrupteurs électroniques 53a+ et 53a- sont reliés en série entre deux bornes d’entrée + et - recevant une tension continue. De même la branche 53b comprend deux interrupteurs électroniques 53b+ et 53b- associé chacun à une diode de roue libre et reliés en série entre les deux bornes d’entrée + et La tension continue provenant d’un des redresseurs 51 ou 52 est appliquée entre les deux bornes d’entrée + et L’enroulement statorique 24 est raccordé entre les points communs deux interrupteurs de chacune des branches 53a et 53b.
[0052] La figure 4 représente sous forme de chronogramme sur deux périodes T, c’est-à-dire quatre alternances, l’évolution dans le temps de la tension aux bornes de l'enroulement statorique 24 et de l’intensité circulant dans l'enroulement statorique 24. Durant une première étape A les interrupteurs 53a+ et 53b+ sont fermés, les interrupteurs 53a- et 53b- sont ouverts et la tension appliquée à l'enroulement statorique 24 est nulle. Succédant à la première étape, durant une deuxième étape B, les interrupteurs 53a+ et 53b- sont fermés, les interrupteurs 53a- et 53b+ sont ouvert et la tension appliquée à l'enroulement statorique 24 est positive. A l’issu de l’étape B, succède une troisième étape C au cours de laquelle les interrupteurs 53a+ et 53b+ sont ouverts, les interrupteurs 53a- et 53b- sont fermés et la tension appliquée à l'enroulement statorique 24 est à nouveau nulle. Après l’étape C succède l’étape D au cours de laquelle les interrupteurs 53a+ et 53b- sont ouverts, les interrupteurs 53a- et 53b+ sont fermés et la tension appliquée à l'enroulement statorique 24 est négative. Les quatre étapes s’enchaînent durant une période T. L’étape B forme une alternance positive et l’étape D, une alternance négative. Chaque étape débute par une commutation d’interrupteurs et se termine par une commutation d’un autre interrupteur. Aucune commutation n’est opérée entre le début et la fin de chaque étape.
[0053] Le rapport cyclique d’une période T est le rapport entre la somme des durées des étapes B et D, où une tension est appliquée à l’enroulement statorique 24, et la durée totale de la période, soit la somme des durées des quatre étapes A, B, C, D. la figure 2 représente un exemple de variation de rapport cyclique sur une vingtaine de période durant la phase de démarrage du moteur à combustion 200. En début de phase de démarrage, lorsque le rotor 75 est à l’arrêt, en début de phase de croissance, le rapport cyclique est faible, par exemple de l’ordre de 10%. Ensuite, le rapport cyclique augmente. En fin de chronogramme de la figure 2, le rapport cyclique atteint 50%. Il est bien entendu que le rapport cyclique peut encore augmenter ultérieurement avant d’atteindre une phase où le démarreur- générateur est piloté à couple constant.
[0054] La figure 5 représente une variante du stator 21 de l’excitatrice 20 du démarreur-générateur 1 . On a vu précédemment que le stator 21 de l’excitatrice 20 peut comprendre deux enroulements distincts, l’un DC alimenté en courant continu durant la phase de génération et l’autre AC alimenté en courant alternatif durant la phase de démarrage du moteur 200. L’enroulement repéré AC sur la figure 5 correspond à l’enroulement 24 représenté sur la figure 1 .
Avantageusement les deux enroulements AC et DC sont disposés en quadrature, ce qui limite les courants induits pendant la phase de démarrage du moteur 200 dans l’enroulement DC du fait de l’alimentation de l’enroulement AC.
[0055] Alternativement, comme représenté sur la figure 1 , il est possible de n’utiliser qu’un seul enroulement alimenté tout d’abord en courant alternatif durant la phase de démarrage puis en courant continu durant la phase de génération notamment lorsque le couple de démarrage du moteur 200 couplé au démarreur- générateur 1 est faible, par exemple comme pour un générateur auxiliaire APU d’un aéronef. En effet la forme du signal d’excitation alternatif appliqué à l’enroulement 24, notamment un signal de forme en créneaux, permet une augmentation du nombre de spires de à l’enroulement 24, par rapport au nombre de spires requis par une excitation traditionnelle par tension sinusoïdale. Ceci permet de réduire la dissymétrie entre les nombres de spires des enroulements AC et DC du stator 21 de l’excitatrice 20 et donc de limiter les problématiques de haute tension induite dans le bobinage DC lors de l’excitation sur le bobinage AC.
[0056] La figure 6 représente une variante du stator 21 dans lequel l’enroulement 24 présente trois bornes dont deux bornes d’extrémité 24a et 24b et une borne intermédiaire 24c. Durant la phase de démarrage une partie seulement de l’enroulement 24 est alimenté en courant alternatif AC en mettant en œuvre la phase croissante telle que par exemple illustrée à l’aide de la figure 2. Plus précisément, l’enroulement 24 est alimenté entre ses bornes 24a et 24c. Durant la phase de génération, la totalité de l’enroulement 24 est alimenté en courant continu DC entre ses bornes 24a et 24b.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Démarreur-générateur sans balais (1 ), apte à fonctionner en mode démarreur de façon à entraîner en rotation un moteur à combustion (200), et en mode générateur électrique synchrone de façon à transformer en énergie électrique une énergie mécanique fournie par le moteur à combustion (200), le démarreur-générateur (1 ) comprenant :
- une machine électrique principale (10) ayant un stator (11 ) comprenant des enroulements statoriques (12a, 12b, 12c) et un rotor (13) comprenant un enroulement rotorique (14) et destiné à être couplé mécaniquement au moteur à combustion (200),
- un redresseur tournant (40),
- une excitatrice (20) comprenant un stator (21 ), comprenant un enroulement statorique (24 ; AC), et un rotor (22) comprenant des enroulements rotoriques (23a, 23b, 23c) reliés à l'enroulement rotorique (14) de la machine électrique principale (10) par l’intermédiaire du redresseur tournant (40), les rotors de la machine électrique principale (10) et de l'excitatrice (20) formant le rotor (75) du démarreur-générateur, le rotor (75) étant destiné à être couplé mécaniquement au moteur à combustion (200),
- un régulateur (50) raccordé à l’enroulement statorique (24 ; AC) de l’excitatrice (20), configuré pour alimenter l’enroulement statorique (24 ; AC) de l’excitatrice (20) en tension alternative à modulation de rapport cyclique de largeur d’alternance lorsque le démarreur-générateur fonctionne en mode démarreur, et configuré pour faire varier le rapport cyclique de façon à faire varier une excitation délivrée par le rotor (22) de l’excitatrice (20) à l'enroulement rotorique (14) de la machine électrique principale (10).
2. Démarreur-générateur selon la revendication 1 , dans lequel les alternances de tension alternative ont une forme en créneaux d’amplitude constante.
3. Démarreur-générateur selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la fréquence des alternances de tension alternative est fixe.
4. Démarreur-générateur selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le régulateur (50) est configuré pour générer un rapport cyclique comprenant une phase croissante au démarrage de la rotation du rotor (75).
5. Démarreur-générateur selon l’une des revendications précédentes, comprenant une génératrice auxiliaire (30) configurée pour alimenter l’enroulement statorique (24) en courant continu lorsque le démarreur- générateur (1 ) fonctionne en mode générateur.
6. Démarreur-générateur selon la revendication 5, dans lequel l’enroulement statorique (24) comprend deux bornes d’extrémité (24a, 24b) et une borne intermédiaire (24c) et dans lequel, le courant alternatif (AC) est appliqué entre une des bornes d’extrémité (24a) et la borne intermédiaire (24c), et dans lequel le courant continu est appliqué entre deux bornes d’extrémité (24a, 24b).
7. Démarreur-générateur selon l’une des revendications 1 à 4, dans lequel l’enroulement statorique (AC) de l’excitatrice (20) n’est alimenté qu’en courant alternatif, dans lequel l’excitatrice (20) comprend un second enroulement statorique (DC) et dans lequel le régulateur (73) est configuré pour alimenter le second enroulement statorique en courant continu lorsque le démarreur- générateur fonctionne en mode générateur.
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