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EP-4078775-B1 - ENERGY CONVERSION DEVICE

EP4078775B1EP 4078775 B1EP4078775 B1EP 4078775B1EP-4078775-B1

Inventors

  • BEL, François
  • MIGNEAU, Maxime

Dates

Publication Date
20260506
Application Date
20201217

Claims (11)

  1. Energy conversion device (1) which is capable of producing electricity from mechanical energy and/or vice versa, the energy conversion device comprising: - a housing (2), - a shaft (5) comprising a body (50) which defines an inner volume (51), the shaft being intended to rotate in a predetermined direction about a longitudinal axis (x) relative to the housing (2) over a predetermined rotational speed range, - a rotor module (6) which is fixedly joined to the shaft (5), - a stator module (7) which is fixedly joined to the housing (2), the rotor module (6) and the stator module (7) comprising an inductor and an armature which are coupled magnetically to each other, the housing (2) delimiting an inner volume which accommodates the rotor module and the stator module and comprising a cavity (3) which surrounds the rotor module (6) and the stator module (7), - an assembly of at least one nozzle (52, 53, 54, 55) which extends through the body (50) and ensures fluid communication between the inner volume (51) and the cavity (3), the assembly of at least one nozzle (52, 53, 54, 55) being configured to form an oil mist in the cavity (3) under the effect of the rotation of the shaft (5) in the rotational speed range, from a portion of an oil injected into the inner volume (51) of the hollow shaft (5), the oil mist being intended to come into direct physical contact with the rotor module (6) and the stator module (7), - an assembly of at least one control circuit which is configured to limit an increase of the oil flow passing from the inner volume (51) to the cavity (3) through the assembly of at least one nozzle (52, 53, 54, 55), the increase being a result of an increase of the oil flow injected into the inner volume (51), the control circuit comprising: - a conduit (21) which is fixedly joined to the shaft (5) and which comprises an input which communicates with the inner volume (51) in order to receive under the effect of the rotation of the shaft (5), another portion of the oil injected into the inner volume (51), the conduit (21) leading the other portion of the oil up to an output of the conduit (21), - a discharge device which is configured to discharge at least a portion of the oil leaving the conduit (21) into an oil tank (9) without contributing to the oil mist.
  2. Energy conversion device according to the preceding claim, comprising an oil circulation pump (10) which is configured to remove oil from the oil tank (9) and to inject it into the inner volume (51) of the shaft (5), the pump (10) being coupled mechanically to the shaft (5) in order to be driven in rotation by the shaft (5) so that an oil flow injected by the pump (5) into the inner volume (51) increases when the rotational speed of the shaft (5) increases in the rotation direction.
  3. Energy conversion device according to either of the preceding claims, wherein the conduit (21) comprises a main conduit (22) which is surrounded radially by the stator module (7) and which is configured to guide the oil which it receives, during the rotation of the shaft (5), in translation relative to the shaft (5) along the longitudinal axis (x) and/or in rotation relative to the body of the shaft (5) about the longitudinal axis (x), about the inner volume (51).
  4. Energy conversion device according to the preceding claim, wherein the main conduit (22) of the conduit of a control circuit is provided in the body (50) of the shaft (5) and is closed by the rotor module (6).
  5. Energy conversion device according to either claim 3 or 4, wherein the main conduit of the conduit (21) of a control circuit is wound in a helical manner around the longitudinal axis (x) and is configured to draw in oil at the input of the main conduit during the rotation of the shaft (5).
  6. Energy conversion device according to the preceding claim and according to claim 2, wherein the geometric characteristics of the conduit (21) are defined so that the conduit (21) conveys all or some of a surplus of the oil flow injected by the pump (10) into the inner volume (50) beyond a minimum flow rate, over the entire rotational speed range.
  7. Energy conversion device according to any one of the preceding claims, wherein the discharge device comprises a collection hood (31) which is arranged in the cavity (3) and which is fixed relative to the housing (2), the collection hood (31) radially surrounding an outlet (25) of the conduit (21) in order to collect at least a portion of the oil leaving the conduit (21) under the effect of the centrifugal force during the rotation of the shaft (5) in the rotation direction.
  8. Energy conversion device according to the preceding claim, wherein the discharge device comprises a discharge opening (32) which is located opposite the oil tank (9) and which enables the oil collected by the hood (31) to be discharged, by means of gravity, to the oil tank (9).
  9. Energy conversion device according to either claim 7 or 8, wherein the collection hood (31) comprises a ring (B) which radially completely surrounds the outlet (25) and which is configured so as to retain radially and axially in two directions the oil leaving the conduit (31), an opening being provided in the ring (B) opposite the oil tank (9).
  10. Energy conversion device according to the preceding claim, wherein the collection ring (B) is provided with a discharge pipe (T) which has an input which surrounds the opening and which extends up to the discharge opening (32).
  11. - Energy conversion device according to any one of the preceding claims, wherein the conduit is configured to limit an increase of the oil flow which passes from the inner volume (51) to the cavity (3) through the assembly of at least one nozzle (52, 53, 54, 55), the increase being a result of an increase of the oil flow injected into the inner volume (51).

Description

La présente invention se rapporte aux dispositifs de transformation d'énergie, notamment aux dispositifs générateurs permettant de transformer une énergie mécanique fournie par un moteur en une énergie électrique. L'invention se rapporte plus particulièrement au refroidissement de telles machines électriques. Un dispositif de transformation d'énergie avec refroidissement est décrit dans le document DE102015223073A1. Le domaine d'application de l'invention est celui de la génération d'énergie électrique à partir d'une énergie mécanique fournie par une turbine de moteur d'aéronef. Cette énergie est, par exemple, utilisée pour alimenter un réseau de bord d'un aéronef. L'invention est, toutefois, applicable à d'autres types de moteurs comme, par exemple, des turbines industrielles, ou des turbines de groupes auxiliaires de puissance ou APU acronyme de l'expression anglo-saxonne « Auxiliary Power Unit ». Historiquement, les réseaux électriques embarqués fonctionnaient à une fréquence fixe 400Hz. Comme tous les moteurs d'avion ne fonctionnent pas à une vitesse fixe, ce type de générateur était entraîné par les moteurs au travers d'un régulateur de vitesse mécanique. Ce régulateur de vitesse permettait, à partir d'une entrée d'arbre à vitesse variable, de produire en sortie une vitesse fixe. Avec l'avènement des réseaux électriques à fréquence variable, les générateurs d'avions fonctionnent maintenant en génération sur une large plage de vitesse, typiquement d'un ratio 1:2. L'invention s'applique tout particulièrement aux dispositifs générateurs destinés à fonctionner sur une plage de vitesse variable pour permettre de délivrer une énergie électrique de fréquence variable lorsque le dispositif générateur génère de l'énergie électrique. Le dispositif générateur est, par exemple, une machine électrique principale d'un démarreur-générateur synchrone sans balais. La machine principale comprend un module rotor comprenant un inducteur et un module stator comprenant un induit. Une machine électrique principale de ce type est classiquement refroidie à l'huile comme représenté schématiquement en figure 1. Le dispositif générateur comprend un circuit de circulation d'huile permettant de générer un brouillard d'huile dans une enceinte 106 entourant radialement un arbre creux 102, le module rotor 101 et le module stator 103, afin de refroidir le module rotor 101 et le module stator 103. Le module rotor 101 est solidaire de l'arbre creux 102 et monté tournant par rapport au stator 103 et à un carter 104. Le carter 104 délimite également un réservoir 107 dans lequel retombe l'huile, par gravité, après avoir formé le brouillard d'huile. Le circuit de circulation d'huile comprend une pompe, non visible en figure 1, permettant de prélever de l'huile dans le réservoir 107 et de l'injecter, dans le sens de la flèche, dans un volume interne 109 de l'arbre creux 102 délimité par un corps 110 de l'arbre creux. L'arbre creux 102 comprend des gicleurs g1, g2, g3, g4 ménagés dans le corps 110 de l'arbre creux et assurant une communication fluidique entre le volume interne 109 de l'arbre creux 102 et l'enceinte 106 et configurés pour former un brouillard d'huile dans l'enceinte 106 à partir d'huile injecté dans le volume interne 109 de l'arbre creux 102, lors de la rotation de l'arbre 102. La pompe est classiquement volumétrique rotative et couplée mécaniquement à l'arbre creux 102 en rotation autour de l'axe longitudinal de l'arbre creux 108. Lorsque le dispositif générateur fonctionne à vitesse variable, le débit d'huile délivré par ce type de pompe est proportionnel à sa vitesse de rotation. De la sorte, le débit d'huile injecté par la pompe dans le volume interne 109 de l'arbre creux 102 augmente lorsqu'une vitesse de rotation de l'arbre creux 102 augmente, ce qui a pour effet d'augmenter le débit d'huile injecté dans l'enceinte et donc la densité du brouillard d'huile présent dans l'enceinte 106. Or, à basse vitesse, lorsque l'on souhaite délivrer un courant de basse fréquence, le débit d'huile doit être suffisant pour assurer le refroidissement correct du module rotor et du module stator la machine électrique principale. A haute vitesse, lorsque l'on souhaite délivrer un courant de fréquence élevé, le débit est alors en général largement supérieur au besoin. Par ailleurs, les pertes mécaniques liées à la rotation des parties tournantes de la machine électrique principale dans le brouillard d'huile augmentent intrinsèquement avec la vitesse de rotation. Lorsque, de plus, le débit d'huile pulvérisé dans l'enceinte croît avec la vitesse, la densité du brouillard d'huile croit aussi avec la vitesse et l'effet de l'accroissement de la vitesse sur les pertes mécaniques est encore aggravé. Les pertes mécaniques réduisent alors significativement le rendement de la machine électrique. L'augmentation de la densité du brouillard peut également mener à des phénomènes de barbotage de la machine électrique principale dans l'huile qui peuvent empêc