TITRE DE L'INVENTION : ARCHITECTURE ELECTRIQUE HYBRIDE D'AERONEF

DOMAINE TECHNIQUE

L'invention est relative au domaine des aéronefs à propulsion dite hybride, c'est-à-dire des aéronefs qui combinent à la fois deux sources propulsives de nature différente, par exemple une source thermique et une source électrique. Elle concerne en particulier une architecture électrique hybride d'aéronef.

TECHNIQUE ANTÉRIEURE

Le document FR-A1-2 962404 décrit une architecture électrique hybride dans laquelle un réseau électrique auxiliaire est dit dé-connectable.

L'architecture décrite dans ce document est une architecture électrique hybride dite parallèle dans laquelle, d'une part, deux machines électriques haute tension sont montées sur la boite de transmission principale et ont un fonctionnement réversible c'est-à-dire qu'elles sont capables à la fois de fournir du couple à un ou plusieurs rotors via la boîte de transmission principale ou de générer une énergie électrique à partir d'un prélèvement de couple d'un ou plusieurs arbres via la boîte de transmission principale. Et, d'autre part, une machine électrique dite basse tension (i.e. qui fonctionne par exemple à 28 Volts) est entraînée par le corps haute pression de la turbomachine de l'aéronef pour fonctionner comme une génératrice (d'énergie électrique) ou comme un moteur pour démarrer la turbomachine.

Même si cette architecture permet théoriquement de transférer de la puissance électrique entre les machines électriques basse tension et haute tension, elle présente toutefois plusieurs inconvénients.

D'abord, la machine électrique basse tension ne peut fonctionner en mode moteur que pendant le démarrage de la turbomachine. Elle ne peut pas assister mécaniquement le corps haute pression de la turbomachine (en fournissant du couple) en continu au-delà de 80%Nl. En effet, le design de la machine électrique et de la boîte d'accessoires (ou AGB de l'anglais « accessory gearbox ») entraîne qu'il n'est pas possible de fournir du couple moteur pour entraîner le corps haute pression au-delà d'environ 50 à 60 %N1. Cela est lié notamment à la technologie actuelle des machines électriques utilisées comme démarreur/générateur et au fait qu'un tel besoin n'a pas été identifié jusqu'à présent.

Par ailleurs, un fonctionnement à basse tension induit rapidement des courants électriques élevés pour pouvoir transférer des puissances significatives (de l'ordre de quelques dizaines de kiloWatts) ce qui implique d'utiliser des sections importantes des conducteurs électriques et qui conduit à une masse élevée.

En outre, le transfert de la puissance électrique depuis la machine électrique basse tension vers une machine électrique haute tension se fait via deux tensions de réseaux différentes ce qui implique l'utilisation d'un convertisseur et réduit par conséquent fortement le rendement de ce transfert de puissance. En outre, cela créé un point commun entre les réseaux basse tension et haute tension qui augmente le risque de propagation de pannes entre les deux réseaux.

Enfin, la pénalité de masse liée à l'utilisation d'une batterie haute tension dans l'architecture peut être rédhibitoire pour des missions de travail aérien.

RÉSUMÉ DE L'INVENTION

La présente invention propose une solution à ces inconvénients.

En particulier, les objectifs de l'invention sont à la fois de permettre un transfert de puissance entre le corps haute pression et le corps basse pression ou la boîte de transmission principale de l'aéronef, dans les deux sens possibles de transfert, en utilisant un réseau haute tension (également appelé réseau électrique d'hybridation interne) uniquement (c'est-à-dire sans solliciter le réseau basse tension utilisé pour alimenter les équipements de l'aéronef) et de permettre d'isoler le réseau électrique d'hybridation interne (i.e. le réseau électrique propulsif) des réseaux électriques destinés à l'alimentation des équipements de l'aéronef (i.e. le réseau électrique non- propulsif). En d'autres termes, il s'agit de réaliser une ségrégation des réseaux électriques non propulsifs et propulsifs. À cet effet, l'invention selon un premier aspect a pour objet une architecture électrique hybride d'aéronef, ladite architecture comprenant une turbomachine et un réducteur destiné à entraîner en rotation au moins un organe propulseur dudit aéronef, ladite architecture comprenant en outre, un réseau électrique basse tension comprenant un stockeur d'énergie électrique basse tension et au moins une machine électrique basse tension connectés électriquement à un premier bus électrique destiné à alimenter en énergie électrique des charges de l'aéronef, et, un réseau électrique haute tension comprenant deux machines électriques haute tension connectées électriquement à un second bus électrique, ledit second bus électrique étant connecté électriquement au premier bus électrique par l'intermédiaire d'un convertisseur électrique dudit réseau électrique haute tension et d'un premier contacteur dudit réseau électrique basse tension, ladite architecture étant caractérisée en ce que, les deux machines électriques haute tension sont montées sur la turbomachine et couplées chacune mécaniquement à un arbre de ladite turbomachine, et, l'au moins une machine électrique basse tension est montée sur le réducteur ou sur la turbomachine et couplée mécaniquement audit réducteur ou à un arbre de ladite turbomachine.

Selon un mode de réalisation, une première machine électrique haute tension est montée sur un corps basse pression de la turbomachine et couplée mécaniquement à un arbre dudit corps basse pression, une seconde machine électrique haute tension est montée sur un corps haute pression de la turbomachine et couplée mécaniquement à un arbre dudit corps haute pression, et une première machine électrique basse tension est couplée mécaniquement au réducteur.

Selon un autre mode de réalisation, le réseau haute tension comprend en outre un stockeur d'énergie électrique haute tension connecté au second bus électrique, de préférence par l'intermédiaire d'un dispositif de protection électrique. Selon un autre mode de réalisation, une première machine électrique haute tension est montée sur un corps basse pression de la turbomachine et couplée mécaniquement à un arbre dudit corps basse pression, une seconde machine électrique haute tension est montée sur un corps haute pression de la turbomachine et couplée mécaniquement à un arbre dudit corps haute pression, et une première machine électrique basse tension est également montée sur le corps haute pression de la turbomachine et couplée mécaniquement à un arbre dudit corps haute pression. Selon un autre mode de réalisation, la seconde machine électrique haute tension et la première machine électrique basse tension sont des enroulements distincts d'une machine électrique à double enroulements, ces enroulements distincts étant isolés l'un de l'autre par une isolation galvanique.

Selon un autre mode de réalisation, une seconde machine électrique basse tension est montée sur le corps basse pression de la turbomachine et couplée à un arbre dudit corps basse pression.

Selon un autre mode de réalisation, la première machine électrique haute tension et la seconde machine électrique basse tension sont des enroulements distincts d'une machine électrique à double enroulements, ces enroulements distincts étant isolés l'un de l'autre par une isolation galvanique.

Selon un autre mode de réalisation, la première machine électrique basse tension et la seconde machine électrique basse tension sont respectivement couplées mécaniquement à des prises de mouvement du corps haute pression de la turbomachine et du corps basse pression de la turbomachine distincts de prises de mouvement dudit corps haute pression et dudit corps basse pression auxquels sont couplées la première machine électrique haute tension et la seconde machine électrique haute tension.

Selon un autre mode de réalisation, les machines électriques haute tension sont connectées électriquement au second bus électrique par l'intermédiaire de deuxièmes contacteurs et l'au moins une machine électrique basse tension est connectée électriquement au premier bus électrique par l'intermédiaire d'au moins un troisième contacteur. En outre, l'invention selon un second aspect concerne également, un aéronef comprenant une turbomachine configurée pour entraîner en rotation un organe propulseur et une architecture électrique hybride selon l'une quelconque des revendications précédentes.

BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS

La présente invention sera mieux comprise et d'autres détails, caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description d'un exemple non limitatif qui suit, en référence aux dessins annexés sur lesquels : la figure 1 est une représentation schématique d'un aéronef comprenant une architecture électrique hybride selon un premier mode de réalisation de l'invention ; la figure 2 est une représentation schématique d'un aéronef comprenant une architecture électrique hybride selon un deuxième mode de réalisation de l'invention ; la figure 3 est une représentation schématique d'un aéronef comprenant une architecture électrique hybride selon un troisième mode de réalisation de l'invention ; la figure 4 est une représentation schématique d'un aéronef comprenant une architecture électrique hybride selon un quatrième mode de réalisation de l'invention ; et, la figure 5 est une représentation schématique d'un aéronef comprenant une architecture électrique hybride selon un cinquième mode de réalisation de l'invention.

DESCRIPTION DES MODES DE RÉALISATION

En référence à la figure 1, nous allons maintenant décrire un premier mode de réalisation d'une architecture 101 électrique hybride d'aéronef 103 selon l'invention.

Dans la figure 1 comme dans les figures suivantes, la puissance mécanique, transitant entre les différents éléments de l'architecture, est symbolisée par trois traits parallèles alors que la puissance électrique est symbolisée par un seul trait. Dans l'exemple non-limitatif représenté, l'aéronef 103 est un aéronef à voilure tournante, comme par exemple un hélicoptère. En l'espèce, la voilure tournante (non- représentée) est entraînée en rotation par un organe propulseur 105 de l'aéronef 103. Plus particulièrement, l'architecture 101 comprend une turbomachine 107 couplée mécaniquement, par l'intermédiaire d'une roue libre 109 (en anglais « overrunning clutch »), à un réducteur 111, en l'espèce une boîte de transmission principale 111 destinée à entraîner en rotation l'organe propulseur 105 (en l'espèce un mât rotor appelé rotor dans ce qui suit) de l'aéronef 103. Ainsi, en fonctionnement, la turbomachine 107 entraîne en rotation la boîte de transmission principale 111 qui entraîne à son tour en rotation le rotor 105.

L'homme du métier appréciera que l'invention s'applique aussi à un aéronef utilisant au moins un ensemble propulsif de type turbopropulseur à hybridation électrique, ayant pour organe propulseur une hélice propulsive et dans lequel le réducteur est une « Power Gear Box » (boîte de transmission de puissance en français).

En outre, la boîte de transmission principale 111 peut également être configurée pour entraîner en rotation d'autres rotors non-représentés, par exemple un rotor anti-couple (également appelé rotor arrière).

L'architecture 101 comprend aussi un réseau électrique basse tension 113 qui comprend un stockeur d'énergie électrique basse tension 115, comme par exemple une batterie, et au moins une machine électrique basse tension 117. Ici, et dans ce qui suit, l'expression « basse tension » désigne une tension inférieure à 50 Volts, comme par exemple une tension de 28 Volts. L'homme du métier appréciera en outre que, dans cette architecture, la machine électrique basse tension 117 peut être optionnelle, notamment lorsqu'elle est utilisée dans un hélicoptère léger et plus particulièrement un hélicoptère léger non-IFR (c'est-à-dire non prévu pour le vol aux instruments). La machine électrique basse tension 117 et le stockeur d'énergie électrique basse tension 115 sont connectés électriquement à un bus électrique 119 destiné à alimenter en énergie électrique des charges 121 de l'aéronef 103.

A titre d'exemple, la machine électrique basse tension 117 (qui fournit par exemple une puissance électrique inférieure à 9 Kilowatt) et le stockeur d'énergie électrique basse tension 115 délivrent une tension électrique de 28 Volts de sorte que le réseau électrique basse tension a une tension nominale égale à 28 Volts.

Dans l'exemple non-limitatif représenté à la figure 1, le bus électrique 119 est scindé en deux parties 119a et 119b qui sont reliées entre elles par un contacteur 123 permettant de connecter ou déconnecter électriquement les deux parties 119a et 119b du bus électrique 119 et par conséquent, de ségréguer la partie du bus alimentée par le réseau électrique basse tension 113, c'est-à-dire la partie 119a, et la partie du bus alimentée par un réseau électrique haute tension 125 décrit plus en détail plus loin.

En outre, dans cette configuration, les charges 121 peuvent elles aussi être scindées en deux groupes de charges 121a et 121b susceptibles d'être alimentées par la partie 119a et/ou la partie 119b du bus électrique 119 de sorte qu'une alimentation de « secours » peut être fournie à chacune des charges 121. Les deux groupes de charges 121a et 121b peuvent être, par exemple, respectivement, des équipements de l'aéronef 103 dont le fonctionnement est considéré comme essentiel et des équipements de l'aéronef 103 dont le fonctionnement est considéré comme accessoire.

Dans l'exemple non-limitatif décrit ici, le réseau électrique basse tension 113 comprend en outre une prise de parc 127, pouvant être raccordée à un groupe de parc c'est-à-dire un groupe électrogène faisant partie des infrastructures au sol, auquel peut être branché l'aéronef lorsqu'il est garé pour l'alimenter en énergie électrique et qui fournit de la puissance électrique (à une tension de 28V).

Comme évoqué plus haut, l'architecture 101 comprend aussi un réseau électrique haute tension 125 qui comprend deux machines électriques haute tension 129 connectées électriquement à un bus électrique 131. Le bus électrique 131 est connecté électriquement au bus électrique 119 par l'intermédiaire d'un convertisseur électrique 133 qui est également compris dans le réseau électrique haute tension 125. Ici, et dans ce qui suit, l'expression « haute tension » désigne une tension supérieure à 50 Volts. A titre d'exemple non-limitatif, les niveaux de tension utilisés peuvent être de 115 Volts en tension alternative ou 270 Volts, 540 Volts ou encore 800 Volts en tension continue. En outre, il n'y a pas de limite supérieure à la valeur de tension correspondant à la « haute tension ».

Le convertisseur électrique 133 peut être, par exemple, un convertisseur DC/DC ou un convertisseur AC/DC dont le rôle est, dans tous les cas, d'adapter la tension du réseau électrique haut tension 125 à la tension du réseau électrique basse tension 113.

En outre, le convertisseur électrique 133 est connecté au bus électrique 119 du réseau électrique basse tension 113 par l'intermédiaire d'un contacteur 135 qui est compris dans ledit réseau électrique basse tension 113.

Le réseau électrique haute tension 125 comprend encore des composants 137 d'électronique de puissance et de commande, aussi désignés par l'acronyme EPCU (de l'anglais « Electrical Power Control Unit »), connectés électriquement aux machines électriques haute tension 129, et configurés pour réguler la tension délivrée par lesdites machines électriques haute tension 129 et pour permettre leur commande. Dans l'exemple représenté à la figure 1, les deux machines électriques haute tension 129 sont montées sur la turbomachine 107 et couplées mécaniquement à un arbre (non-représenté) de ladite turbomachine 107. Le fait que les machines électriques haute tension 129 soient montées sur la turbomachine 107 signifie qu'il existe au moins deux entrées mécaniques sur la turbomachine 107 pour connecter à la fois au corps haute pression et au corps basse pression les machines électriques 129. En outre, il existe au moins deux prises de mouvement en rotation reliées à l'arbre rotor de chaque machine électrique 129, et chacune capable de transmettre la puissance fournie ou prélevée par la machine électrique et au moins deux interfaces de fixation permettant de solidariser le carter statique des machines électriques 129 à la turbomachine 107.

En outre, le couplage mécanique dont il est question implique que les machines électriques peuvent recevoir ou fournir du couple à l'arbre de la turbomachine auquel elles sont couplées selon qu'elle fonctionne comme une génératrice ou comme un moteur.

Plus précisément, dans la configuration représentée à la figure 1, l'une des deux machines électriques haute tension 129 est montée sur un corps basse pression 139 de la turbomachine 107 et donc couplée mécaniquement à un arbre de ce corps basse pression 139. Tandis que l'autre machine électrique haute tension 129 est montée sur un corps haute pression 141 de la turbomachine 107 et donc couplée mécaniquement à un arbre de ce corps haute pression 141. De ce fait cette machine électrique haute tension 129 couplée mécaniquement à un arbre de ce corps haute pression 141 est capable de démarrer la turbomachine 107.

Les deux machines électriques haute tension 129 sont réversibles, c'est-à-dire qu'elles peuvent entraîner la turbomachine 107 ou prélever de la puissance mécanique de ladite turbomachine 107 pour générer de l'énergie électrique. Ainsi, de la puissance mécanique peut transiter du corps haute pression 141 vers le corps basse pression 139, et réciproquement, par l'intermédiaire des machines électriques haute tension 129. En outre, pour qu'une telle réversibilité soit possible, les deux EPCU 137 sont également prévus réversibles, puisque l'énergie électrique générée par l'une ou l'autre des machines électriques haute tension 129 doit pouvoir transiter par les ECPU 137 via le bus électrique 131 qui les connecte électriquement.

De plus, la machine électrique basse tension 117 est couplée mécaniquement à la boîte de transmission principale 111. Dans cette configuration, la machine électrique basse tension 117 est, quant à elle, uniquement utilisée comme génératrice.

Enfin, outre les contacteurs déjà évoqués plus haut, les machines électriques haute tension 129 sont connectées électriquement au bus électrique 131 par l'intermédiaire de contacteurs 143 qui permettent, le cas échéant, de les protéger respectivement en cas de défaillance électrique sur le bus électrique 131 ou pour éviter qu'une défaillance électrique se propage d'une machine électrique 129 à l'autre. Par ailleurs, la machine électrique basse tension 117 est, elle aussi, connectée électriquement au bus électrique 119 par l'intermédiaire d'un contacteur 145.

La figure 2 représente un autre mode de réalisation de l'architecture 101 électrique hybride dans lequel, en plus de tous les éléments déjà décrits en référence à la figure 1, le réseau haute tension 125 comprend également un stockeur d'énergie électrique haute tension 147 connecté au bus électrique 131. En outre, dans l'exemple non- limitatif représenté, le stockeur d'énergie électrique haute tension 147 est connecté au bus électrique 131 par l'intermédiaire d'un dispositif de protection électrique 149. Ce dispositif de protection électrique 149 est capable d'isoler électriquement le stockeur d'énergie en cas d'avarie électrique sur le réseau ou du stockeur lui-même. Il peut s'agir d'un contacteur électromécanique, d'un contacteur statique ou d'un dispositif mixte comme un pyro-contacteur ou un pyro-fusible.

Avantageusement, le stockeur d'énergie électrique haute tension 147 permet de stabiliser le bus électrique 131 et/ou de fournir une source d'hybridation supplémentaire le cas échéant.

La figure 3 représente également un autre mode de réalisation de l'architecture 101 électrique hybride dans lequel, cette fois, une machine électrique haute tension 129 est montée sur le corps basse pression 139 et couplée mécaniquement à un arbre dudit corps basse pression 139, une autre machine électrique haute tension 129 est montée sur le corps haute pression 141 et couplée mécaniquement à un arbre dudit corps haute pression 141, et la machine électrique basse tension 118 est également montée sur le corps haute pression 141 et couplée mécaniquement à un arbre dudit corps haute pression 141. Dans ce cas, la machine électrique basse tension 118 peut également être utilisée comme démarreur du corps haute pression 141 de la turbomachine 107. En outre, l'homme du métier appréciera que, dans cette configuration, le convertisseur 133 est optionnel.

En outre, dans la configuration représentée à la figure 3, la machine électrique haute tension 129 et la machine électrique basse tension 118 qui sont montées sur le corps haute pression 141 sont en fait des enroulements distincts d'une machine électrique à double enroulements 151. Ces enroulements distincts sont isolés l'un de l'autre par une isolation galvanique pour assurer la ségrégation entre les deux réseaux.

La figure 4 représente encore un autre mode de réalisation reprenant la configuration du mode de réalisation de la figure 3 mais en ajoutant une seconde machine électrique basse tension 117 qui est montée sur le corps basse pression 139 de la turbomachine 107 et couplée à un arbre dudit corps basse pression 139. En outre, dans cette configuration, du fait d'un nombre de sources basse tension suffisant, le convertisseur 133 et le contacteur 135 sont supprimés. De même, comme dans le cas du mode de réalisation décrit en référence à la figure 3, la machine électrique haute tension 129 et la machine électrique basse tension 117 montées sur le corps basse pression 139 sont en fait des enroulements distincts d'une machine électrique à double enroulements 151. Ces enroulements distincts sont également isolés l'un de l'autre par une isolation galvanique.

Enfin, la figure 5 représente un dernier mode de réalisation dans lequel, le réseau électrique basse tension 113 comprend deux machines électriques basse tension 118 et 117 qui sont respectivement couplées mécaniquement à des prises de mouvement du corps haute pression 141 de la turbomachine 107 et du corps basse pression 139 de la turbomachine 107. Ces prises de mouvement sont distinctes de prises de mouvement dudit corps haute pression 141 et dudit corps basse pression 139 auxquels sont respectivement couplées les deux machines électriques haute tension 129. En outre, la machine électrique basse tension 118 montée sur le corps haute pression 141 peut être utilisée comme génératrice ou comme démarreur.