Brevet FR2027384A1 — publié le 19700925

La présente invention concerne les agencements de paliers de portée pour moteurs électriques. Plus particulièrement» elle concerne les agencements de paliers pour les arbres des moteurs dont la longueur est très grande par rapport à leur diamètre, tels que 5 les moteurs électriques immergés utilisés pour actionner les pompes pour puits profonds. Dans un type courant de telles pompes immergées pour puits profonds, l'arbre de la pompe est mis en rotation par un moteur é-lectrique à courant alternatif accouplé à la pompe et immergé à 10 proximité du fond du puits. En raison de l'environnement spécial dans lequel fonctionne la pompe et de la puissance qu'elle exige, le moteur qui l'actionne doit avoir une longueur très grande par rapport à son diamètre. Par suite, il est nécessaire de supporter l'arbre du rotor de tels moteurs par des paliers échelonnés sur sa 15 longueur. Le rôle de ces paliers est de stabiliser le rotor lorsque le moteur tourne et de maintenir l'écartement approprié entre le rotor et le stator du moteur, en permettant ainsi de réduire à un minimum l'entrefer nécessaire entre ces éléments en vue d'obtenir un bon rendement du moteur. 20 Les ensembles de paliers couramment utilisés pour soutenir le rotor de tels moteurs comportent chacun un manchon solidaire de l'arbre du moteur et tournant avec lui et des appuis ou coussinets fixes qui entourent ce manchon et le maintiennent, ainsi que l'arbre du moteur, correctement centré. Les coussinets fixes sont en 25 général mis en place dans l'alésage du stator du moteur.au cours de l'introduction du rotor du moteur dans son stator. Le stator maintient les coussinets du rotor centrés sur leur position correcte et ces coussinets ne peuvent se déplacer longitudinalement lorsque le moteur tourne. 30 Un.problème qui se pose immédiatement lorsque de tels pa liers sont utilisés est celui provenant de la tendance qu'ont les coussinets, qui doivent demeurer fixes, à tourner sous l'effet du champ magnétiquè tournant créé par le stator du moteur. Une telle rotation provoque une surchauffe de la portée correspondante, ce 35 qui augmente sensiblement la quantité de chaleur dégagée dans l'ensemble du moteur et a pour résultat une perte de rendement appréciable. De plus, de telles rotations sont la cause pour le stator et pour les coussinets du moteur de dommages qui nécessitent une remise en état ou un remplacement prématurés de ces éléments. 40 Ce problème s'est posé dès l'apparition des premiers moteurs 69 45483 2. 2027384 de pompes immergées et plusieurs essais ont été effectués en vue de lui trouver une solution satisfaisante. Le procédé le plus efficace parmi ceux proposés dans ce but consiste à munir le moteur d'un noyau d'inducteur interrompu aux emplacements des coussinets de 5 portée. Ces interruptions sont réalisées en incorporant dans le noyau d'inducteur des paquets de tôles amagnétiques accolées aux endroits appropriés. De cette façon, le champ magnétique est interrompu aux emplacements des paliers de portée et toute tendance à la rotation des coussinets fixes de ces paliers est supprimée. 10 Ainsi qu'on le comprendra aisément, une telle disposition est coûteuse et les opérations d'assemblage nécessitées par la construction de tels noyaux d'inducteurs sont très longues. Il est évident que la construction des noyaux d'inducteurs la plus avantageuse est celle pour laquelle ces noyaux sont constitués par un 15 empilage homogène de tôles pour circuits magnétiques. En vue de réaliser cette construction avantageuse, il a été essayé d'empêcher la rotation des éléments fixes des paliers de portée par l'emploi de matières amagnétiques. Théoriquement, un coussinet amagnétique est insensible à l'action du champ magnéti-20 que du stator et, par suite, ne tend pas à tourner lorsque le moteur est en marche. Mais, en pratique, il a été observé que, malgré l'emploi de coussinets en matière amagnétique, de sérieux problèmes se posent encore en ce qui concerne.cette.tendance à la rotation de ces coussinets fixes. Il s'ensuit que, jusqu'ici, le seul 25 procédé efficace qui permette de supprimer cette tendance à la rotation est celui dans lequel sont utilisées des tôles amagnétiques dans les régions du stator adjacentes aux paliers, et toutes les pompes submersibles offertes actuellement sur le marché sont nécessairement construites de cette façon. 30 La raison pour laquelle l'emploi d'une matière amagnétique pour la construction des paliers de portée n'a pas effectivement résolu le problème est que d'autres facteurs que les propriétés magnétiques des coussinets fixes des paliers entrent en jeu dans la tendance à la rotation de ces éléments. La structure de nombreux 35 métaux est telle que la présence d'un champ magnétique intense provoque l'établissement des courants intermoléculaires dits courants de Foucault. Ces courants sont la cause d'un dégagement de chaleur dans la masse du métal soumis à l'action du champ magnétique. De plus, lorsque le champ magnétique qui agit sur le métal est un ^0 champ tournant, comme c'est le cas dans les moteurs électriques du 45483 2027384 type décrit, ces courants de Foucault tendent aussi à faire tourner l'élément plongé dans ce champ magnétique tournant. Par suite, si l'on désire réaliser un élément de portée non tournant qui fonctionne correctement bien qu'exposé à l'action du champ magnétique 5 du moteur, il est nécessaire que cet élément soit fait en une matière qui non seulement soit amagnétique mais qui, de plus, s'oppose à l'établissement dans sa masse des courants de Foucault. Par suite, l'objet principal de la présente invention est la réalisation d'un agencement de paliers de portée perfectionnés, 10 utilisable dans les moteurs électriques de grande longueur et fournissant au rotor du moteur des supports échelonnés sur la longueur de l'arbre de ce rotor. Un autre objet de l'invention est la réalisation d'un a-gencement de paliers de portée perfectionnés soutenant le rotor du 15 moteur en des emplacements échelonnés sur la longueur de l'arbre de ce rotor et qui permet de constituer le noyau du stator du moteur par un empilage homogène de tôles pour circuits magnétiques. Un autre objet de l'invention est la réalisation d'un agencement de paliers de portée perfectionnés du type décrit qui sup-20 prime la tendance qu'ont les éléments fixes des paliers de type antérieur à tourner sous l'action du champ magnétique qui s'établit dans le moteur. Un autre objet de l'invention est la réalisation d'un agencement de paliers de portée perfectionnés du type décrit dans le-25 quel chaque palier comporte un élément' fixe fait en une matière a-magnétique et qui s'oppose à l'établissement dans sa masse de courants cfeFoucault lorsque cet élément est soumis à l'action du champ magnétique du stator. La caractéristique principale du moteur de l'invention con-30 siste en ce que ses coussinets de portée sont faits en une matière amagnétique et qui, de plus, s'oppose par sa nature à l'établissement dans sa masse de courants de Foucault. Chacun de ces coussinets est fait en une matière céramique qui a une résistivité d'environ ÎO1^ -fl- cm à 25°C. 35 D'autres buts, caractéristiques et avantages de la présen te invention ressortiront de la description qui va suivre, description faite à titre purement explicatif et nullement limitatif et avec référence au dessin joint dans lequel : La figure 1 est une vue partielle en coupe axiale d'un mo-40 teur de grande longueur et illustrant les caractéristiques parti 69 45483 4. 2027384 culières de la présente invention ; et La figure 2 est une vue de détail dessinée à plus grande échelle d'une partie du moteur représenté partiellement sur la figure 1. 5 La présente invention a pour objet un agencement de pa liers de portée amagnétiques utilisables dans un moteur électrique de grande longueur, qui supportent le rotor du moteur en des emplacements échelonnés sur sa longueur'et qui fonctionnent de façon satisfaisante dans le champ magnétique qui s'établit dans un stator 10 de moteur constitué par un empilage homogène de tôles pour circuits magnétiques. Les figures du dessin joint représentent un moteur électrique de grande longueur désigné dans son ensemble par la référence 11 et conforme aux principes de l'invention. Dans son mode de 15 réalisation représenté, ce moteur 11 comprend une carcasse 13, un stator 15 et un rotor 17. Le stator 15 est constitué par un empilage 19 de tôles pour circuits magnétiques. Ce stator est solidaire de la carcasse 13. Un arbre tournant 21 s'étend entre les extrémités (non re-20 présentées) du stator et peut être muni des butées radiales et axia les habituelles (non représentées non plus). L'arbre 21 est concentrique avec la carcasse 13 et avec le stator 15 et supporte le rotor 17- Ce rotor 17 entoure l'arbre et est divisé sur sa longueur 25 en une série de sections 23 suffisamment distantes les unes des autres pour qu'un palier de portée 25 puisse être logé entre chacune des sections 23 adjacentes. Ces sections du rotor ont un diamètre extérieur plus petit que le diamètre intérieur du stator 15, de sorte qu'un entrefer 26 est ménagé entre le rotor et le stator 30 et permet l'écoulement d'un fluide refroidisseur en provenance d'une source appropriée (non représentée). La longueur de l'arbre 21 est déterminée par le nombre des sections du rotor qui sont nécessaires pour que le moteur fournisse la puissance exigée par son emploi envisagé. Le nombre des paliers de portée 25 et leur espa-35 cernent sont fonction de la résistance mécanique de l'arbre, de la tolérance admise sur l'épaisseur de l'entrefer et de diverses conditions de structure à respecter. Les paliers 25 s'échelonnent sur toute la longueur du stator 15. Ainsi qu'on le voit sur la figure 2, chacun de ces paliers 40 comprend un manchon amagnétique 27 fixé de toute façon appropriée 69 45483 5- 2027384 sur l'arbre 21. Ce manchon coopère avec un coussinet amagnétique fixe 29 qui maintient l'arbre 21 correctement centré dans le moteur. Ce coussinet fixe comporte une partie cylindrique intérieure 31 qui entoure à frottement doux le manchon 27» ce qui permet à 5 ce manchon de tourner dans ladite partie intérieure 31 lorsque l'arbre 21 tourne. La partie extérieure annulaire 33 du coussinet .29 est fixée dans le stator 15 et demeure immobile par rapport à celui-ci. La fixation de cette partie extérieure annulaire 33 du coussinet 10 dans le stator 15 s'effectue par emmanchement à force du coussinet dans l'alésage du stator à l'opération de mise en place du rotor dans le stator au pours du montage du moteur. Il est aussi prévu dans chaque coussinet 29 des conduits de passage 35 parallèles à l'axe du moteur et qui permettent l'ê-15 coulement continu en direction axiale d'un liquide de refroidissement . Selon la présente invention, chacun de ces coussinets 29 est fait en une matière qui non seulement est amagnétique mais qui, de plus, résiste à l'établissement dans sa masse des courants de 20 Foucault lorsqu'elle est soumise à l'action d'un champ magnétique. Pour que cette dernière condition soit remplie, il est nécessaire que ladite matière ait une résistance électrique relativement é-levée. Cette forte résistivité est d'une importance essentielle dans le cas où un coussinet fixe du type décrit est utilisé dans 25 un moteur dont le noyau du stator est homogène. L'expérience a montré que la résistivité de la matière a-magnétique utilisée doit être au moins égale à 100 pûcm (à 20°C). Au-dessus de ce chiffre, la résistance à l'établissement des courants de Foucault dans la masse du coussinet est suffisante pour 30 éviter la rotation du coussinet et tout dégagement de chaleur excessif. Une matière que l'expérience a montré posséder les qualités essentielles d'insensibilité magnétique (c'est-à-dire une faible perméabilité) et de résistance à l'établissement des courants 35 de Foucault (c'est-à-dire une forte résistivité) est celle offerte sur le marché par la Société "International Nickel Company" sous l'appellation commerciale "Ni Resist". Cette matière est un alliage ferreux contenant du nickel, du cuivre et du chroisie-. Une qualité de "Ni Resist" que l'expérience a montré con-40 venir particulièrement pour la fabrication des coussinets 29 est 69 45483 6. 2027384 le "Ni Resist" Type II. C'est une fonte alliée contenant environ : 18,0 à 22,0 % de nickel, 0,50 % de cuivre et 1,75 à 2,50 % de chrome. Cette matière a une perméabilité de 1,03 (contre 125 pour la fonte grise) et une résistivité de 130 - 170 pAcm à 20°C (con-5 tre 75 - 100 pour la fonte grise). Une autre fonte alliée qui a donné satisfaction à l'usage comprend environ : 3 ï de carbone, 13,5 à 17,5 % de nickel, 5,5 à 7,5 % de cuivre et 1,75 à 2,50 % de chrome. Des essais effectués sur diverses matières pouvant être u-10 tilisëes pour la fabrication de coussinets de portée ont montré que certaines de ces matières, bien que de nature amagnétique, ne donnent pas satisfaction du fait que leur résistivité est inférieure au minimum fixé plus haut. Parmi les matières essayées figuraient l'aluminium (résistivité 2,8jiflcm à 20°C) et le bronze (résis-15 tivité 6,21 jtfîcm â 2Ô«?C). D'autres matières qui se sont révélées particulièrement appropriées à la fabrication des coussinets 29 sont les matières céramiques. Leur faible perméabilité et leur forte résistivité satisfont aux conditions qui ont été jugées nécessaires dans le cas 20 d'un moteur de pompe immergée tel que le moteur 11. Une matière céramique, l'oxyde d'aluminium (alumine) (Al2 Oj), a donné particulièrement satisfaction pour la fabrication des coussinets 29. Cette matière est, évidemment, amagnétique et sa résistivité à 25°C est ÎO1^ ilcn. Cette résistivité est largement su-25 périeure à celle de lOOpAcm à 20°C nécessaire pour assurer la résistance minimale exigée à l'établissement des courants de Foucault Cette matière est fabriquée par la Société "COORS, Inc." et vendue sous l'appellation "AD-85". Cette matière céramique a un très faible coefficient de di-30 latation de l'ordre de 5,4 x 10~^ cm/°C entre 22 et 200°C. Il est par conséquent nécessaire de choisir une matière appropriée pour la fabrication des manchons 27 pour éviter le grippage de ces manchons dans leurs coussinets. L'expérience a montré qu'un manchon en acier SAE 4.140 donne toute satisfaction à ce point.de vue. Cet acier a 35 un coefficient de dilatation de 11,3 x 10~® cm/°C. Mais, toute autre matière appropriée peut être utilisée, le seul point important étant que les caractéristiques à la dilatation du manchon soient compatibles avec celles du coussinet. La surface latérale du manchon en acier est revêtue par pul 40 vérisation d'une couche céramique qui forme une surface extérieure 69 45483 2027384 dont la nature est compatible avec celle de la surface de l'alésage du coussinet céramique. Cette couche peut être constituée par une pulvérisation d'alumine. Une matière appropriée à cet usage est offerte sur le marché par la Société "COORS, Inc." sous l'appella-5 tion commerciale "Rokide" grade C. L'expérience a montré que les matières céramiques à base de bérylline (BeO) conviennent aussi pour la fabrication des paliers de portée 25. Pour supprimer effectivement la sensibilité des coussinets 10 29 au champ magnétique du stator 19, ces coussinets doivent être faits en une matière amagnétique et, de plus, doivent avoir une forte résistivité, et-plus précisément, une résistivité supérieure à 100|iAcm à 20°C. Bien que certains alliages ferreux et certains produits cé-15 ramiques aient été spécifiquement décrits ci-dessus, toute matière appropriée, carbone, matière plastique, ou métal non ferreux, ayant les propriétés nécessaires indiquées peut être utilisée. La présente invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation qui viennent d'être décrits, elle est au contraire 20 susceptible de variantes et de modifications qui apparaîtront à l'homme de l'art. 69 45483 8. 2027384 REVENDICATIONS 1 - Moteur électrique de grande longueur comprenant une carcasse, un stator homogène comportant un empilage de tôles pour circuits magnétiques et monté dans cette carcasse, un arbre, un ro- 5 tor divisé en une pluralité de sections et monté sur cet arbre, celui-ci tournant à l'intérieur du stator, et une pluralité de paliers de portée interposés chacun entre deux sections adjacentes du rotor et supportant l'arbre ; ce moteur étant caractérisé en ce que chacun de ses paliers de portée comprend un coussinet fixe en 10 contact avec le stator et fait en une matière céramique. 2 - Moteur électrique selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite matière céramique est choisie dans le groupe comprenant l'oxyde d'aluminium (alumine) et l'oxyde de béryllium. 3 - Moteur électrique selon la revendication 1, caractérisé 15 en ce que chacun desdits paliers de portée comprend un manchon cylindrique fixé sur l'arbre, supporté par l'un desdits coussinets et tournant dans celui-ci, ce manchon étant en acier et sa surface latérale ayant été recouverte d'une couche de matière céramique. 4 - Ensemble de paliers du type de ceux caractérisés dans 20 le moteur selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'aciej* constitutif dudit manchon est l'acier SAE 4.140.