Brevet FR2441941A1 — publié le 19800613

L'invention concerne une machine tournante génératrice d'élec cricité destinée plus particulièrement à fonctionner à grande vitesse. Elle concerne notamment une telle machine du type synchrone destinée à être accouplée directement à une turbomachine. La puissance massique des machines électriques tournantes croit linéairement avec leur vitesse de rotation. Les fonctionne ments à grande vitesse sont donc particulièrement recherchés pour les applications dans lesquelles il est nécessaire de réduire notablement la taille et la masse de tels équipements. Il en est ainsi en aéronautique par exemple. Cependant l'accroissement de la vitesse de rotation de ce type de machine se heurte souvent à des difficultés de réalisation inhérentes à la tenue mécanique relativement médiocre des conducteurs électriques qui forment les bobinages portés par le rotor et qui sont généralement constitués de fils de cuivre ou d'aluminium. Il est certes connu d'utiliser un type de machine dans laquelle l'enroulement d'excitation au lieu d'être solidaire du rotor et de tourner avec lui est fixe.C'est le cas par exemple des moteurs électriques asynchrones du type dit à induction. Ces moteurs comportent un stator, un enroulement fixe intercalé entre les circuits magnétiques de ce stator et un rotor qui consiste en la combinaison d'ensembles en cage d'écureuil de pièces polaires réalisées sous forme feuilletée. Malheui-eusensent une telle combinaison, si elle devait être entrainée en rotation à grande vitesse, ne manquerait pas de poser des problèmes considérables de résistance des matériaux. La présente invention a pour but de pallier ces inconvénients et concerne une génératrice dont le rotor est spécialement conçu pour tourner à des vitesses élevées. Elle concerne plus particuliè- rement une machine tournante génératrice d'électricité fonctionnant à grande vitesse comportant un stator constitué de deux circuits magnétiques, un rotor et un inducteur fixe, formé d'un bobinage torique intercalé entre ces deux circuits magnétiques, caractérisée en ce que le rotor est réalisé en acier magnétique massif, faisant partie intégrante de l'arbre support qui llentratne en rotation, portant à sa périphérie des parties saillantes uniformément réparties angulairement formant une première et une seconde couronnes placées respectivement en regard de chacun des deux circuits magnétiques du stator, les parties saillantes correspondant à la premiere couronne étant en nombre égal à celui des parties saillantes correspondant à la seconde couronne et décalées angulairement d'un demi pas par rapport à celles-ci. L'invention sera mieux comprise à l'aide des explications qui vont suivre et de la figure jointe qui représente schématiquement un exemple de réalisation dlune génératrice conforme à llinvention. Cette génératrice est du type synchrone et comprend un stator bobiné 1, un rotor 2, et un inducteur fixe 10. Le stator 1 comporte un double clrcuit feuilleté 5 et 6 monté dans une enveloppe magnétique 7. Les tôles des deux circuits magnétiques sont munies dlen- coches 8 dans lesquelles sont insérés des bobinages d'induit mono ou polyphasés 9. L'inducteur 10 est par exemple constitué par un bobinage torique fixe intercalé entre les deux circuits magnétiques du stator 5 et 6, à llintérieur de l'enveloppe magnétique 7.Cette disposition permet toute les variantes de réalisation du bobinage inducteur qui selon l'application choisie peut par exemple être constitué par la combinaison dlun bobinage série et dlun bobinage shurit'le premier,accomplissant une double fonction: celle d'excitation d'une part, et celle de self d'autre part assurant le lissage des courants débités après redressement de la tension de sortie de la génératrice. Le rotor 2 est conformément à l'invention un rotor massif réalisé en acier magnétique, solidaire d'un arbre 3 qui dans l'exemple décrit est accouplé directement à l'axe 30 d'une turbomachine tournant à grande vitesse. Cet arbre 3 peut être porté par des paliers à billes 4 ou soutenu par tout autre moyen tel,par exemple, qu'une suspension magnétique ou hydrodynamique. Le rotor 2 porte à sa périphérie des parties saillantes 11 également réparties angulairement et disposées en nombre égal formant deux couronnes 12 et 13 placées respectivement en regard de chacun des deux circuits magnétiques 5 et 6 du stator 1. Les parties saillantes ou dents de la première couronne 12 sont décalées angulairement d'un demi pas par rapport aux dents de la seconde couronne 13. Cette structure particulière fait qu'fil y a alternance du sens de passage du flux émis par le bobinage inducteur torique fixe 10 qui est excité au moyen d'une source de courant continu non représentée sur la figure, flux qui traverse les bobinages d'induit. I1 en résulte le développement de forces électromotrices pouvant être utilisées comme source d'énergie électrique à tension alternative. La fréquence de cette tension alternative dépend de la vitesse de rotation N du rotor exprimée en nombre de tours par minute, du nombre de dents d portées par chacune des couronnes, selon la formule f =dxN 60 Ce nombre de dents est choisi en fonction de l'aPplication considérée. I1 est de six dans l'exemple décrit. Sur la périphérie du rotor 2, au voisinage immédiat de l'entrefer, la surface de chacune des dents 11 porte un ensemble de rainures 14 circulaires, fines qui ont notamment pour effet de réduire, dans une forte mesure, les pertes superficielles susceptibles d'être générées à la surface du rotor massif 2 par la modulation locale à haute fréquence de l'induction magnétique d'entrefer au droit de chaque ouverture d'encoche du stator. La profondeur de ces rainures 14 dépend de cette fréquence et de l'amplitude de ces modulations. Elle est adaptée à chaque application considérée. Enfin, le rotor est pourvu de moyens d'obturation 17 obturant presque intégralement les espaces compris entre les dents. Dans l'exemple décrit il s'agit de disques latéraux ayant un diamètre extérieur légèrement inférieur au diamètre intérieur des tôles des circuits magnétiques du stator, de façon à limiter les échanges d'air dans le sens axial de la machine. La présence de ces disques contribue à réduire notablement les pertes dites de ventilation résultant du brassage intense de l'air autour des parties saillantes du rotor dans leur mouvement de rotation à grande vitesse. Ces disques sont réalisés en matériau amagnétique. Le refroidissement de la machine peut être assuré par tout moyen approprié. Cependant, dans l'application considérée qui est une génératrice accouplée à une turbine, il est intéressant de munir l'enveloppe 7 d'ailettes 100 de refroidissement qui du fait de leur position dans les filets d'air due au fonctionnement de la turbine assurent un refroidissement efficace. La constitution du rotor permet également d'établir une circulation de fluide à l'intérieur de celui-ci à proximité de l'entrefer ce qui contribue également à l'obtention d'un refroidissement optimal. L'absence de bobinage tournant, la mise en oeuvre d'un rotor monobloc avec l'arbre, la présence de rainures superficielles et de disques obturateurs permettent d'augmenter très sensiblement la vitesse de rotation d'une génératrice ainsi équipée, et donc la puissance massique de celle-ci tout en palliant les risques de perte dû au fonctionnement à vitesse élevée. Cette combinaison de moyens rend possible l'accouplement de telles génératrices à des turbomachines à grande vitesse et la réalisation de groupes électrogenes compacts, légers, de bon rendement, pouvant âtre utilisés dans un large domaine d'application. REVENDICAUIONS 1. Machine tournante génératrice d'électricité, fonctionnant à grande vitesse comportant un stator constitué de deux circuits magnétiques, un rotor et un inducteur fixe, formé d'un bobinage torique intercalé entre ces deux circuits magnétiques, caractérisée en ce quele rotor est réalisé en acier magnétique massif, faisant partie de l'arbre qui l'entralne en rotation, portant à sa périphérie des parties saillantes uniformément réparties angulairement formant une première et une seconde couronne placées respectivement en regard de chacun des deux circuits magnétiques du stator, les parties saillantes correspondant à la première couronne étant en nombre égal à celui des parties correspondant à la seconde couronne et décalées angulairement d'un demi pas par rapport à celles-ci. 2. Machine tournante selon la revendication 1, caractérisée en ce que la surface de ces parties saillantes porte un ensemble des rainures circulaires. 3. Machine tournante selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisée en ce qu'elle comporte des moyens d'obturation des espaces compris entre les parties saillantes. 4. Machine tournante selon la revendication 3, caractérisée en ce que ces moyens d'obturation sont constitués par deux disques latéraux réalisés en matériau amagnétique. 5. Machine tournante selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comporte des moyens de refroidissement. 6. Machine tournante selon la revendication 5, caractérisée en ce que ces moyens de refroidissement sont constitués par des ailettes solidaires d'une enveloppe entourant le stator. 7. Machine tournante selon la revendication 5, caractérisée en ce que ces moyens de refroidissement sont constitués par des moyens de circulation d'un fluide créé à l'intérieur même du rotor.