Brevet FR2486730A1 — publié le 19820115

Accumulateur d'énergie à volant L'invention concerne un accumulateur d'énergie à volant avec, pour la conversion de l'énergie, un rotor à disques synchrone tournant extrêmement vite et un palier magnétique axial et/ou radial constitué par un corps de rotation tournant à une vitesse extrêmement élevée, pour la création de forcesmagnétiques agissant axialement et/ou radialement. On sait que les convertisseurs d'énergie de type connu (moteur electrique/génératrice) nécessitent la présence de transmissions intercalées entre le volant tournant à grande vitesse et le convertisseur d'énergie. Mais de telles transmissions provoquent des pertes d'énergie élevées et sont soumises à une usure mécanique. I1 en va également à peu près de même pour le support mécanique de ces types de dispositifs. En outre, les installations destinées au refroidissement et au graissage des parties susdites rendent difficile l'établissement d'un vide dans le carter de volant. Le DE-OS 2 430 141 traite de façon détaillée de ces problèmes, mais sans fournir un enseignement spécifique pour les résoudre dans la pratique. Dans le brevet allemand 2 558 422, il est décrit un accumulateur d'énergie à volant du type indiqué au début qui est à l'origine de la présente invention et lui fournit le problème qui en òrme'la base, à savoir à créer un accumulateur d'éneryie à volant du type indiqué au début qui permette une conversion d'énergie presque sans perte et offre la possibilité de réaliser une course sans contact du volant et du convertisseur d'énergie à l'intérieur du carter de volant dans lequel a été fait le vide. Ce problème est résolu de façon optimale et sûre grâce au fait que des aimants permanents cylindriques ou des aimants en fer doux avec bobine d'excitation sont enfoncés à pression dans des trous axiaux répartis uniformément sur la circonférence de disques en métal, ce(s) -disque(s) en métal étant muni(s) sur sa(leur) périphérie d'un enroulement, et le palier magnétique ou les paliers magnétiques étant munis d'enroulements en matériau composite renforcé par des fibres. Les caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront d'ailleurs de la description qui va suivre de formes due réalisations choisies à titre d'exemples, en référence au dessin annexé dans lequel la figure 1 est une vue en coupe d'un rotor se présentant sous la forme d'un disque double à arbre creux ; la figure 2 est une coupe effectuée suivant la ligne I-I de la figure 1 ; la figure 3 est un modèle de calcul pour la détermination des courbes de contrainte dans l'exemple de réalisation représenté aux figures 1 et 2 ; la figure 4 est un autre modèle de calcul pour la détermination des courbes de contrainte dans l'exemple suivant les figures 1 et 2, avec utilisation d'une fibre de carbone à coefficient d'élasticité élevé (par exemple THORNEL 100) ; la figure 5 est une coupe longitudinale effectuée dans un disque double du rotor à disque synchrone en matériau composite renforcé par des fibres la figure 6 est une coupe transversale du rotor avec aimants excitateurs disposés en cercle ; la figure 7 est une vue en coupe du cercle primitif des aimants disposés dans le disque du rotor la figure 8 montre un exemple de réalisation vue en coupe transversale à travers un convertisseur d'énergie avec aimants de rotor à excitation séparée la figure 9 est une vue en coupe transversale d'un exemple de réalisation de rotor à disque synchrone la figure 10 est une vue en coupe transversale d'un palier magnétique la figure 11 est une coupe effectuée suivant la ligne II-II de la figure 10 la figure 12 est une vue en coupe transversale d'un palier magnétique combiné axial/radial ; la figure 13 est une vue en coupe transversale d'un palier magnétique axial ou de butée ; la figure 14 est une coupe effectuée suivant la ligne III-III de la figure 13 ; et la figure 15 est une vue en coupe transversale d'une autre forme de réalisation. Avec les types actuellement utilisés de moteurs et génératrices asynchrones, synchrones, à courant continu et à courant alternatif, le convertisseur d'énergie correspondant est soumis à des limites d'utilisation soit en ce qui concerne la puissance et le couple de rotation pour les régimes élevés et très élevés, soit en ce qui concerne le régime pour les puissances et couples de rotation élevés. La présente invention satisfait à l'obligation imposée au convertisseur d'énergie de développer des puissances élevées et d'être accouplé directement au volant en matériau renforcé par des fibres. Un élément caractéristique en ce sens est le fait que, pour des raisons de solidité, des aimants en fer doux cylindriques permanents ou à bobinages sont montés dans des trous correspondants d'un disque en métal, répartis uniformément et axialement sur la circonférence du disque.Les figures 1 à 7 montrent un mode de réalisation typique à aimants permanents. Le corps en métal du rotor est constitué par un arbre et un disque ou plusieurs disques. Dans l'exemple de réalisation représente, l'arbre porte deux disques. Des aimants permanents cylindriques 2 répartis uniformément au point de vue angulaire sur le cercle de rayon e sont fixés par enfoncement à force ou par collage dans des trous la. Le corps en métal 1 est de préférence fait en alliage à base de titane et il est entouré par enroulement d'un matériau de fibres ou de fils 3. Par rapport au matériau à base de titane, ces matériaux de bobinage ont un module d'élasticité deux fois plus grand, une résistance mecanique deux fois plus élevée et un poids spécifique inférieur à la moitié. Ces exigences correspondent par exemple aux matériaux composites renforcés par fibres de carbone et de carbonado, ainsi qu'aux matériaux composites renforcés par des filaments de bore. Le bobinage en matériau composite 3 avec des fibres ou des filaments de renforcement est stratifié à l'aide de couches de résine époxy de liaison et empêche toute rupture de l'anneau extérieur du disque sous l'effet des contraintes provenant des masses en rotation des aimants 2. Un exemple de réalisation décrit précédemment a été représenté dans le modèle de calcul des figures 3 et 4.Les matériaux suivants et leurs paramètres principaux, etc . ont été pris comme base des calculs que présentent Ces modèles Corps métallique 1 à base de titane (élément 4) avec E = 1,125 x 106 daN/cm2 Y = 4, 5 g/cm3 Aimants (élément 5) avec 5 2 effectif 0,2 E titane x 2,25 x 105 daN/cm2 Y effectif = 7,14 g/cm3 Bobinage en matériau renforcé par fibres (élément 6) avec E = 2,5 x 106 daN/cm2 Y = 1,78 cm3 Résistance à la rupture = 31 000 daN/cm2 Résine de liage de l'enroulement en matériau renforcé par fibres3 (élément 7) avec E = 60 000 daN/cm2 Y = 1,2 g/cm3 Les éléments 8 jouent le rôle de couche de séparation et sont faits en résine époxy E = 60 000 da/cm2 Y - 0 Pour les calculs, on a choisi un modèle selon les figures 1 et 2 avec les dimensions suivantes Nombre de tours : n = 42 000 tours/min. Rayon extérieur matériau à fibres : 150 mm Rayon intérieur de l'arbre creux :b = 78,8 lmm Rayon extérieur du disque en titane : c = 108,8 mm Rayon de l'aimant : d = 18,9 mm Rayon cercle primitif des aimants : e = 97,6 mm S'il n'y avait pas de bobinage en matériau 3 renforcé par fibres (éléments 6 et 7 du modèle), les tensions critiques 9 dans le sens périphérique régnant dans les disques en titane dépasseraient de loin la tension de rupture 11 du disque en titane, comme le montre le calcul. En outre, les tensions dans le sens périphérique 12 et dans le sens radial 14 dans les aimants et entre aimant et disque risqueraient de dépasser les tensions à enfoncement à force des aimants dans leurs logements. L'enroulement 3 en matériau renforcé par fibres de carbonado, par exemple en TORAYCA 300A, abaisse d'environ 40 % la tension periphérique ou circonférentielle critique du disque en titane, en la ramenant des valeurs de la courbe 9 aux valeurs de la courbe 10 qui est située en dessous de la valeur de tension de rupture 11. Dans l'aimant 2, et entre l'aimant et le disque 1, les tensions circonférentielles 12 sont ramenées aux valeurs plus faibles de la courbe 13, et les tensions radiales 14 à celles de la courbe 15.Les tensions circonférentielles ou efforts de traction 16 dans les fibres de carbonado sont largement en dessous de leur -tension de rupture 17, et il en est de même pour les tensions circonférentielles dans la résine époxy 18 ainsi que pour les tensions radiales 19 dans la zone d'effort à la compression non critique 20. On peut encore augmenter la performance des disques de rotor synchrone si, comme le montre la figure 4, on utilise une fibre de carbone dont le module d'élasticité est notablement plus élevé. On peut citer comme exemple d'une telle fibre, la fibre THORNEL 100 dont les caractéristiques sont les suivantes 6 2 E = 6,89 x 106 daN/cm y = 1,94 g/cm3 Tension de rupture = 34 000 daN/cm2 Les dimensions des disques de rotor ont été multipliées par le facteur 1,333 et sont donc devenues a = 200 mm b = 105 mm c = 145 mm d = 25,2 mm e = 130 mm Toutes les autres valeurs, y compris le regime de rotation de 42 000 tours/minute, ont été prises dans l'exemple selon la figure 3.Ici aussi, la tension circonférentielle dans le disque ae titane se trouve en dessous de la tension de rupture du titane 22. La tension circonférentielle 24 et la ten sion radiale 23 dans l'aimant et dans la zone entre aimant et disque de titane restent dans des limites admissibles. L'empêchement de l'allongement du disque de titane par la valeur élevée du module d'élasticité des fibres de carbone, crée des tensions circonférentielles 25 élevées et une augmentation rapide des tensions circonférentielles par rapport au diamètre intérieur c du bobinage en fibres. La tension circonférentielle ou effort de traction maximal atteint la valeur de tension de rupture 26 des fibres choisies. L'effort de compression radiale 27 à l'intérieur de la résine augmente également de façon abrupte et provoque des tensions de compression 28 à l'intérieur de la resine dans le sens circonférentiel. Nëanmoins, les efforts de compression dans le sens radial 27 et dans le sens tangentiel 28 restent à l'intérieur des limites de la tension de rupture à la compression 29 de la résine époxy. La figure 5 représente une coupe longitudinale d'un mode de réalisation à deux disques du rotor proposé avec arbre creux et disques 1, ainsi qu'avec les aimants 2 et l'enroulement des disques au moyen de fibres de carbonado ou de filaments de bore 3. Les deux disques avec les aimants sont encadrés par les aimants excitateurs 30 en forme d'E. L'excitation des aimants s'effectue au moyen des bobines 31 (les lignes de champ magnétique sont marquées par la lettre B). La figure 6 est une vue en section transversale du rotor décrit ci-dessus aves ses aimants excitateurs 30 disposés uniformément au point de vue angulaire. Les bobines 31 des aimants excitateurs sont parcourues par un courant triphasé avec ses trois phases R, S, T. Les douze aimants excitateurs forment trois groupes de quatre aimants qui sont raccordés symétriquement chacun à l'une des phases. Les exemples que montrent les figures 2 et 5 comportent douze aimants excitateurs et douze aimants dans le disque de rotor. Suivant les dimensions et formes des disques, on peut avoir des modes de réalisation comportant 6 ou 24 ou 48, etc paires d'aimants. Les pièces 32 et 33 assurent le maintien en place et le centrage des aimants excitateurs 30. La figure 7 montre dans une coupe partielle suivant le cercle où sont disposés des aimants 2 montés dans le disque 1, la façon, bien connue en soi, dont travaillent un moteur électrique et un générateur synchrone. On a représenté sur la figure 8 un convertisseur d'énergie suivant le principe de la présente invention comportant des aimants de rotor à excitation séparée ou indépendante. Au lieu d'aimants permanents 2, les aimants montés dans le disque sont des aimants en fer doux avec noyau 35 et bobine excitatrice 36. Le courant d'excitation pour les bobines 36 est fourni par un générateur 40 comportant un aimant de rotor 41 et un aimant d'excitation 42. Le générateur d'excitation 40 monté sur le bout d'arbre du corps de rotor 1 fonctionne suivant le même principe que le rotor en fonctionnement de générateur. Le courant alternatif d'excitation fourni par le générateur 40 est amené par le câble 43 au redresseur de courant 44. Après redressement le courant d'excitation passant par le conducteur 39 est amené aux bobines 36. Sur la figure 9 est montré un exemple de réalisation dans lequel le corps métallique du rotor 1 est constitué par un disque plein 45 affectant la forme d'un disque hyperbolique. Grâce à sa forme, ce disque présente une densité d'énergie élevée. Dans un tel disque, l'effort de traction radial est'égal à l'effort de traction tangentiel. Dans de tels disques 45, des aimants 2, repartis uniformément sur la circonférence, sont engages dans des logements et les disques portent un enroulement de fibres de carbone 3. Dans ces disques pleins hyperboliques 45, on utilise de façon particulièrement avantageuse pour le corps metallique 45 en liaison avec l'enroulement en fibres de carbone, outre les alliages de titane, des alliages d'aluminium à haute résistance. Lorsque le disque plein hyperbolique est en acier, il faut que l'enroulement en matériau à fibres 3 soit fait avec des fibres de carbone ou bien avec des filaments de bore dont le module d'élasticité est égal au double de celui de 1 'acier. Les éléments de rotor eux-mêmes doivent être montés dans des douilles 55 en matériau non-ferreux résistant aux pressions élevées afin d'éviter la formation d'un flux magnétique dans le disque en acier. Deux disques avec l'aimant de stator en forme d'E 56 et avec l'enroulement 57 peuvent représenter aussi bien un ensemble convertisseur d'énergie que, simultanément, un ensemble accumulateur d'énergie, grâce à la capacité d'accumulation d'énergie élevée des disques pleins hyperboliques 45. L'assemblage des disques 45 est effectué au moyen des boulons 54 et des bagues de centrage et de passage de boulon 48 et 49. Les enroulements de fibres de carbone 50, 51 empêchent la rupture des bagues 48, 49. L'espace qui se trouve au dessus de ces bagues peut être utilisé pour une accumulation d'énergie supplémentaire, comme le représentent les enroulements de fibres de carbone 52, 53. La figure 10 représente un palier magnétique. Le rotor de palier constitué par les pièces 60,61, 62, 63 tourne sans contact entre les aimants de stator 64, 65. Pour réduire au maximum les pertes par courant de Foucault, le rotor est constitué par les lamelles en fer 61 qui sont centrées par l'anneau ae titane 60 et sont séparées les unes des autres par les éléments isolants 62. Pour obtenir les forces magnétiques nécessaires ou bien pour maintenir également aussi faibles que possible les forces magnétiques, il est nécessaire que les lamelles 61 aient une surface de rotation grande en corres pondance. Les forces tangentielles apparaissant entre les lamelles dans le rotor tournant à grande vitesse, sont absorbées par l'enroulement 63 en fibres de carbone ou en filaments de bore. La figure 11 est une vue en coupe du rotor représenté sur-la figure 10. On a représenté sur les figures 12 et 13 un palier magnétique combiné axial/radial, et respectivement un palier magnétique axial. Une caractéristique pour ces-modes de réalisation est l'enroulement constitué pa-r une mince bande de fer doux et une bande de matériau renforcé par fibres de carbone ou par filaments de bore qui sont enroulées ensemble sur la bague 66 et la bague 71. Ces dernières bandes isolent la bande de fer doux et, de plus, absorbent les forces tangentielles provenant des masses en rotation de la bande en fer doux et du matériau renforcé par fibres ou filaments. Dans le palier combiné axial/radial, il y a deux enroulements de bande en fer doux 67 qui sont séparés par un enroulement ae matériau renforcé par fibres ou par un entrefer 69, de façon à faire obstacle à un flux magnétique allant d'un aimant 70 à un aimant 70 opposé. Dans le palier axial ou de butée,les disques-couvercles 74absorbent les contraintes de flexion provenant des forces magnétiques axiales. Afin d'absorber les couples de flexion et les contraintes provoquées par la rotation, les disques-couvercles en alliage à base de titane ont un contour extérieur hyperbolique. On a représenté en outre, à la figure 14 l'induction B1 dans l'aimant 75 et l'induction B2 dans la bande en fer doux des enroulements 67 et 72. La figure 15 montre l'application de l'invention à un dispositif convertisseur d'énergie se présentant sous la forme d'un volant en cylindre creux 81, la figure montrant également le montage du rotor 82 selon l'invention. L'aimant de stator en forme d'E 84 est monté dans un carter 91 muni d'ailettes de refroidissement. Un couvercle de fermeture 92 permet de guider le passage d'air de refroidissement ou de liquide-de refroi dissement dans les canaux annulaires 93. Les corps de rotation 81, 82 sont montés dans des paliers magnétiques sans contact 83. Les forces magnétiques radiales sont produites par les aimants 85. Grâce aux lamelles 83 et aux aimants d'excitation supplémentaires 86, le palier radial joue également le rôle de palier axial. Le carter cylindrique 89 qui sert de logement au volant en cylindre creux 81 tournant dans le vide est fait en alliage d'aluminium à résistance élevée et comporte des nervures monobloc afin de lui assurer une stabilité suffisante contre la pression extérieure malgré un poids aussi réduit que possible. Les paliers d'épaulement à billes 87 servent de supports de secours en cas de défaillance éventuelle des paliers métal liques. Les coussinets avec l'élément amortisseur élastique en caoutchouc doivent être calculés de telle sorte que le système se trouve presqu'exclusivement dans le régime de vitesse de rotation surcritique. Le rendement extrêmement élevé que le convertisseur d'énergie possède aux régimes de vitesse de rotation très élevés lui ouvre de nouvelles possibilités d'utilisation aussi bien dans le secteur civil que dans le secteur militaire. En raison de leur rapport élevé énergie/poids et puissance/poids, les générateurs de chocs à haute performance réalisés suivant le principe propose par la présente invention peuvent trcuver une utilisation dans le domaine de la fusion nucléaireetdela technique des armes à rayon laser. En tant que système moteur pour véhicules, il est largement supérieur aux commandes d'entrainement par batteries en ce qui concerne la puissance compte tenu de l'absorption et de la restitution d'énergie. Revendications 1. Accumulateur d'énergie à volant comportant un rotor synchrone à disques tournant à vitesse extrêmement élevée destiné à la conversion de l'énergie et un palier magnétique axial et/ou radial constitué par un corps de rotation tournant à vitesse extrêmement élevée ayant pour rôle la création de forces magnétiques agissant axialement et/ou radialement, ca ractérisé en ce que des aimants permanents cylindriques (2) ou des aimants en fer doux (35) avec bobine d'excitation (36) sont enfoncés force dans des forages (la) axiaux répartis uniformk- ment sur la carconférence de disques en métal (1), le disque en métal ou les disques en métal (1) étant munis sur leur périphérie d'un enroulement (3) en matériau composite renforcé par des fibres, et le palier magnétique ou les paliers magnétiques (100, 101, 102) étant munis d'enroulements (63, 68, 73) en matériau composite renforcé par des fibres 2. Accumulateur d'énergie selon la revendication 1, caractérisé en ce que le matériau du disque (1) du rotor à disques synchrone est constitué par des alliages de titane, et en ce que les enroulements (3) des disques sont faits en fibres de carbone ou en filaments de bore. 3. Accumulateur d'énergie selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les disques (1) avec enroulement en matériau renforcé par des fibres (3) et avec aimants (2, 35) sont entourés par des aimants en fer doux (30) avec bobine d'excitation (31) en forme d'U ou de C lorsque le rotor synchrone est un rotor à un seul disque, et par des aimants en fer doux en forme d'E lorsque le rotor synchrone est un rotor à deux disques. 4. Accumulateur d'énergie selon une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que, lorsque le rotor synchrone à disques fonctionne en tant que moteur, il travaille comme rotor d'un moteur électrique synchrone, et, à l'aide de la synthèse de courant alternatif, il est produit dans les aimants d'excitation (39) par des transistors de puissance un champ magnétique tournant en synchronisme avec le rotor, tandis que, lorsque le dispositif fonctionne en tant que générateur, les aimants tournants (2, 35) engendrent une tension électrique dans les bobines (31) des aimants en fer doux (39). 5. Accumulateur d'énergie selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le disque (1) du rotor est un disque plein (45) à contour hyperbolique. 6. Accumulateur d'énergie selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que deux disques pleins (45) sont réunis de façon à former une paire de disques et sont reliés par les bagues de centrage de disques et de logement de boulons (48, 49) munies d'enroulements de matériau renforcé par fibres ou par filaments (50, 51). 7. Accumulateur d'énergie selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le corps de rotation du palier magnétique radial (100) est constitué par des lamelles de fer doux (61) qui sont disposées dans le sens radial autour d'une douille en matériau non-métallique (60) et sont reliées par des plaquettes (62) en feuille de fibres de verre ou de carbone pré-imprégnée à l'aide de résine époxy isolante. 8. Accumulateur d'énergie selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que, lorsque le dispositif comporte un palier magnétique combiné (101) axial et radial, une bande en feuillard de fer doux, avec une bande en fibres de carbone ou en filaments de bore et une colle de résine époxy est enroulée sur la douille en métal (66) en deux enroulements (67) identiques séparés par un entrefer ou par un enroulement en fibres ou filaments isolants (69), et est munie d'un enroulement final (68) formé par une bande de fibres de carbone ou de filaments de bore, et en ce que les deux enroulements (67) sont munis latéralement de phases symétriques pour obtenir la valeur et la direction voulues cie forces magnétiques. 9. Accumulateur d'énergie selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que, lorsque le palier magnétique est un palier de butée ou axial (102), un enroulement (72) formé par une bande de fibres de carbone ou de filaments de bore munie d'une colle à la résine époxy est posé sur la douille (71) et est muni d'un enroulement final (73) formé par une bande des mêmes matériaux, des disques (74) à contour extérieur hyperbolique en alliage de titane étant collés sur les surfaces latérales à l'aide de résine époxy.