Brevet FR2499326A1 — publié le 19820806

La présente invention se rapporte à la construction électromécanique et plus particulièrement, aux rotors de machine électrique à grande vitesse. L'invention peut s'appiiquer avantageusement à l'en traSnement électrique des centrifugeuses, aux pompes et ventilateurs à haute pression, aux machines-outils et à d'autres dispositifs rapides. L'un des objectifs assigné actuellement au perfectionnement des machines électriques à grande vitesse consiste à accroire leur vitesse de rotation, pour permettre de réduire l'encombrement et la masse tant des machines elles-mêmes que des mécanismes d'entratnement sans affecter la puissance desdites machines. L'accroissement de la vitesse des machines électriques est obtenue grâce à l'augmentation de la vitesse de rotation du rotor. Dans les machines électriques à grande vitesse, sont utilisés des rotors appartenant aux types suivants - rotors à noyau magnétique feuilleté, pourvu d'un enroulement - rotors à noyau magnétique plein à pales sail lants (sans enroulement) - rotors à noyau magnétique plein lisse (sans en roulement) - rotors à noyau magnétique continu lisse contenant des aimants permanents (sans enroulement). Le rotor à noyau magnétique feuilleté pourvu d'un enroulement a une faible résistance mécanique interdisant son emploi dans des machines électriques à grande vitesse, du fait que les fortes contraintes créées par la rotation du rotor sous l'effet des forces centrifuges provoquent rapidement la destruction du rotor. Le rotor à noyau magnétique plein à pales saillants subit de fortes fuites électromagnétiques et, surtout, des pertes aérodynamiques, qu'on doit réduire en créant le vide à l'intérieur de la machine électrique à grande vitesse pourvue d'un tel rotor, ce qui complique sensiblement la technologie de fabrication de cette machine. Le rotor à noyau magnétique plein lisse est le plus robuste de tous les types de rotors mentionnés. Cependant, un tel rotor souffre de pertes sensibles provoquant un fort échauffement qui réduit brusquement le rendement de la machine électrique à grande vitesse équipée de ce rotor et, par conséquent, diminue la puissance de cette machine. Le rotor à noyau magnétique plein lisse contenant des aimants permanents est légèrement moins robuste que le précédent. En contre-partie, ce rotor a d'importants avantages sur d'autres rotors du fait qutil ne présente pratiquement pas de fuites électromagnétiques et que le flux magnétique des aimants permanents exclut la nécessité de consommer de l'énergie pour exciter la machine électrique. En conséquence, les machines électriques à grande vitesse, dans lesquelles on a recours à un tel rotor, possèdent un haut rendement. Le haut rendement d'une machine électrique à grande vitesse permet d'avoir un gain dans les dimensions du rot or pour les machines de mêmes puissance et fréquence de rotation, c'est-à-dire que le rotor pourvu d'aimants permanents aura de plus faibles dimensions et de ce fait s'exposera à des charges mécaniques plus faibles. Donc, dans les machines électriques à grande vitesse, le plus avantageux est d'employer des rotors à noyau magnétique plein et lisse contenant des aimants permanents. On connaît un rotor de machine électrique à grande vitesse par la publication de V.A. Balagourov, F.F.Galteev et A. N. L.arionov "Machines électriques pourvues d'aimants perma nets, 1964, Moscou, Editions "Energhia11, page 52, comportant un arbre, un noyau magnétique plein et lisse emmanché sur l'arbre, des aimants permanents montés sur le noyau magnétique et une jante annulaire montée â la presse sur les aimants perma nents. La jante, les aimants permanents et le noyau magné- tique, disposés sur l'arbre concentriquement les uns par rapport aux autres constituent un ensemble sous contrainte en raison du serrage initial, d'une part entre le noyau magnétique et les aimants permanents, et d'autre part entre les aimants permanents et la jante. A la rotation du rotor, les contraintes créées dans les éléments du fait du serrage préliminaire s'ajoutent à celles dues à la force centrifuge. Ces contraintes complémentaires s'accroissent avec l'augmentation de la vitesse de rotation du rotor, la valeur maximale des contraintes étant atteinte dans la jante qui est l'élément le plus éloigné de l'axe du rotor.Les efforts de traction, qui croissent avec l'augmentation de la vitesse de rotation du rotor, affaiblissent le serrage préliminaire et, par conséquent, réduisent les contraintes dans la jante, contraintes qui sont fonction du serrage, c'est-à-dire qu'il s'opère une redistribution des contraintes, les contraintes dues à l'action des forces centrifuges s'accroissant, alors que celles créées à la suite du serrage diminuent. Le serrage résiduel, défini comme différence entre le serrage préliminaire et les efforts de traction à une vitesse stabilisée de rotation du rotor, doit permettre la transmission du couple de rotation à partir de l'arbre jusqu'aux aimants permanents. En conséquence, à une vitesse de rotation qui est maximale pour le rotor en question, les contraintes limites observées dans la jante sont la somme des contraintes créées sous l'effet des forces centrifuges et de celles dues au serrage résiduel minimal permettant de transmettre le couple de rotation de l'arbre aux aimants permanents. Ainsi, les contraintes, crées dans le rotor, y compris celles dues au serrage résiduel, limitent la vitesse de rotation du rotor. En outre, du fait tant de différentes erreurs de technologie se manifestent de manière particulière- rement évidente lors de la fabrication des éléments du rotor en matériaux hétérogènes, que des écarts accidentels de température, etc., dans le rotor, le serrage résiduel minimal est choisi en pratique avec une marge importante de valeur égale environ à deux fois la réserve de serrage, ce qui est nécessaire pour assurer la sécurité de fonctionnement du rotor. Un accroissement de la vitesse de rotation du rotor grace à la diminution des contraintes créées dans la jante, contraintes qui sont déterminées par un serrage résiduel minimal permettant de transmettre le couple de rotation de l'arbre aux aimants permanents, a été réalisé dans la machine électrique à grande vitesse décrite dans le brevet G-B 1285966, pu blié ep 1972, qui représente la solution la plus proche de celle du dispositif faisant l'objet de l'invention. Ce rotor de machine électrique à grande vitesse comporte un arbre, un noyau magnétique plein et lisse entourant l'arbre, des aimants permanents, fixés par un compound thermoplastique sur le noyau magnétique, et une jante emmanchée avec serrage sur les aimants permanents. La valeur du serrage pré- liminaire est légèrement plus faible, par rapport à celle du dispositif précité, grace à l'emploi dudit compound thermoplastique. A la rotation du rotor, le compound thermoplastique s'échauffe à la suite des pertes aérodynamiques et son volume croit. Cette expansion du compound thermoplastique compense partiellement différentes erreurs de technologie, des écarts de température accidentels etc., en permettant de diminuer la marge de la valeur de serrage résiduel minimal jusqu'à 1,2 à 1,5, ce qui, à son tour, permet de réduire les contraintes déterminées par le serrage résiduel et, par suite, d'augmenter quelque peu la vitesse de rotation du rotor. Or, dans cette construction, tout comme dans le système précédent, la vitesse de rotation du rotor est limitée par les contraintes, créées dans la jante, y compris celles dues au serrage résiduel. L'invention s'est poséele problème de créer un rotor d'une machine électrique à grande vitesse à aimants permanents tel qutil permette de relier la jante à l'arbre et de disposer les aimants permanents par rapport au noyau magnétique de fa çon à assurer la possibilité d'augmenter la vitesse de rotation du rotor en supprimant les contraintes dues au serrage résiduel. A cet effet, dans le rotor d'une machine électrique à grande vitesse comportant un arbre, un noyau magnétique:en- tourant l'arbre, une jante et des aimants permanents, intercalés entre la jante et le noyau magnétique, conformément à l'invention, la jante est reliée à l'arbre par des éléments de liaison, tandis que les aimants permanents sont fixés sur la surface interne de la jante de manière à délimiter un entrefer par rapport au noyau magnétique. Le fait de relier la jante a' l'arbre au moyen d'éléments de liaison et de fixer les aimants permanents sur la jante, de façon à former un entrefer par rapport au noyau magnétique, permet de transmettre le couple de rotation de l'arbre aux aimants permanents par l'intermédiaire de la jante, sans serrage, et de supprimer ainsi les contraintes dues au serrage. Les contraintes créées dans la jante pendant la rotation du rotor ne sont dues qutà l'effet des forces centrifuges. A leur tour, les contraintes réduites, qui se manifestent dans la jante, permettent d'augmenter la vitesse de rotation du rotor. I1 est avantageux que le noyau magnétique et les aimants permanents soient constitués par des segments distincts espacés suivant la longueur du rotor et que les éléments de liaison reliant la jante à l'arbre soient disposés entre lesdits segments. La réalisation du noyau magnétique et des aimants per manents sous la forme de segments séparés, et l'emplacement entre ces derniers des éléments de liaison reliant la jante à l'arbre permettent de disposer les parties constitutives symétriquement suivant la longueur du rotor en éliminant le risque tant de déséquilibre du rotor que de moments de flexion agissant sur l'arbre, qui provoqueraient des vibrations dans le rotor, ce qui accroît la fiabilité du rotor et simplifie la technologie de son montage. Il est avantageux de réaliser les éléments de liaison, reliant la jante à l'arbre, sous la forme de disques. Les éléments de liaison en forme de disques permettent une technologie de fabrication simplifiée. Il est intéressant de réaliser les éléments de liaison, reliant la jante à l'arbre, sous la forme de bras élastiques dans le plan radial, solidaires d'un moyeu-. A la suite de la réalisation des éléments de liaison sous la forme de bras élastiques dans le plan radial, il devient possible de diminuer sensiblement par rapport à la variante précédente, les efforts de traction transmis du moyeu à la jante ou de la jante au moyeu, en réduisant les contraintes créées dans la jante et en élevant, par conséquent, la vitesse de rotation du rotor. L'emploi du moyeu permet d'améliorer la précision de centrage de la jante par rapport à l'arbre en rendant le rotor plus fiable. Les avantages précités et d'autres encore, ainsi que les caractéristiques de l'invention ressortiront mieux de la description qui va suivre en référence aux dessins annexés dans lesquels - la Fig. 1 est une représentation en coupe longitudinale du rotor de la machine électrique à grande vitesse conforme à l'invention - la Fige 2 est une section suivant la ligne II-II de la Fig. i - la Fig. 3 est une vue du rotor de la machine élec trique à grande vitesse représentant en coupe longitudinale un mode de réalisation du noyau magnétique et des aimants permanents constitués par des segments séparés, les éléments de liaison formant un disque - la Fig. 4 est une section suivant la ligne IV-IV de la Fig. 3 - la Fig. 5 est une vue du rotor de la machine électrique à grande vitesse représentant en coupe longitudinale un autre mode de réalisation du noyau magnétique et des aimants permanents, constitués par des segments séparés, les éléments de liaison qui raccordent l'anneau de bandage à l'arbre étant réalisés sous forme de nervures élastiques sur le plan radial, pourvues d'un moyeu - la Fig. 6 est une section suivant la ligne VI-VI de la Fig. 5. Il est évident que les dessins annexés sont représentés de façon schématique et ne servant qu'a' illustrer la présente invention sans nullement limiter les données dimensionnelles des éléments constitutifs du rotor, les rapports de dimensions, etc. Le rotor de la machine électrique à grande vitesse comporte un arbre 1 (Fig.l, 2), un noyau magnétique plein et lisse 2 entourant l'arbre 1 et une jante 3, qui au voisinage de l'extrémité du rotor, est reliée à l'arbre 1 au moyen d'un élément de liaison se présentant sous la forme d'un disque 4. Ce disque 4 fait partie intégrante de la jante 3 et de l'arbre 1, ce qui s'avère particulièrement utile dans des rotors de faibles dimensions. D'autres modes de réalisation des éléments de liaison, reliant la jante à l'arbre, sont également possibles. Sur la surface interne 5 de la jante 3 sont fixés, par exemple au moyen de colle, des aimants permanents 6 réalisés sur la forme de plaques arquées. Les aimants permanents 6 sont montés de façon à avoir un entrefer 7 par rapport au noyau magnétique 2. La valeur de entrefer 7 est choisie de façon à pouvoir exclure toute interaction mécanique entre le noyau magnétique et les aimants permanents tant pendant leur déplacement relatif au cours du montage de rotor, qu'â la rotation de ce dernier. Selon l'un des modes de réalisation de l'invention, le noyau magnétique 2 (Fig. 3 et 4) et les aimants permanents 6, forment des segments séparés 8 espacés suivant la longueur du rotor. Les éléments de liaison raccordant la jante 3 à l'arbre 1, réalisés sous la forme de disques 4, sont disposés entre les segments 8 et sont reliés rigidement à l'arbre 1 et à la jante 3, par exemple par soudage. Le nombre de segments dépend de la longueur de la partie active du rotor : plus importante est la longueur de la partie active du rotor, et plus est grand le nombre de segments 8 et de disques 4 à monter. Sur les figures 5 et 6 est illustré un autre mode de réalisation du rotor, les éléments identiques étant désignés par les mêmes chiffres de référence que sur les figures 1 à 4. Selon ce mode de réalisation de l'invention, le rotor comprend un plus grand nombre de segments 8 tandis que les éléments de liaison, raccordant la jante 3 à l'arbre 1 se pré- sentent sous la forme de bras 9, élastiques dans le plan radial, solidaires d'un moyeu 10. Chaque bras 9, élastique dans le plan radial, est profilé en S ou en zigzag, la configuration d'un bras permettant son allongement en sens radial, dans les limites du domaine élastique, d'une valeur dépassant considérablement la différence entre le diamètre interne de la jante 3 à l'état de contrainte maximale et son diamètre à l'état non contraint. Donc, les bras élastiques 9 diminuent sensiblement tant la transmission des efforts de traction créés dans le moyeu 10 lors de son emmanchement sur l'arbre, à la jante 3 que la transmission au moyeu 10 des contraintes créées dans cette jante 3 lors de la rotation du rotor. Dans le rotor des figures 5 et 6, les bras 9 sont solidaires de la jante 3 et du moyeu 10. Les bras 9 peuvent se fixer rigidement sur le moyeu 10 et sur la jante 3, par exemple par soudage. D'autres modes de réalisation des bras élastiques sont également possibles. Par exemple, ces bras peuvent être formés par le métal séparant des fentes ou découpes réalisées dans un disque. La fixation, sur le moyeu, des éléments de liaison, raccordant la jante à l'arbre, permet d'élever la précision du centrage de la jante par rapport à l'arbre, ce qui rend le rotor plus robuste. Tout comme dans le rotor représenté sur la figure 3, le nombre de segments 8 dans le rotor envisagé est fonction de la longueur de sa partie active. Dans des rotors possédant une longue partie active, il est utile de former la jante par des segments distincts, ce qui permet de simplifier notablement la technologie de montage du rotor. Grâce à la réalisation segmentée du noyau magnétique 2 et des aimants permanents 6, ainsi qu'a' l'emploi de plusieurs éléments de liaison raccordant la jante 3 à l'arbre 1, on réussit à distribuer symétriquement les efforts créés dans les élé ments constructifs, suivant la longueur du rotor, en le rendant ainsi plus robuste. D'autre part, du fait de réaliser les éléments du rotor sous forme de segments, on parvient à accrot- tre la longueur de la partie active du rotor, ce qui serait technologiquement irréalisable dans le cas où les éléments du rotor seraient en une seule pièce. Le rotor décrit de la machine électrique à grande vitesse fonctionne de la façon suivante. Une machine d'entratnement (non représentée) produit un couple de rotation sur l'arbre 1 (Fig.l) du rotor, qui est transmis par l'intermédiaire du disque 4 à la jante 3 et aux aimants permanents 6, fixés sur celui-ci. Le noyau magnétique 2 et les aimants permanents 6 créent en tournant, un champ magnétique. Pendant la rotation du rot or, il se crée dans ses éléments constitutifs des contraintes dues à l'effet de la force centrifuge qui crolt à mesure que la distance à ltaxe du rotor croît elle-meme et tend à allonger les éléments du rotor. L'entrefer stabilisé 7, existant entre les aimants permanents 6 et le noyau magnétique 2, permet de supprimer toute influence mécanique du noyau magnétique 2, pendant son extension, sur les aimants permanents 6. Toutefois, le couplage de la jante 3 avec l'arbre 1 par l'intermédiaire du disque 4 situé à une extrémité du rotor ne permet pas 11 extension de la jante 3 dans la zone de raccordement, ce qui provoque une extension irréguliere de la jante 3 et des aimants permanents 6. Ceci peut occasionner un certain déséquilibre du rotor engendrant des vibrations, la valeur du déséquilibre et des vibrations croissant avec l'augmen- tation de la longueur du rotor. Les valeurs du déséquilibre et des vibrations, ainsi que l'irrégularité dans l'extension de la jante 3 (Fig.3) peuvent être diminuées par la réalisation du noyau magnétique 2 et des aimants permanents 6 sous la forme de segments séparés 8 entre lesquels sont intercalés les disques 4. Tant dans le rotor représenté sur la figure 1 que dans celui illustré sur la figure 3, il se produit entre la jante 3 et la zone de fixation du disque 4 sur l'arbre 1, par l'intermédiaire de ce disque, une transmission des efforts qui sont susceptibles d'affecter le raccordement de l'arbre 1 avec le disque 4, et par conséquent, d'occasionner une panne du rotor. En cas de raccordement de la jante 3 (Fig.5) avec l'arbre 1 par l'intermédiaire des bras 9, élastiques dans le plan radial, les efforts de traction transmis au moyeu 10 à partir de la jante 3 s'affaiblissent sensiblement. Ceci est dû aux efforts agissant dans le plan radial et appliqués aux bras 9, qui engendrent dans ceux -ci des efforts de flexion tendant à redresser lesdits bras. Le redressement des bras réclame des efforts sensiblement moins importants que ceux qui provoqueraient leur allongement. Les efforts qui provoquent le redressement des bras n1 exercent pas d'influence sensible sur les contraintes créées dans la jante 3 et le moyeu 10, puisque l'allongement des bras pendant leur redressement est inférieur à l'accroissement du diamètre de la jante 3 dû à l'effet de la force centrifuge. Donc, à la suite de la réalisation des éléments de liaison raccordant la jante 3 avec l'arbre 1, sous la forme de bras 9, élastiques dans le plan radial et munis d'un moyeu 10, on parvient à diminuer les contraintes transmises depuis le moyeu 10 à la jante 3 et à partir de cette dernière au moyeu 10, ce qui permet d'augmenter la vitesse de rotation du rotor. La réalisation proposée du rotor d'une machine électrique à grande vitesse, faisant l'objet de l'invention, permet de supprimer les contraintes dues au serrage en assurant la diminution des contraintes créées dans la jante et, par conséquent, l'augmentation de la vitesse de rotation du rotor. R E V E N D I ç A I O ij z 1 - Rotor d'une machine électrique à grande vitesse comportant un arbre, un noyau magnétique entourant l'arbre, une jante et des aimants permanents intercalés entre la jante et le noyau magnétique, caractérisé en ce que la jante est reliée à l'arbre par des éléments de liaison, et en ce que les aimants permanents sont fixés sur la surface interne de la jante de façon à délimiter un entrefer par rapport au noyau magnétique. 2 - Rotor suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le noyau magnétique et les aimants permanents sont constitués par des segment s séparés espacés suivant la longueur du rotor, et en ce que les éléments de liaison reliant la jante à l'arbre sont intercalés entre lesdits segments. 3 - Rotor suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les éléments de liaison reliant la jante à l'arbre sont réalisés sous la forme de disques. 4 - Rotor suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les éléments de liaison reliant la jante à l'arbre sont constitués par des bras espacés élastiques dans le plan radial, et solidaires d'un moyeu.