Brevet FR2565044A1 — publié le 19851129

1i 2565044 PERFECTIONNEMENT AUX MACHINES TOURNANTES A AIMANTS AU ROTOR La présente invention a trait à un perfectionne- ment aux machines tournantes à aimants au rotor et particu- lièrement aux machines à haute performance telles que des génératrices à très grande vitesse de rotation. L'évolution de la technologie des génératrices de courant à haute performance conduit à réaliser des généra- trices à aimants au rotor dans lesquelles les rotors sont amenés à tourner à de très grandes vitesses en étant par exemple directement en prise avec une turbine. Pour des raisons d'encombrement et de performance les solutions consistant à assurer une fixation mécanique des aimants se trouvent dépassées et on tend donc à utiliser des génératrices à aimants collés ou mieux à aimants brasés sur le rotor comme décrit par exemple dans la demande de brevet 83.11 325 déposée le 7 juillet 1983 au nom de la déposante. Néanmoins, lorsque l'on dépasse des vitesses de rotation conduisant à des vitesses tangentielles de plus de 100 mètres par seconde, par exemple 200 mètres par seconde, la sécurité de la fixation des aimants n'est plus assurée de sorte que de telles vitesses ne peuvent pas être atteintes dans la pratique. 2 2565044 Ceci est également le cas des machines à aimants fixes de façon classique sur le rotor et maintenus par un manchon faisant office de frette, manchon dont on cherche à éviter justement la présence en raison de l'importante augmentation de l'entrefer qu'il provoque et dont le compor- tement aux hautes vitesses de rotation ne contribue pas à la solidité et à la tenue du rotor. La présente invention se propose de remédier à ces inconvénients et d'apporter un perfectionnement aux machines tournantes à aimants au rotor telles que par exemple des génératrices destinées à tourner à de très grandes vitesses de rotation et permettant de maintenir la cohésion du rotor même à ces très grandes vitesses. Un autre objectif de l'invention est de fournir un tel perfectionnement qui soit de mise en oeuvre simple et efficace. Un autre objectif de l'invention est de fournir un tel perfectionnement qui apporte un degré très élevé de fiabilité. Un autre objectif encore de l'invention est de fournir un tel perfectionnement qui soit de mise en oeuvre simple et économique. L'invention a pour objet un perfectionnement aux machines tournantes à aimants au rotor destinées à tourner à des vitesses très élevées, telles que des vitesses tangen- tielles de 100 m/s et plus, par exemple 200 m/s, dont les aimants sont fixés au rotor, de préférence par brasage, ou éventuellement par d'autres moyens tels que le collage, caractérisé en ce que les aimants périphériques du rotor sont entourés d'une frette cylindrique de faible épaisseur, formant une chemise et exerçant un effort de précontrainte sur les aimants sous-jacents, ladite frette étant réalisée en un matériau métallique écroui de haute limite élastique et de faible épaisseur. Le matériau métallique est de préférence un matériau présentant une résistance élastique supérieure à 3 2565044 daN/mm2 et de préférence ayant une résistance égale à au moins 70 à 100 naN/mm2. De préférence l'épaisseur de la frette n'est pas supérieure à 7 mm et elle peut être avantageusement de l'ordre de 3 mm. L'épaisseur du matériau lors de l'écrouissage est de préférence inférieure ou égale à 1 mm. Un matériau particulièrement approprié peut être un matériau métallique dénommé Phynox vendu par la société française Metal Imphy et constitué d'un alliage ayant de l'ordre de 40 % Co, 20 % Cr, 16 % Ni, 7 % Mo et contenant également du fer, vendu par la société Imphy SA Paris. Dans une première forme de réalisation de l'inven- tion, la frette est constituée d'un empilage de rondelles de faible épaisseur et ayant une largeur radiale qui n'est, de préférence, pas supérieure à 1 mm, ces rondelles étant empilées les unes sur les autres autour du rotor pour former un cylindre creux assemblé par emmanchement thermique autour du rotor pour exercer sur le rotor une précontrainte suffi- samment importante pour empêcher, lors de la vitesse maxi- male de rotation du rotor, la possibilité géométrique d'un décollement des aimants d'avec la surface du rotor qui les porte. Dans une autre forme de réalisation de l'inven- tion, la frette est constituée d'un enroulement d'une ou plusieurs bandes de faible épaisseur du matériau métallique de haute résistance, l'enroulement étant effectué dans des conditions qui provoquent l'effort de précontrainte recher- ché, suffisamment important pour empêcher, lors de la vitesse maximale du rotor la possibilité géométrique d'un décollement des aimants. L'invention a également pour objet des procédés de fabrication des rotors perfectionnés selon l'invention. Ainsi, pour réaliser le rotor selon la première forme de réalisation de l'invention,on écrouit une bande de -4 2565044 métal de haute résistance puis l'on découpe dans la bande les rondelles ayant les diamètres intérieur et extérieur -désirés. Ces rondelles sont éventuellement empilées à l'avance pour former un cylindre creux pouvant subir une rectification intérieure mais cette étape peut être omise si l'étape de fabrication de rondelles à partir de la bande est suffisamment précise. L'empilage est ensuite chauffé par exemple à 500 C! puis mis en place sur le rotor préalablement refroidi, par exemple par plongée dans l'azote liquide. Le cas échéant, on peut ensuite assurer une rectification de la surface périphérique de la chemise ainsi réalisée par l'empilage de rondelles autour du rotor. Pour réaliser une frette selon la deuxième forme de réalisation de l'invention, on peut, après avoir écroui une bande de métal à haute résistance comme précédemment, bande ayant de préférence la largeur prévue pour la frette, fixer une extrémité de la bande, par exemple par collage, sur le rotor, l'enrouler sur une certaine distance, par exemple un tour et demi, sans traction pour recouvrir la génératrice de démarrage sur laquelle la bande est collée, après quoi on continue à effectuer l'enroulement de la bande sous traction de facon à assurer l'effort de frettage, en retenant la bande, par exemple à travers des mâchoires d'un frein et faisant tourner le rotor en cours de frettage, ceci de façon à obtenir le nombre de tours ou spires désiré en maintenant la précontrainte, après quoi on fixe la partie de bande devant former l'extrémité externe de la bande enroulée par un moyen quelconque tel que brasure, soudure, collage, agrafage etc. D'autres avantages et caractéristiques de l'inven- tion apparaîtront à la lecture de la description suivante, faite à titre d'exemples non limitatifs et se référant au dessin annexé dans lequel: la figure 1 représente une vue schématique d'une 2565044 partie d'une bande de métal dans laquelle une rondelle doit être découpée, la figure 2 représente une vue en perspective de cette rondelle, la figure 3 représente une vue de l'assemblage de rondelles avant introduction par emmanchement thermique du rotor, la figure 4 représente une vue en élévation du rotor avec coupe au niveau de la frette de rondelles, la figure 5 représente une vue schématique en perspective d'un rotor au début de l'enroulement d'une bande, la figure 6 représente une vue de ce rotor après un enroulement d'un tour et demi, la figure 7 représente une vue de ce rotor pendant l'enroulement de la bande sous précontrainte, la figure 8 représente une vue de l'étape finale d'enroulement de la bande, et la figure 9 représente une vue schématique en perspective d'un rotor avec la bande formant frette enroulée autour du rotor. On se réfère tout d'abord aux figures 1 à 4. On désire réaliser un rotor de génératrice/ayant un diamètre de 50 mm. Ce rotor présente des portées anté- rieure 2 et postérieure (non vue), la partie de rotor proprement dit présentant une pluralité d'aimants tangen- tiels, par exemple six aimants 31 formés de barres allongées à surface extérieure cylindrique, ces aimants 3 étant collés ou de préférence brasés par leur face non apparente sur des surfaces correspondantes du rotor lui-même. Les aimants 3 sont avantageusement des aimants en terre rare notamment en Sm Co51brasés sur le noyau en fer doux du rotor selon le procédé décrit dans la demande de brevet français précitéede la déposante. On réalise, à partir d'une bande représentée sur la figure 1 et faite d ' un matériau tel que le matériau 6 2565044 vendu sous la démonination Phynox vendu par la société précitée Metal Imphy présentant, après écrouissage à froid, une résistance élastique de 240 daN/cm2, une pluralité de rondelles obtenues par découpage ou estampage. L'épaisseur de la bande est par exemple de cinq dixièmesde millimètre. On a représenté sur la figure 2 une telle rondelle présentant donc une épaisseur axiale de cinq dixièmesde millimètre, un diamètre interne de 50 mm et un diamètre externe de 58 mm. On réalise alors un empilage cylindrique 5 formé par une pluralité de ces rondelle individuelles 4 et mainte- nu grâce à des moyens de fixation ou de serrage quelconques 6. Cet empilage est réalisé avec beaucoup d'exactitude et subit, si besoin, une passe de rectification intérieure de façon à former un passage cylindrique interne de diamètre voulu, par exemple 50 mm. Dans le cas o la précision de la fabrication par découpe des rondelles est suffisante, cette passe d'usinage peut être omise. On plonge alors le rotor 1 dans l'azote liquide tandis que l'on chauffe l'empilage à 5000 puis on introduit le rotor par coulissement dans l'empilage de rondelles et on laisse les températures s'téquilibrer. A la fin de cet emmanchement thermique, on obtient une précontrainte des rondelles sur le rotor de l'ordre de 800 N/mm2. Cette précon- trainte est suffisante pour empêcher une séparation radiale géométrique des aimants 3 d'avec la partie sous-jacente du rotor 1 à une vitesse de rotation de 90 000 tr/min. S'il y-a lieu, la surface extérieure de l'empilage des rondelles peut également être rectifiée, soit avant, soit après montage sur le rotor à aimants. On se réfère maintenant aux figures 5 à 9 dans lesquelles on a représenté de façon schématique le rotor à aimants par un simple cylindre 7. On part cette fois-ci d'une bande du même matériau Phynox écroui ayant une épais- seur de 0,1 mm. On commence par fixer l'extrémité 8 de cette 7 2565044 bande 9 le long d'une génératrice du rotor 7, par exemple par un ruban adhésif de très faible épaisseur. On effectue ensuite un enroulement sans traction d'un tour et demi,come-e représenté sur la figure 6,de façon à recouvrir la g9néra- trice ayant reçu l'extrémité de la bande 9. On poursuit ensuite, comme on le voit sur la figure 7 l'enroulement en exerçant cette fois-ci une trac- tion sur la bande, grâce par exemple à un frein 10 qui tend à s'opposer à l'enroulement de la bande sur le rotor 7 lui-même monté sur un mandrin tournant convenable. L'effort de traction est adapté à l'épaisseur et la largeur de la bande et à la précontrainte désirée et ceci peut être obtenu en réglant simplement le frein 10. Après avoir réalisé trente tours entiers, correspondant à une épaisseur d'enroulement de 3 mm, on arrête l'enroulement et on fixe la dernière spire de la bande sur la ou les spires sous-jacentes, par exemple par des points de soudure 1! formant un arrêt. Au lieu de soudure, on peut utiliser tout autre moyen convenable tel que brasure, collage, agrafage etc., à condition de conférer à la liaison ainsi obtenue une résis- tance importante. On découpe ensuite la bande entre la ligne formée par les points d'arrêts 11 et la mâchoire et on solidarise par de nouveaux points d'arrêt le bord extrême de la bande avec la spire sous-jacente, comme on le voit sur la figure 9. On a ainsi réalisé une frette formée d'un enrou- lement d'une épaisseur moyenne de l'ordre de 3 mm exerçant une précontrainte de 1500 N/mm2. Les essais qui ont été effectués montrent que les rotors à aimants ainsi réalisés présentent la résistance requise à la rotation aux grandes vitesses et ceci dans des environnements difficiles, montant à des températures pouvant dépasser 2000C. Bien que l'invention ait été décrite à propos de formesde réalisation particulières,il est bien entendu 8 2565044 qu'elle n'y est nullement limitée et qu'on peut lui apporter différentesmodificationsde formes et de matériaux sans pour cela s'éloigner ni de son cadre, ni de son esprit. R E V E N D I C A T I 0 N S REVENDICATIONS 1) Perfectionnement aux machines tournantes à ai- mants au rotor destinées à tourner à des vitesses très éle- vées, notamment aux machines dont les aimants sont fixes au rotor par brasage ou collage, caractérisé en ce que les aimants périphériques (3) du rotor (1,7) sont entourés d'une frette cylindrique de faible épaisseur, formant une chemise et exerçant un effort de précontrainte sur les aimants sous- jacents, ladite frette étant réalisée en un matériau métal- lique écroui de haute limite élastique et de faible épais- seur. 2) Perfectionnement selon la revendication 1, ca- ractérisé en ce que le matériau présente une résistance élastique supérieure à 30 à 40 daN/mm, et notamment supé- rieur à 70 à 100 daN/mm. 3) Perfectionnement selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'épaisseur de la frette n'est pas supérieure à 7 mm. 4) Perfectionnement selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'épaisseur du matériau lors de l'écrouissage est inférieure ou égale à 1,5 mm. ) Perfectionnement selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le matériau mé- tallique est un matériau dénommé Phynox et constitué d'un alliage ayant de l'ordre de 40 % Co, 20 % Cr, 16 % Si, 7 % Mo et contenant également du fer. 6) Perfectionnement selon l'une quelconque des revendications 1 à 5. caractérisé en ce que la frette est constituée d'un empilage de rondelles (4) de faible épais- seur, lesdites rondelles étant empilées les unes sur les autres autour du rotor (1) pour former un cyclindre creux assemblé par emmanchement thermique autour du rotor et exerçant sur le rotor, et notamment les aimants, une pré- 2565044 contrainte suffisamment importante pour empêcher, lors de la vitesse maximale de rotation du rotor, la possibilité géomé- trique d'un décollement des aimants d'avec la surface du rotor qui les porte. 7) Perfectionnement selon l'une quelconque des revendications 1 à 5/ caractérisé en ce que la frette est constituée d'un enroulement d'une ou plusieurs bandes de faible épaisseur, l'enroulement étant effectué dans des con- Àditions qui provoquent l'effort de précontrainte recherché, suffisamment important pour empêcher, lors de la vitesse maximale du rotor, la possibilité géométrique d'un décolle- ment des aimants d'avec la surface du rotor qui les porte. 8) Procédé de fabrication d'un rotor perfectionné selon la revendication 6 caractérisé en ce que l'on écrouit une bande de métal de haute résistance puis on découpe dans la bande des rondelles ayant les diamètres intérieur et ex- térieur désirés, 'puis que l'on monte ces rondelles sur le rotor. 9) Procédé selon la revendication 8,caractérisé en ce que les rondelles sont empilées à l'avance pour former un cylindre creux. ) Procédé selon la revendication 9; caractérisé en ce que le cylindre creux formé par l'empilage des ron- delles subit une rectification intérieure. 11) Procédé de fabrication d'un rotor perfectionné selon la revendication 7 caractérisé en ce que l'on écrouit une bande de métal, qu'on fixe une extrémité de la bande sur le rotor, qu'on enroule la bande sur une certaine distance sans tracticn pour recouvrir la génératrice de démarrage sur laquelle la bande est initialement fixée, après quoi on con- tinue à effectuer l'enroulement de la bande sous traction de façon à assurer l'effort de freinage, en retenant la bande, pour obtenir un nombre de tours ou spires désiré en main- tenant la précontrainte, après quoi on fixe la partie de bande devant former l'extrémité externe de la bande enrou- lée. 11 2565044 12) Procède selon la revendication 11, caractérisé en ce que l'on fixe la partie de bande devant former l'ex- trémité externe par un moyen tel que brasure, soudure, col- lage, agrafage.