Brevet FR2582165A1 — publié le 19861121

La présente invention concerne une machine multipolaire à courant continu pour utilisation en immersion dans n'importe quel milieu liquide. Il est déjà connu des moteurs qui peuvent être utilisés dans des forages. Ces moteurs, en général, sont étanches et présentent un arbre d'entraînement qui nécessite la présence de joints d'étanchéité. Ces joints d'étanchéité ont pour inconvénient, d'une part d'absorber une partie de l'énergie fournie par le moteur et d'autre part de s'user. Une deuxième solution consiste à réaliser un ensemble moteur totalement étanche, comportant à son extrémité un coupleur magnétique. Cette solution est onéreuse et le coupleur magnétique présente l'inconvénient d'exercer des efforts mécaniques sur les pièces par l'attraction de l'aimant. De plus, lorsque l'on veut transmettre une certaine puissance par couplage magnétique, le coupleur atteint de telles dimensions que la friction du coupleur dans l'eau est très importante et bien souvent, on est limité par les dimensions du forage. Un premier but de l'invention est de réaliser un moteur palliant les inconvénients de l'art antérieur et pouvant fonctionner en milieu liquide. Ce premier but est atteint par le fait que la machine multipolaire à courant continu comprend un inducteur tournant, un induit cylindrique fixe dont le bobinage est partagé en un nombre pair de sections alimentées en au moins deux points diamétralement opposés par une source d'énergie électrique, le circuit électronique de commutation électrique étant commandé par des capteurs et assurant une circulation du courant dans les sections du bobinage suivant deux circuits parallèles et symétriques et une rotation des points d'alimentation des sections du bobinage en fonction de la rotation de l'inducteur, détectée par les capteurs lors du passage d'un élément d'excitation solidaire en rotation de l'inducteur devant les capteurs fixes; les parties fixes de la machine 82165 formant un ensemble totalement étanche aux fluides et au moins une fine pellicule de fluide séparant les parties fixes des parties tournantes. Selon une autre caractéristique de l'invention, l'extrémité de l'induit cylindrique comporte des moyens de connexion répartis sur une circonférence de l'induit et deux gorges concentriques de part et d'autre des moyens de connexion, ces gorges recevant deux joints toriques qui assurent l'étanchéité des moyens de connexion entre l'induit étanche et le circuit électronique étanche. Un deuxième but de l'invention consiste à réaliser un moteur immergeable, dans lequel on a cherché à diminuer au maximum les frottements entre les pièces mobiles et les pièces fixes. Ce but est atteint par le fait que dans la machine, les parties tournantes, inducteur, arbre d'entraînement, sont montées en rotation sur la partie fixe au moyen: de paliers disposés à proximité de chaque extrémité de l'induit, d'une butée principale à film de fluide et d'une butée auxiliaire disposée à l'extrémité de la machine, réalisant un contact ponctuel suivant l'axe de symétrie de la machine et comportant des moyens réglables permettant d'exercer une poussée axiale sur la partie mobile, cette poussée étant destinée à compenser, à l'arrêt, le poids de la partie mobile et éviter le contact entre les surfaces de la butée principale. Selon une autre caractéristique, la butée principale est composée de deux couronnes, l'une fixe, l'autre mobile et comportant des rainures curvilignes régulièrement réparties et orientées de façon à assurer la création d'un film de fluide. Selon une autre caractéristique, chaque palier comporte un coussinet et un tourillon légèrement bombé, monté dans le coussinet avec un jeu assurant la création d'un film de fluide. 82165 Un troisième but est de constituer un moteur pouvant fonctionner avec une alimentation photo-voltaîque et par conséquent ne nécessitant pas des courants importants lors des démarrages, puisqu'une telle alimentation est limitée en courant. Ce troisième but est atteint par le fait, qu'en plus des moyens permettant la diminution des frottements, l'induit est constitué d'un empilage de tôles à faible perte comportant des encoches, les différentes tôles étant décalées progressivement et régulièrement en rotation les unes par rapport aux autres suivant une hélice, de façon qu'une encoche de la tôle supérieure soit décalée d'une valeur angulaire correspondant à l'écart entre deux encoches par rapport à l'encoche correspondante de la tôle inférieure de l'empilage. Un quatrième but de l'invention est de réaliser un moteur permettant une intervention facile sur l'électronique de commande. Ce quatrième but est atteint par le fait que les câbles d'alimentation et de commande de la mise en route de la machine traversent l'induit vers l'ensemble électronique dans deux encoches différentes, l'une étant traversée par les deux conducteurs destinés à l'alimentation de puissance, l'autre étant traversée par les trois conducteurs nécessaires à l'alimentation de commande et de sécurité, l'électronique étant disposée à proximité de l'extrémité opposée à l'extrémité d'entraînement de l'arbre. Un cinquième but de l'invention est de réaliser un moteur à performance adaptable. Ce cinquième but est atteint par le fait que l'inducteur est constitué d'éléments modulaires, empilés sur l'arbre suivant la puissance souhaitée, puis gainés par un tube de chemisage et remplis de résine. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description ci-après, faite en référence aux dessins annexes dans lesquels: 82165 La figure 1 est une vue en coupe longitudinale de la machine. La figure 2 est une vue en coupe suivant l'axe EE de l'inducteur de la machine. La figure 3 est une vue latérale du flasque de connexion entre l'induit et le circuit électronique de la machine. La figure 4 est une vue latérale du flasque situé à proximité de l'extrémité d'-entraînement de l'arbre de la machine. La figure 5 est une vue en perspective des tôles constituant l'induit de la machine. La figure 6 est une vue schématique représentant le principe d'alimentation des bobinages de l'induit par le circuit de commutation électrique. La figure 7 est une vue en coupe des tourillons constituant les palier de la machine. La figure 8 est une vue de dessous de la bague tournante constituant une butée de la machine. La description de la machine va maintenant être faite en relation avec les figures 1 à 8. L'induit de la machine est constitué par un empilage de tôles (20), ces tôles comportent un certain nombre d'encoches (25), de préférence 12, dans lesquelles on fait passer le bobinage de l'induit. Comme on peut le voir à la figure 5, la première tôle (20.1) est décalée en rotation par rapport à la dernière tôle (20.N), de façon à ce qu'une encoche de la tôle (20.1) soit dans l'alignement de l'encoche adjacente de la tôle (20.N). De cette façon, les encoches sont réparties le long d'une hélice. Dans l'alésage cylindrique formé par l'empilage des tôles, on glisse un tube de chemisage intérieur (23) en matériau amagngtique, non conducteur, inattaquable par le fluide d'immersion et imputrescible. Ce matériau peut, à titre d'exemple, être du verre cd. De même, l'ensemble, empilage de tôles-bobinage, est chemise par un tube extérieur (22) en 82165 matériau inattaquable et imputrescible par le fluide d'immersion, tel que, par exemple du verre époxy. L'extrémité de l'induit orientée vers l'extrémité de l'arbre d'entraînement (16) comportant une surface d'entraînement (166) est fermée par un flasque (24) en résine. Ce flasque (24) est centré sur le tube extérieur (22) en verre époxy. A l'extrémité opposée de l'induit se trouve un flasque (6) en résine, centré, d'une part sur le tube externe (22), et d'autre part, par un épaulement (63) sur le tube interne (23) en verre époxy. Ce flasque (6) comporte un alésage (62) permettant d'accueillir le coussinet (80) d'un palier. L'alésage (62) communique par une gorge annulaire (61) et des perçages (60), disposes régulièrement répartis à la périphérie de l'épaulement supportant le coussinet (80). Des tiges (21), réparties régulièrement à la périphérie et passant dans les trous (210, figure 5) des tôles (20) permettent d'assurer, au moyen d'une rondelle (211) et d'un écrou (212), le serrage de l'ensemble constitué par l'induit, la chemise intérieure (23) la chemise extérieure (22); le flasque avant (24) et le flasque porte-paliers (6) jusqu'au moment o on injecte sous vide une résine (27) telle que par exemple du polyuréthane qui se polymérise et remplit tous les interstices. La face arrière du flasque porte-palier (6), orientée vers le circuit électronique de commutation (3) comporte sur sa périphérie un certain nombre de perçages (66 A à 66h) permettant le passage des fils de connexion aux différents points d'alimentation du bobinage (A à F). Ces perçages (66 A à 66 H) reçoivent une cosse de connexion femelle (32) immobilisée dans un matériau (33) présentant une certaine élasticité de façon à permettre un certain rattrapage de jeu dans les erreurs de positionnement des connexions femelles (32) par rapport aux connexion mâles (31) du boîtier électronique de commutation (3). Les perçages (66 A à 66 H), figure 3) sont disposés sur une 82165 circonférence et de part et d'autre de cette circonférence le flasque (6) comporte une gorge annulaire extérieure (65) et une gorge annulaire intérieure (64) qui permettent la réception des joints toriques respectifs (35, 34). Ces joints toriques assurent l'étanchéité au niveau des moyens de connexion entre l'induit rendu totalement étanche par l'injection de la résine (27) de l'induit et le circuit électronique (3) noyé dans un tube cylindrique de résine. Le circuit (3) est maintenu serré contre le flasque porte-palier (6) par des tiges filetées (30) se vissant dans les alésages (300, figure 3) du flasque porte-palier (6) et comportant à l'autre extrémité un écrou (301). Enfin, un flasque porte-butée (7), également réalisé en résine, vient se centrer par un épaulement sur un tube (70) de même matière que le tube extérieur (22), tube qui est fixé par son autre extrémité au flasque porte-palier (6). Ce tube (70) est maintenu solidaire des flasques (6) et (7) par des vis (73). Le flasque (7) comporte des perçages (74) assurant le passage du fluide (en l'occurence l'eau) à l'intérieur du moteur. Une grille (71) maintenue par des vis (72) devant les perçages (74) permet d'assurer une retenue des grosses particules qui sont en suspension dans l'eau du forage. Une plaque circulaire (92), disposée dans un trou borgne du flasque (7) est poussée sur une face par une vis (90) dont le réglage est bloqué par un contre-écrou (91). Sur l'autre face de la plaque, réalisée de façon avantageuse en carbure de tungstène (92) prend appui une bille (93) disposée dans un logement creux (167) de l'arbre d'entraînement (16), cette bille (93) est maintenue en poussée vers l'extérieur de ce logement par un ressort (94). Une rondelle élastique (41) et une goupille (42) assurent le maintien en rotation et en déplacement sur l'arbre (16) d'un élément d'excitation (4) qui permet d'exciter au cours de la rotation de l'arbre des capteurs non représentés, figurant dans le boîtier électronique (3). 82165 Dans le mode de réalisation représenté, l'élément d'excitation est un aimant tandis que les capteurs sont des capteurs à effet Hall. Il est bien évident que l'on pourrait utiliser tout autrej couple comme moyen de détection de la position en rotation de l'inducteur. Une bague cônique (82) disposée sur l'arbre (16) permet deé: faciliter l'introduction et le passage de cet arbre dans le coussinet (80) du palier arrière. Un tourillon (81) monté sur l'arbre (16) est maintenu par une rondelle élastique (168) pour empêcher les déplacements longitudinaux. Ce tourillon, emmanché en force sur l'arbre, présente, comme on peut le voir à la figure 7, une surface orientée vers le coussinet (80) qui est légèrement bombé. Le moteur comporte, au droit de l'induit fixe (2), un inducteur tournant (1) constitué par un ensemble modulaire d'aimants (1 A, 1 B). Chaque module est constitué par un noyau central (14) maintenu sur l'arbre (16) par une vis de fixation (15, figure 2). Ce noyau central (14) est entouré de part et d'autre par deux plaques aimantées (12, 13) réalisées de façon avantageuse en samarium-cobalt ou en ferrite. De chaque côté des plaques (12, 13), se trouvent des masses polaires respectivement (10, 11) constituées par des portions de cylindre. Ces masses polaires comportent sur une de leurs faces des nervures (100, 110) et sur la face opposée un épaulement (101, 111); les nervures d'un ensemble modulaire s'emboîtent dans les épaulements de l'ensemble modulaire précédent, de façon à constituer sur l'arbre (16) un ensemble rigide. Cet ensemble modulaire est serré contre une butée (162) par un écrou (161) vissé sur un filetage (160) de l'arbre d'entraînement (16). Le nombre de modules utilisés pour constituer l'inducteur dépendra de la puissance que l'on souhaite obtenir sur l'extrémité d'entraînement (166) de l'arbre (16). Ensuite, on enfile sur l'ensemble inducteur un tube (18) réalisé dans le même matériau que le tube de chemisage intérieur (23) et on injecte sous vide une résine (17), par exemple du polyuréthane, qui permet d'obtenir un ensemble inducteur 82165 totalement étanche et mettant les différentes parties métalliques de l'inducteur à l'abri du contact de l'eau. Le serrage par un écrou (161) et l'assemblage par rainure et épaulement des différents modules permet de conférer à l'ensemble inducteur-arbre une plus grande rigidité. Cette rigidité est nécessaire pour supporter sans déformation les flux importants qui se développent dans le moteur. Un léger intervalle (19) permet le passage du liquide qui provient des canaux (60, 61, 62) et des canaux (74). De façon classique, des flasques d'équilibrage (163) sont disposés de part et d'autre de l'inducteur. Un flasque avant porte-palier et porte-butée (5) supporte dans un épaulement (50) un coussinet (84) du palier avant et dans une gorge (56) une couronne circulaire (86). Ce flasque (5) est centré par un épaulement (57) sur le tube interne (23) de l'induit. Le flasque comporte, à la périphérie de l'épaulement (50), des perçages (51) débouchant par des canaux (52), d'une part, dans une gorge intérieure (54), d'autre part, dans une gorge extérieure (53) communiquant avec le liquide du forage. Le tourillon bombé (83) est monté en force contre un épaulement (164) de l'arbre (16). Une bague (87) support de butte est montée au moyen d'une rondelle élastique (89) sur l'arbre (16) et solidarisée en rotation avec ce dernier par une clavette (88). Cette bague (87) supporte la couronne annulaire constituant la contre-butée. Cette contre-butée (85) comporte, comme représenté à la figure 8, un ensemble de rainures circulaires (850) orientées convenablement par rapport au centre de rotation de l'arbre, de façon à constituer avec la surface plane de la couronne (86) une pompe assurant le passage du liquide du volume (54) vers l'extérieur (53) du moteur. Le flasque (5) est solidarisé au flasque (24) par un ensemble de vis (55). Un câble étanche (58) traverse le flasque (5) dans un perçage (59), puis passe dans la résine moulée (27) et se divise en deux conducteurs d'alimentation (58 G) et trois conducteurs de commande et de sécurité (58 H) pour passer dans des encoches différentes du 82165 bobinage, de façon à ressortir sur le flasque (6) par des moyens de connexion (66 G et 66 H) pour assurer l'alimentation et la commande de mise en route. Une isolation galvanique (non représentée) des circuits assure une annulation des perturbations dans le circuit de commande. Comme représenté figure 5, une encoche est traversée par les deux conducteurs d'alimentation de puissance (58 G) et l'autre encoche est traversée par les trois conducteurs (58 H) de commande et de sécurité, parmi lesquels celui représentant la masse est relié au conducteur représentant la masse de l'alimentation de puissance avant le passage dans les encoches du bobinage. La vis de réglage (91) de la butée ponctuelle (92, 93), située dans le prolongement de l'axe de symétrie de l'inducteur, permet de régler la force de poussée de cette butée sur l'ensemble mobile, de façon à ce que cette force compense le poids de l'ensemble mobile et assure un jeu de l'ordre du centième de millimètre entre les surfaces de la butée (85, 86) lorsque l'arbre est à l'arrêt. Par ailleurs, lorsque l'arbre est à l'arrêt, les surfaces bombées des paliers avant (83, 84) et arrière (80, 81) permettent d'assurer un contact pratiquement ponctuel entre le tourillon et le coussinet de ces paliers. D'autre part, le jeu de l'ordre du centième de millimètre entre le tourillon et le coussinet permet de s'assurer que, lors de la rotation de l'arbre, un film de fluide se forme entre le tourillon et le coussinet de chaque palier. Enfin, le bombage des tourillons permet de rattraper les défauts d'alignement entre les flasques porte-coussinet. La figure 6 représente l'induit (2), constitué par un enroulement statorique qui, dans l'exemple de réalisation, est divisé en six parties égales (2 A, 2 B,... 2 F) reliées, par l'intermédiaire de six interrupteurs (3 A à 3 F) à une source de tension VM. Chaque interrupteurs peut prendre trois états: - état 0: interrupteur non connecté - état +1: liaison à + VM - état -1: liaison à la masse. 82165 Le courant circule dans le moteur par l'intermédiaire de deux interrupteurs diamétralement opposés et simultanément dans des états +1 et -1 respectivement. Une rotation du rotor de 360 degrés dans un sens donné supposera donc six phases successives comprenant chacune une double commutation selon le schéma ci-après: Interrupteurs: 3A 3B 3C 3D E3 3F lère phase -1 0 0 +1 0 0 2ème phase: 0 -1 0 0 +1 0 3ème phase: 0 0 -1 0 0 +1 4ème phase: +1 0 0 -1 0 0 ème phase: Q +1 0 0 -1 0 6ème phase: 0 0 +1 0 0 -1 Le changement du sens de rotation sera obtenu par rotation de la came de 180 par rapport à l'inducteur et la logique de fonctionnement correspond au tableau suivant: Interrupteurs: 3A 3B 3C 3D E3 3F lère phase: 1 0 0 -1 0 0 2ème phase: 0 1 0 0 -1 0 3ème phase: 0 0 1 0 0 -1 4ème phase: -1 0 0 1 0 0 ème phase: 0 -1 0 0 1 0 6ème phase: 0 0 -l 0 0 1 La détection de la position de l'aimant (4), rotor, par rapport au stator, permet au circuit électronique (3) de donner les ordres de commutation au moment voulu. La vitesse de rotation est proportionnelle à la tension d'alimentation VM, le couple uniforme est proportionnel au courant, ce qui répond aux équations du moteur à courant continu à excitation constante. Dans le présent exemple de réalisation, la détection est effectuée à l'aide de six capteurs à effet Hall disposés régulièrement autour de l'axe de 82165 l'arbre (16), la came (4) est un secteur magnétique ayant un angle égal à 60 degrés. Les interrupteurs (3 A à 3 F) sont commandés en fonction de la position de la came (4) par rapport aux capteurs à effet Hall qui sont inclus dans le circuit électronique de commutation (3). Ce genre de circuit de commutation, pour alimenter les points de contacts de l'enroulement statorique d'un moteur, est bien connu de l'homme de métier et ne sera pas décrit plus en détails. Toutefois, pour de plus amples renseignements, on pourra se référer au brevet américain 3 364 407. Dans une variante de réalisation de l'invention on pourrait très bien concevoir un bobinage comportant seulement quatre points d'alimentation associés à quatre interrupteurs inverseurs et quatre capteurs à effet Hall. Les éléments des butées et des paliers sont constitués de façon avantageuse en carbure de tungstène, l'arbre (16) est constitué de façon avantageuse d'un acier inoxydable austénitique à haute résistance et amagnétique. On remarquera que le moteur ainsi constitué permet de réduire les pertes par frottement, d'une part parce que les pièces en contact avec le liquide sont les tubes de chemisage qui ont des surfaces lisses en contact avec le liquide et d'autre part parce que tout a été mis en oeuvre au niveau des paliers et des butées pour réduire ces frottements. Enfin, le fait de disposer les encoches des tôles de l'induit suivant une hélice permet de réduire l'effet de denture de cet induit et par suite de diminuer le courant de démarrage du moteur. Toutes modifications à la portée de l'homme de métier font également partie de l'esprit de l'invention. Ainsi dans le cas de l'utilisation du moteur avec un pompe volumétrique, la butée principale (85, 86) retenant la poussée axiale est inutile. REVENDICATIONS 1 - Machine multipolaire à courant continu comprenant un inducteur (1) tournant et constituant l'arbre d'entrainement, un induit (2, 20, 22, 23, 27) cylindrique fixe dont le bobinage est partage en un nombre pair de sections (AB, BC, CD, DE, EF, FA) alimentées en au moins deux points diamétralement opposés par une source d'énergie électrique, le circuit électronique (3) de commutation électrique étant commandé par des capteurs et assurant une circulation du courant dans les sections du bobinage suivant deux circuits parallèles et symétriques et une rotation des points d'alimentation (A, B, C, D, E, F) des sections du bobinage en fonction de la rotation de l'inducteur (1) détectée par les capteurs lors du passage devant les capteurs fixes d'un élément d'excitation (4) solidaire en rotation de l'inducteur, caractérisée en ce que les parties fixes de la machine (3, 6, 2, 20, 23, 22) forment un ensemble totalement étanche aux fluides et au moins une fine pellicule de fluide sépara les parties fixes des parties tournantes (4, 16, 1). 2 - Machine selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'extrémité de l'induit cylindrique comporte des moyens de connexion (32 A à 32 H) répartis sur une circonférence de l'induit et deux gorges concentriques (65, 64) de part et d'autre des moyens de connexion, ces gorges recevant deux joints toriques (34, 35) assurant l'étanchéité des moyens de connexion entre l'induit étanche et le circuit électronique étanche (3). 3 - Machine selon la revendication 2, caractérisée en ce qu'au moins l'un des éléments mâles ou femelles des moyens de connexion (32) est monté dans un matériau déformable (33) de façon à permettre un rattrapage de jeu ou d'erreur de positionnement. 82165 4 - Machine selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que les parties tournantes, inducteur (1), arbre d'entralnement (16) sont montées en rotation sur la partie fixe au moyen de paliers (80, 81, 83, 84) disposés à proximité de chaque extrémité de l'induit, d'une butée principale (85, 86) à film de fluide et d'une butée auxiliaire (90, 91, 92, 93, 94) disposée à une extrémité de la machine, réalisant un contact ponctuel suivant l'axe de symétrie de la machine et comportant des moyens réglables (91, 90) permettant d'exercer une poussée axiale sur la partie mobile, destinée à compenser, à l'arrêt, le poids de la partie mobile et éviter le contact entre les surfaces de la butée principale (85, 86). - Machine selon la revendication 4, caractérisée en ce que la butée principale (85, 86) est composée de deux couronnes, l'une fixe, l'autre mobile et comportant des rainures curvilignes (850) régulièrement réparties et orientées de façon à assurer la création du film de fluide. 6 - Machine selon la revendication 4 ou 5, caractérisée en ce que chaque palier (80, 81, 83, 84) comporte un coussinet (80, 84 et un tourillon (81, 83 légèrement bombé et monté dans le coussinet avec un jeu assurant la création d'un film de fluide. 7 - Machine selon une des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'induit est constitué d'un empilage de tôles (20) à faible perte, comportant des encoches (25), les différentes tôles (20.1, 20.N) étant décalées progressivement et régulièrement en rotation les unes par rapport aux autres suivant une hélice de façon qu'une encoche de la tôle supérieure (20.1) soit décalée d'une valeur angulaire correspondant à l'écart entre deux encoches par rapport à l'encoche correspondante de la tôle inférieure (20.N) de l'empilage. 82165 8 - Machine selon la revendication 7, caractérisée en ce que les câbles (58) d'alimentation (58 G) et de commande de la mise en route (58 H) de la machine traversent l'induit vers le circuit électronique (3) dans deux encoches différentes, l'une étant traversée par les deux conducteurs (58 G) destinés à l'alimentation de puissance, l'autre étant traversée par les trois conducteurs (58 H nécessaires à l'alimentation de commande et de sécurité, le circuit électronique (3) étant disposé à proximité de l'extrémité opposée à l'extrémité (166) d'entraînement de l'arbre (16). 9 - Machine selon la revendication 7 ou 8, caractérisée en ce que l'induit est gainé intérieurement et extérieurement avec des tubes de chemisage (23, 22) et remplis sous vide avec une résine (27). - Machine selon une des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'inducteur est constitué d'éléments modulaires (1 A, 1 B) empilés sur l'arbre (16) suivant la puissance souhaitée, puis gainé par un tube (18) rempli de résine (17). 11 - Machine selon la revendication 10, caractérisée en ce que chaque élément modulaire comprend un noyau (140 en acier doux, deux plaques (12, 13) d'aimant permanent et deux masses plaires (10, 11) en acier doux comportant à leur périphérie, sur une face une nervure (110) et sur la face opposée un épaulement (111) permettant la réception d'une nervure (110) d'une autre masse polaire (10 ou 11). 12 - Machine selon la revendication 6, caractérisée en ce que les paliers et butées sont réalisés en carbure de tungstène.