Brevet FR2728739A1 — publié le 19960628

GENERATRICE HAUTE VITESSE A CHAMP MAGNETIQUE AXIAL L'invention concerne une génératrice à champ magnétique axial fonctionnant à très hautes vitesses, destinée à être couplée à une turbine à gaz. Une telle génératrice entraînée par une turbine est utilisée tout particulièrement pour générer la puissance électrique d'un véhicule hybride. Actuellement, les véhicules hybrides connaissent d'importants développements pour répondre aux exigences de protection de l'environnement, essentiellement en matière de pollution (ZEV : Zero Emission Vehicle), tout en présentant une bonne autonomie. A cet effet, il faut réduire la consommation d'énergie du véhicule, notamment en réduisant la masse embarquée qui est particulièrement importante et très nettement supérieure à celle d'un véhicule à traction électrique, en raison essentiellement du groupe électrogène destiné à recharger les batteries de traction et à alimenter le moteur électrique. Une solution pour réduire la masse d'une génératrice électrique, tout en gardant la même puissance délivrée, consiste à augmenter sa vitesse de fonctionnement, cela s'appelle augmenter sa puissance massique.L'inconvénient de cette solution réside dans le fait que l'augmentation de la vitesse de rotation de la génératrice entraîne une augmentation de la force centrifuge qui peut avoir pour effet de disloquer les parties constituant le rotor. Pour contrer la force centrifuge, la demande de brevet européen EP 0353042 décrit une génératrice à haute vitesse, destinée à être couplée à une turbine pour être embarquée sur un véhicule hybride, fonctionnant avec un champ axial créé par un rotor à aimants permanents ceinturés par une bague. Cette génératrice présente un inconvénient important dû au champ invariable créé par les aimants permanents, de sorte qu'à vitesse constante il est nécessaire d'utiliser un convertisseur en sortie de la génératrice pour faire varier la tension délivrée par celle-ci, ce qui a pour conséquence d'augmenter le le poids et le coût du système électrogène. Le but de l'invention est de résoudre ces problèmes en proposant une génératrice à champ magnétique axial qui soit homopolaire, dont le stator porte les bobinages inducteur et induit et dont le rotor est constitué d'au moins un disque composé de secteurs en matériau ferromagnétique formant des pôles qui alternent avec des secteurs en matériau non ferromagnétique, ledit rotor étant ceinturé par une bague pour contrer la force centrifuge. L'avantage d'une telle génératrice selon l'invention est qu'elle peut tourner à de très hautes vitesses et que sa puissance de sortie peut varier par variation du courant circulant dans le bobinage inducteur. Plus précisément, l'objet de l'invention est une génératrice haute vitesse à champ magnétique axial, dont le stator porte l'inducteur et l'induit et dont le rotor est monté sur un arbre de rotation d'axe parallèle à la direction du champ magnétique, caractérisée en ce que - le rotor est constitué d'au moins un disque, d'axe de rotation confondu avec l'axe de l'arbre de rotation, composé d'une alternance de secteurs circulaires en matériau ferromagnétique et de secteurs circulaires en matériau non ferromagnétique de volumes identiques, ceinturés par une bague en matériau non ferromagnétique de grande résistance mécanique, et - le stator est constitué par l'assemblage de deux cylindres coaxiaux formant un circuit magnétique fermé, le cylindre intérieur ayant un diamètre extérieur égal au diamètre du rotor, et étant réalisé en au moins deux parties séparées pour former au moins un entrefer radial dans lequel tourne le rotor, la partie de ce cylindre portant le bobinage inducteur et faisant face à un côté du rotor ayant une section circulaire, tandis que la partie portant le bobinage induit et faisant face au côté opposé du rotor ayant une section composée d'une succession de secteurs circulaires de mêmes dimensions que les secteurs du rotor et en nombre égal. Selon un autre mode de réalisation de l'invention, la génératrice est caractérisée en ce que le rotor est constitué par deux disques de mêmes dimensions, parallèles, solidaires en rotation et d'axes de rotation confondus avec l'axe de l'arbre de rotation, composés d'une alternance de secteurs en matériau ferromagnétique et de secteurs en matériau non ferromagnétique de volumes identiques et décalés angulairement l'un par rapport à l'autre de façon à ce que leurs secteurs ferromagnétiques ne soient pas en regard, en ce que le bobinage inducteur est placé entre les deux disques rotoriques et en ce que deux bobinages induits sont placés chacun parallèlement a la face d'un des rotors opposée au bobinage inducteur. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante de deux modes de réalisation non limitatifs, cette description étant faite en relation avec les dessins joints dans lesquels - les figures 1a et 1b sont des schémas d'une génératrice selon l'invention, du type simple alternance, respectivement en coupe longitudinale et en coupe transversale; - la figure 2 est une vue en coupe transversale du rotor d'une génératrice selon l'invention; - la figure 3 est une vue en coupe transversale de l'induit d'une génératrice selon l'invention; - la figure 4 est une vue en coupe transversale de l'inducteur d'une génératrice selon l'invention; - la figure 5 est une vue en coupe longitudinale d'une génératrice selon l'invention, du type double alternance;; - la figure 6 est une vue en perspective simplifiée d'une génératrice selon l'invention, du type double alternance. Les éléments portant les mêmes références sur les différents dessins remplissent les mêmes fonctions en vue des mêmes résultats. Les vues schématisées d'une génératrice simple alternance selon l'invention, qui sont représentées sur les figures la et lb, ne contiennent que les parties fondamentales pour mettre en évidence son principe de fonctionnement. Le stator 1 de la génératrice est constitué par un circuit magnétique en matériau à faible réluctance, du fer doux feuilleté ou de l'acier au silicium par exemple. Il est constitué par l'assemblage de deux cylindres coaxiaux 2 et 3 formant un circuit magnétique fermé, le cylindre intérieur 2 étant réalisé en deux parties séparées pour former un entrefer 4 dans lequel tourne un rotor 5, et ayant un diamètre extérieur égal au diamètre du rotor. Le rotor est monté sur un arbre de rotation 6 auquel il est solidaire, d'axe 6, relié à une turbine ou à un moteur thermique par exemple dans un véhicule hybride, et traversant le cylindre intérieur 2 qui reste statique.De part et d'autre de l'entrefer 4, ce cylindre intérieur 2 porte l'inducteur 7 et l'induit 8. Le rotor 5 est constitué par un disque, d'axe de rotation parallèle à la direction du champ magnétique B, et confondu avec l'axe de rotation 6 de l'arbre 6 auquel il est solidaire. Il est composé d'une alternance de secteurs circulaires 51 en matériau ferromagnétique, tel que du fer doux feuilleté ou de l'acier au silicium, et de secteurs circulaires 52 en matériau non ferromagnétique, tel que de l'aluminium, de volumes identiques, ceinturés par une bague 9 en matériau non ferromagnétique de grande résistance mécanique, par exemple à base de fibres de carbone ou bien à base de titane ou d'acier haute résistance ou encore en matériau composite à forte résistance de type Kevlar. Le rôle de cette bague 9 est de protéger le rotor contre l'éclatement de ses parties constituantes pouvant survenir sous l'effet de la force centrifuge, lors du fonctionnement de la génératrice à grande vitesse, et d'améliorer l'aérodynamique du rotor. Ces secteurs circulaires 51 en matériau ferromagnétique sont des parties du disque rotorique 5 délimitées chacune par deux rayons issus de l'axe 6 de rotation ou de préférence par une fraction de deux rayons comme cela apparaît sur la figure lb. Pour améliorer la forme de la tension créée par la génératrice, le contour de ces secteurs peut être ajusté pour être rendu oblong ou arrondi. De part et d'autre de l'entrefer 4 dans lequel tourne le rotor, la section du cylindre intérieur 2 est identique mais de forme différente en fonction du bobinage qu'elle supporte. Ainsi, comme le montrent les figures 2, 3 et 4 qui sont des vues en coupe transversale respectivement du rotor 5, de l'induit 8 et de l'inducteur 7 d'une génératrice selon l'invention, la partie portant le bobinage inducteur 7 de la génératrice et faisant face à un premier côté du rotor 5 a une section circulaire, tandis que la partie portant le bobinage induit 8, et faisant face au second côté du rotor opposé au premier, a une section composée d'une succession de secteurs 80 de mêmes dimensions que les secteurs 51 et 52 du rotor et en nombre égal. Comme cela apparaît sur la figure 4, l'inducteur 7 est constitué par une bobine 70 s'enroulant autour de l'extrémité du cylindre intérieur 2 proche d'un des côtés du rotor 5 et qui est traversé en son centre par l'arbre rotorique 6. L'induit 8, reproduit sur la figure 3, est constitué de bobines dont les spires 81 s'enroulent autour de chaque secteur 80 de l'extrémité du cylindre intérieur 2 proche du côté du rotor 5 et opposé à l'inducteur. Ainsi, la section des spires est identique à la section des secteurs 51 et 52 du rotor auxquels elles font face. Comme cela a été précisé auparavant, les secteurs du cylindre intérieur 2 portant ces spires sont en matériau ferromagnétique feuilleté. Dans un exemple particulier de réalisation, représenté par la figure 2, le rotor 5 comporte un manchon central 10, porté par l'arbre de rotation 6, en matériau non ferromagnétique tel que l'aluminium, autour duquel sont disposés les secteurs rotoriques 51 et 52 ceinturés par la bague 9. De même, les deux parties du cylindre intérieur 2 porteuses des bobinages inducteur et induit sont séparées de l'arbre de rotation 6 chacune respectivement par un manchon 67 et 68 en matériau non ferromagnétique. Cette réalisation résultant de l'assemblage de plusieurs éléments, plutôt que d'un seul bloc, diminue les risques de fissure et d'éclatement aux hautes vitesses de fonctionnement de la génératrice. Le fonctionnement de la génératrice selon l'invention est le suivant : lorsqu'un courant continu parcourt le bobinage inducteur 7, il induit un champ magnétique axial B, c'est-à-dire parallèle à l'axe de rotation 6 du rotor 5, qui traverse l'entrefer 4 où le rotor est entraîné en rotation et se referme dans le cylindre extérieur 3 du stator. Le rotor 5 étant constitué de secteurs en matériaux alternativement ferromagnétique et non ferromagnétique, la réluctance au niveau de l'entrefer 4 varie et des pôles magnétiques apparaissent au niveau des secteurs 51 en fer doux du rotor. Ces pôles balaient les bobines 81 de l'induit dans lesquelles sont induits des courants électriques.Chaque bobine 81 de l'induit fait face successivement à un pôle magnétique créé par un secteur magnétique 51 du rotor et à un secteur 52 interpolaire non magnétisé, de sorte que le champ créé, donc le courant électrique créé par la génératrice selon l'invention est toujours positif, variant entre une valeur nulle et une valeur maximale. La phase du courant créé est fonction du nombre de secteurs constituant le rotor. En effet, le nombre de phase est égal au double du rapport entre le nombre de pôles au stator et le nombre de pôles au rotor. La figure 5 est une vue en coupe longitudinale d'une génératrice selon l'invention, du type double alternance, c'est-à-dire permettant d'obtenir une tension et un courant de sortie à double alternance. Les éléments en matériau ferromagnétique sont représentés par des hachures simples et les éléments en matériau non ferromagnétique sont représentés par des hachures pointillées. Selon cet autre mode de réalisation de l'invention, la génératrice est caractérisée en ce que le rotor, monté sur un arbre de rotation 6 d'axe 6 parallèle à la direction du champ magnétique B, est constitué par deux disques parallèles 53 et 54, d'axes de rotation confondus et solidaires en rotation par l'intermédiaire de l'arbre de rotation sur lequel ils sont montés.Comme précédemment, chaque disque rotorique 53 ou 54 est composé d'une alternance de secteurs 51 en matériau ferromagnétique et de secteurs 52 en matériau non ferromagnétique de volumes identiques, et est décalé angulairement par rapport à l'autre disque de façon à ce que leurs secteurs ferromagnétiques 51 respectifs ne soient pas en regard. Une bague 9, en fibres de carbone par exemple, entoure chaque disque rotorique 53 ou 54 pour assurer sa tenue mécanique. Dans ce type de génératrice, l'inducteur 7 est placé entre les deux disques rotoriques 53 et 54 et l'induit est constitué de deux bobinages 83 et 84 qui sont placés de part et d'autre du rotor, ayant chacun des spires disposées parallèlement à la face d'un des disques rotoriques opposée au bobinage inducteur 7. L'inducteur 7 et chaque bobinage induit 83 ou 84 sont constitués de la même façon que dans le premier mode de réalisation d'une génératrice simple alternance, tout comme le stator qui est constitué par l'assemblage de deux cylindres coaxiaux 2 et 3 formant un circuit magnétique fermé. Le cylindre intérieur 2, de diamètre extérieur égal au diamètre du rotor, est réalisé en trois parties séparées pour former deux entrefers 43 et 44 de mêmes dimensions, dans lesquels tournent les deux disques rotoriques 53 et 54. Ces entrefers étant radiaux, leurs dimensions restent constantes lors de la rotation du rotor à très hautes vitesses.Pendant le fonctionnement de la génératrice, le bobinage inducteur 7 est parcouru par un courant électrique qui induit un champ magnétique B axial qui traverse les éléments magnétiques des deux disques rotoriques et des deux bobinages d'induit et se referme dans le cylindre extérieur 3 du stator. Pour limiter les mouvements d'air qui engendrent des pertes aérodynamiques, l'espace entre le cylindre extérieur 3 du stator et les deux bobines de l'induit 83 et 84 est comblé par de la résine 11. Dans l'exemple particulier de la figure 5, le bobinage inducteur 7 est maintenu sur la partie du cylindre intérieur 2, entre les deux disques rotoriques, par une pièce 12 en matériau non ferromagnétique, tel que de l'aluminium, de forme annulaire occupant l'espace entre l'inducteur et le cylindre extérieur 3. Ces différents éléments constituant le stator et le rotor de la génératrice selon l'invention sont enfermés dans un corps circulaire 13 associé à un moyeu 14 et fermé par un couvercle 15, réalisés en matériau non ferromagnétique. A l'intérieur du moyeu 14 est placée une cage 16 logeant un roulement 17 entourant une des extrémités de l'arbre 6. La lubrification de la génératrice en bout d'arbre est assurée par un fluide admis par une entrée d'alimentation 18 qui traverse le couvercle 15, un joint torique 19 assurant l'étanchéité entre la cage et le moyeu. Un extracteur de fluide 20 est prévu sur le moyeu 14 et une bague rainurée de dépression 21 entoure l'arbre entre le roulement 17 et le manchon 68 de l'induit. L'arbre de rotation 6 est muni, à une de ses extrémités, d'un écrou de fixation 22 maintenant l'ensemble des éléments. Le fonctionnement de ce second mode de réalisation d'une génératrice selon l'invention sera mieux compris à l'aide de la figure 6, qui est une vue en perspective simplifiée où seuls les deux disques rotoriques 53 et 54, ayant chacun deux pôles magnétiques, et quatre spires des deux bobinages d'induit 83 et 84 sont représentés. Comme mentionné précédemment, les deux disques 53 et 54 sont décalés angulairement l'un par rapport à l'autre afin que les pôles de chaque disque soient axialement alignés avec les secteurs non ferromagnétiques de l'autre disque et on connecte en série une spire 830 du bobinage induit 83 avec une spire 840 du l'autre bobinage induit 84 alignée axialement avec la première spire 830.Dans le cas de la figure 6 où le champ magnétique B créé par l'inducteur non représenté est dirigé du disque rotorique 53 vers le disque rotorique 54, quand un secteur 52 du disque 54 fait face à la spire 840, celle-ci est traversée par le champ créé par le secteur 51 qui est un pôle magnétisé par le champ B et un courant positif est induit. Après rotation du rotor d'un angle égal à un secteur, la spire 830 du bobinage 83, connectée à la spire 840 du bobinage 84, fait alors face à un pôle 51 du disque rotorique 53 et est donc parcourue par un courant de sens inverse si elle est bobinée dans le sens inverse de la spire 840. L'utilisation du champ magnétique est ainsi optimisée par la génératrice selon l'invention qui crée un courant électrique à double alternance, en fonctionnant à de très hautes vitesses de rotation sans risque de rupture grâce à la bague de maintien du rotor et sans perturbation du champ magnétique car entrefer est radial. La génératrice selon l'invention est conçue pour permettre la rotation du rotor à de très hautes vitesses sans risque d'endommagement et pour délivrer une puissance de sortie variable grâce à la variation du courant dans l'inducteur bobine. REVENDICATIONS 1. Génératrice haute vitesse à champ magnétique axial1 dont le stator (1) porte l'inducteur (7) et l'induit (8) et dont le rotor (5) est monté sur un arbre de rotation (6) d'axe (6) parallèle à la direction du champ magnétique, caractérisée en ce que - le rotor (5) est constitué d'au moins un disque, d'axe de rotation confondu avec l'axe (6) de l'arbre de rotation (6), composé d'une alternance de secteurs (51) circulaires en matériau ferromagnétique et de secteurs (52) circulaires en matériau non ferromagnétique de volumes identiques, ceinturés par une bague (9) en matériau non ferromagnétique de grande résistance mécanique, et - le stator (1) est constitué par l'assemblage de deux cylindres (2 et 3) coaxiaux formant un circuit magnétique fermé, le cylindre intérieur (2) ayant un diamètre extérieur égal au diamètre du rotor, et étant réalisé en au moins deux parties pour former au moins un entrefer radial (4) dans lequel tourne le rotor, la partie de ce cylindre intérieur portant l'inducteur (7) et faisant face à un côté d'au moins un disque du rotor ayant une section circulaire, tandis que la partie portant l'induit (8) et faisant face au côté opposé d'au moins un disque du rotor ayant une section composée d'une succession de secteurs (80) circulaires de mêmes dimensions que les secteurs du rotor. 2. Génératrice haute vitesse à champ magnétique axial selon la revendication 1, caractérisée en ce que - le rotor est constitué par deux disques (53 et 54) de mêmes dimensions, parallèles, solidaires en rotation et d'axes de rotation confondus avec l'axe (6) de l'arbre de rotation (6), composés d'une alternance de secteurs (51) en matériau ferromagnétique et de secteurs (52) en matériau non ferromagnétique de volumes identiques et décalés angulairement l'un par rapport à l'autre de façon à ce que leurs secteurs ferromagnétiques (51) ne soient pas en regard, - l'inducteur (7) est placé entre deux entrefers radiaux (43 et 44) dans lesquels tournent les deux disques rotoriques (53 et 54), - l'induit (8) est constitué de deux bobinages (83 et 84), placés chacun parallèlement à la face d'un des disques rotoriques (53,54) opposée à l'inducteur (7). 3. Génératrice selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que l'inducteur (7) est constitué par une bobine (70) s'enroulant autour de la partie à section circulaire du cylindre intérieur (2) proche d'un des côtés du rotor (5) et en ce que l'induit (8) est constitué de bobines dont les spires (81) s'enroulent autour de chaque secteur (80) de la partie du cylindre intérieur (2) proche du côté du rotor (5) opposé à l'inducteur (7), la section des spires étant identique à la section des secteurs (51 et 52) du rotor (5) auxquels elles font face. 4. Génératrice selon la revendication 2, caractérisée en ce que l'espace entre le cylindre extérieur (3) du stator et les deux bobines (83 et 84) de l'induit (8) est comblé par de la résine (11), pour limiter les mouvements d'air qui engendrent des pertes aérodynamiques. 5. Génératrice selon la revendication 2, caractérisée en ce que le bobinage inducteur (7) est maintenu sur la partie à section circulaire du cylindre intérieur (2), entre les deux disques rotoriques, par une pièce (12) en matériau non ferromagnétique, tel que de l'aluminium, de forme annulaire occupant l'espace entre l'inducteur et le cylindre extérieur (3). 6. Génératrice selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que les cylindres (2 et 3) constituant le stator (1) sont en matériau ferromagnétique à faible réluctance, tel que du fer doux feuilleté ou de l'acier au silicium. 7. Génératrice selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que les secteurs (51) en matériau ferromagnétique du rotor (5) sont en fer doux feuilleté ou en acier au silicium. 8. Génératrice selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que les secteurs (52) en matériau non ferromagnétique du rotor (5) sont en aluminium. 9. Génératrice selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que la bague (9) de maintien du rotor est en matériau à base de fibres de carbone ou bien à base de titane ou d'acier haute résistance, ou en matériau composite à forte résistance de type Kevlar. 10. Génératrice selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que le rotor (5) comporte un manchon central (10), porté par l'arbre de rotation (6), en matériau non ferromagnétique tel que l'aluminium, autour duquel sont disposés les secteurs rotoriques (51 et 52) ceinturés par la bague (9), et en ce que les parties du cylindre intérieur (2) porteuses de l'inducteur (7) et de l'induit (8) sont séparées de l'arbre de rotation (6) chacune respectivement par un manchon (67 et 68) en matériau non ferromagnétique.