Brevet FR2746558A1 — publié le 19970926

ROTOR MAGNETOELECTRIOUE A GRIFFES. PROCEDE DE FABRICATION D'UN TEL ROTOR L'invention concerne un rotor magnétoélectrique à griffes, et un procédé pour fabriquer un tel rotor. Plus particulièrement l'invention concerne un rotor magnétoélectrique destiné à être utilisé dans une machine synchrone rapide, et un procédé de fabrication d'un tel rotor magnétoélectrique à griffes. Ces rotors à griffes sont constitués d'une pluralité d'éléments amagnétiques et magnétiques solidarisés. Les vitesses qui peuvent être mises en jeu dans certaines machines synchrones rapides peuvent être égales ou supérieures à 50 000 t/mn. Or, comme indiqué ci-dessus, ces rotors sont des assemblages de pièces, de ce fait les constructeurs de rotor à griffes cherchent à obtenir des rotors ayant une résistance à l'éclatement centrifuge la plus élevée possible, tout en conservant un profil aérodynamique optimal. Pour réaliser des rotors pleins pouvant fonctionner aux vitesses mentionnées plus haut, il est nécessaire d'utiliser des techniques d'assemblage du type compression isostatique ou équivalent pour que le rotor puisse résister à l'éclatement. En effet, en rotation, la force centrifuge qui se développe est proportionnelle à la masse en mouvement. Des procédés connus de fabrication d'un rotor magnétoélectrique à griffe du type comprenant des parties magnétiques, formant les griffes polarisées du rotor, et des parties amagnétiques, de séparation des griffes de polarité opposée, confinés dans un cylindre carter creux amagnétique, comprennent une étape de remplissage du cylindre creux amagnétique avec les parties magnétiques et amagnétiques, et une étape de compression isostatique de l'ensemble des parties magnétiques, des parties amagnétiques et du cylindre carter creux. L'utilisation d'étapes de compression isostatique imposent que les pièces constitutives du rotor soient parfaitement assemblées. En effet, s'il subsistait des espaces sans matière lors de la compression isostatique, ceux-ci en se comprimant généreraient des déplacements des pièces constitutives néfastes au dimensionnement magnétique et à l'équilibre mécanique statique et dynamique du rotor ainsi réalisé. Le moindre des problèmes résultants serait que le rotor n'ait pas les caractéristiques magnétiques optimales espérées, le pire des problèmes serait que le déséquilibre mécanique introduit rende le rotor inutilisable. En outre il est nécessaire que les griffes présentent des formes adaptées pour un meilleur rendement de la machine. Par exemple, la face longitudinale des griffes magnétiques en regard du stator doit avantageusement présenté un entrefer magnétique progressif permettant d'optimiser le passage de flux magnétique entre les griffes et le stator de la machine tournante. Selon un autre exemple, il est nécessaire de disposer un matériau amagnétique entre deux masses magnétiques adjacentes de polarités opposées (griffes adjacentes). Ce matériau amagnétique permet de limiter les fuites de flux magnétique passant directement entre deux griffes adjacentes de polarités opposées, au lieu de transiter par le stator. Les pièces magnétiques ou amagnétiques résultantes sont de forme complexe, et leur façonnage est long et onéreux surtout pour obtenir les tolérances imposées par le traitement par compression isostatique. L'un des buts de la présente invention est de proposer un rotor magnétoélectrique plein ayant des éléments constitutifs répondant aux critères magnétoélectriques et mécanique requis pour les vitesses de rotation proposées et permettant une fabrication par compression isostatique. Un autre but de la présente invention est de proposer un procédé de fabrication d'un tel rotor simplifiant l'usinage des pièces constitutives du rotor. A cet effet l'invention concerne d'abord un rotor magnétoélectrique à griffes du type comprenant des pièces en matériau magnétique formant les pôles du rotor, et des pièces en matériau amagnétique de séparation des pôles de polarité opposée, confinés dans un cylindre carter creux de révolution en matériau amagnétique selon l'invention le rotor comprend deux pièces mono pôle en matériau magnétique, de polarités opposées, et une pièce en matériau amagnétique, chaque pièce mono pôle comprenant un moyeu de révolution ayant un rayon sensiblement égal au rayon intérieur du cylindre carter et présentant une extrémité libre et un pôle en biseau, ledit pôle en biseau comprenant une face longitudinale de même rayon que le moyeu, une face transversale oblique formant le biseau avec la dite face longitudinale et deux faces latérales planes symétriques par rapport au plan de symétrie du pôle en biseau, convergent l'une vers l'autre de la face longitudinale vers la face oblique, les dites faces latérales planes formant avec le moyeu des épaulements transversaux, les deux pièces en matériau magnétique étant disposées sur le même axe, faces obliques en regard, la pièce amagnétique étant disposée entre les faces obliques en regard, et ayant une forme complémentaire des deux pièces en matériau magnétique de sorte que l'ensemble pièces en matériaux magnétique ou amagnétique constitue un cylindre de révolution plein de rayon sensiblement égal au rayon intérieur du cylindre carter de révolution amagnétique, le cylindre carter ayant deux fenêtres traversantes chacune en regard de la face longitudinale de l'une des pièces en matériau magnétique, chaque fenêtre étant occupée par un élément de tube distal en matériau magnétique de même polarité que la pièce en matériau magnétique à laquelle il est associé. L'invention concerne aussi un autre rotor magnétoélectrique à griffes du type comprenant des pièces en matériau magnétique formant les pôles du rotor, et des pièces en matériau amagnétique de séparation des pôles de polarité opposée, confinés dans un cylindre carter creux de révolution en matériau amagnétique. Selon l'invention le rotor comprend deux pièces d'extrémité mono pôle en matériau magnétique de polarités opposées, au moins une pièce intermédiaire en matériau magnétique et des pièces en matériau amagnétique chaque pièce mono pôle comprenant un moyeu de révolution ayant un rayon sensiblement égal au rayon intérieur du cylindre carter et présentant une extrémité libre et un pôle en biseau, ledit pôle en biseau comprenant une face longitudinale de même rayon que le moyeu une face transversale oblique formant le biseau avec la dite face longitudinale et deux faces latérales planes symétriques par rapport au plan de symétrie du pôle en biseau, convergent l'une vers l'autre de la face longitudinale vers la face oblique, les dites faces latérales planes formant avec le moyeu des epaulements transversaux,la ou les pièces intermédiaires comprenant deux pôles de polarités opposées, ayant la même forme que les pôles des pièces d'extrémité chacun ayant une face oblique en regard de la face oblique du pôle d'une des pièces magnétiques d'extrémité ou de la face oblique de l'un des pôles d'une autre pièce intermédiaire, chaque pôle étant séparé du pôle en regard par une pièce amagnétique de forme complémentaire des deux pôles de sorte que l'ensemble des pièces d'extrémité de la ou des pièces intermédiaires et des pièces en matériau amagnétique constitue un cylindre de révolution plein de rayon sensiblement égal au rayon intérieur du cylindre de révolution carter amagnétique,le cylindre carter ayant autant de fenêtres traversantes qu'il y a de pôles, chaque fenêtre étant en regard de la face longitudinale de l'un des pôles en matériau magnétique, chaque fenêtre étant occupée par un élément de tube distal en matériau magnétique de même polarité que le pôle auquel il est associé. Les fenêtres traversantes ont, avantageusement, en coupe transversale, une forme générale convergente de l'intérieur vers l'extérieur du cylindre carter lesdits éléments de tube distaux ayant un rayon et une épaisseur radiale sensiblement égaux au rayon et à l'épaisseur radiale du cylindre carter et présentant des bords latéraux complémentaires de la forme convergente des fenêtres. Les épaulements transversaux des rotors selon l'invention forment un angle avec le plan perpendiculaire à l'axe des rotors. Chaque pièce en matériau magnétique ou amagnétique est constituée d'une pluralité d'éléments de tube ajustés et coaxiaux solidarisés les uns avec les autres. Dans un mode de réalisation, chaque pièce en matériau magnétique ou amagnétique comprend un élément de tube plein central tangent aux faces latérales planes symétriques, et un élément de tube creux de rayon intérieur sensiblement égal au rayon de l'élément de tube plein et de rayon extérieur sensiblement égal au rayon intérieur du cylindre carter. L'invention concerne enfin un procédé de fabrication de rotors magnétoélectriques à griffes décris ci-dessus. Selon ce procédé, on remplit le cylindre creux avec les éléments de tube ajustés et coaxiaux, et on compresse isostatiquement l'ensemble des éléments de tube et du cylindre carter creux. Les dits éléments de tube distaux sont les premiers des éléments de tube positionnés dans ledit cylindre carter lors de l'étape de remplissage. Le procédé peut comprendre avantageusement une étape de finition consistant, par exemple, à creuser axialement le rotor ou donner une forme particulière à la face externe du rotor. L'un des avantages de la présente invention résulte de la forme des pièces constitutives du rotor permettant la réalisation d'une étape de compression isostatique en diminuant les risques quant à la qualité du résultat. Un autre avantage de la présente invention est la possibilité de s'affranchir de la forme complexe des pièces constitutives du rotor en fabriquant une pluralité d'éléments de tube facilement usinables et de réunir ces éléments de tube pour fabriquer la pièce complexe. Un autre avantage de la présente invention résulte du principe gigogne des tubes qui assure une meilleure tenue à l'éclatement centrifuge du rotor. D'autres avantages et caractéristiques de la présente invention résulteront de la description qui va suivre en référence aux dessins annexés dans lesquels: La figure iA est une vue schématique d'une pièce magnétique d'extrémité d'un rotor selon l'invention. Les figures lB, 1C sont des vues schématiques respectivement du dessus et transversale de la vue de la figure 1A. La figure 2A est une vue schématique d'une pièce magnétique intermédiaire d'un rotor selon l'invention. Les figures 2B, 2C sont des vues schématiques respectivement du dessus et transversale de la vue de la figure 2A. La figure 3A est une vue schématique d'une pièce amagnétique d'un rotor selon l'invention. Les figures 3B, 3C sont des vues schématiques respectivement du dessus et transversale de la vue de la figure 3A. La figure 4 est une vue schématique éclatée d'un rotor selon l'invention. La figure 5A est une vue schématique d'un rotor assemblé selon l'invention. Les figures 5B, 5C, 5D sont des vues schématiques respectivement des coupes B, C, D de la vue de la figure 5A. La figure 6 est une vue schématique d'un rotor selon l'invention après l'étape finale d'usinage. Dans la description qui va suivre les termes "longitudinal" et "latéral" concernent des éléments de surfaces qui n'ont pas d'intersection avec l'axe de la pièce considérée ou du rotor. L'invention concerne un rotor magnétoélectrique à griffes du type comprenant des pièces en matériau magnétique 1, 9 formant les pâles 3 du rotor, et des pièces en matériau amagnétique 12 de séparation des pôles 3 de polarité opposée, confinés dans un cylindre carter creux 13 de révolution en matériau amagnétique fabriqué selon le procédé décrit ci-dessus. Dans un premier mode de réalisation, le rotor est un rotor bipolaire comprenant deux pièces 1 d'extrémité mono pâle en matériau magnétique, de polarité opposée, et une pièce en matériau amagnétique 12. Chaque pièce 1 mono pâle (Figs. 1A, IB, 1C) comprend un moyeu de révolution 2 ayant un rayon sensiblement égal au rayon intérieur du cylindre carter 13, et présentant une extrémité libre 4 et un pâle 3 en biseau. Le pôle 3 en biseau comprenant une face longitudinale 8 de même rayon que le moyeu 2, une face transversale oblique 5 formant le biseau avec la face longitudinale 8, et deux faces latérales 6 planes, symétriques par rapport au plan de symétrie du pâle 3 en biseau, convergeant l'une vers l'autre, de la face longitudinale 8 vers la face oblique 5. Les faces latérales planes 6 forment avec le moyeu des épaulements 7 transversaux. Les deux pièces 1 en matériau magnétique sont disposées sur le même axe, leur face oblique 5 en regard. La pièce amagnétique 12 (Figs. 2A, 2B, 2C) est disposée entre les faces obliques 5 en regard, et a une forme complémentaire des deux pièces 1 en matériau magnétique de sorte que l'ensemble des pièces en matériaux magnétique 1 ou amagnétique 12 constitue un cylindre de révolution plein de rayon sensiblement égal au rayon intérieur du cylindre de révolution carter 13 amagnétique. Le cylindre carter 13 a deux fenêtres traversantes 15, chacune en regard de la face longitudinale 8 de l'une des pièces 1 en matériau magnétique, chaque fenêtre 15 étant occupée par un élément de tube distal 14 en matériau magnétique de même polarité que la pièce 1 en matériau magnétique à laquelle il est associé. Dans un deuxième mode de réalisation (représenté sur les figures 4 à 6), le rotor comprend une succession axiale de rotors bipolaires. Il comprend deux pièces d'extrémité 1 mono pôle en matériau magnétique, au moins une pièce intermédiaire 9 en matériau magnétique et des pièces 12 en matériau amagnétique. Les pièces d'extrémité 1 mono pôle sont toujours de polarités opposées. Les pièces d'extrémité 1 sont de la même forme que celle décrite dans le premier mode de réalisation (Figs. 1A, 1B, 1C). La (ou les) pièce(s) intermédiaire(s) 9 (Figs. 3A, 3B, 3C) comprend deux pôles 30 de polarités opposées, ayant la même forme que les pôles 3 des pièces d'extrémité 1. Chaque pôle 30 d'une pièce intermédiaire 9 a une face oblique 50 en regard de la face oblique 5 du pôle 3 d'une des pièces magnétiques d'extrémité 1 ou de la face oblique l'un des pôles 30 d'une autre pièce intermédiaire 9. Chaque pôle 3, 30 est séparé du pôle 30, 3 en regard par une pièce amagnétique 12 (Figs. 2A, 2B, 2C) de forme complémentaire des deux pôles 3, 30 de sorte que l'ensemble des pièces d'extrémité 1, de la (ou des) pièce(s) intermédiaire(s) 9, et des pièces en matériau amagnétique 12 constitue un cylindre de révolution plein de rayon sensiblement égal au rayon ntérieur du cylindre de révolution carter 13 amagnétique Comme dans le premier mode de réalisation, le cylindre carter 13 a autant de fenêtres traversantes 15 que de pôles 3. Chaque fenêtre 15 est en regard de la face longitudinale 8 de l'un des pôles 3 en matériau magnétique, chaque fenêtre est occupée par un élément de tube distal 14, en matériau magnétique de même polarité que le pôle 3 auquel il est associé (Figs. 4). Dans les deux modes de réalisation, les fenêtres traversantes 15 ont, en coupe transversale, une forme générale convergente de l'intérieur vers l'extérieur du cylindre carter 13, et les éléments de tube distaux 14, 140 ayant un rayon et une épaisseur radiale sensiblement égaux au rayon et à l'épaisseur radiale du cylindre carter 13, présentent des bords latéraux 16 complémentaires de la forme convergente des fenêtres 15. Avantageusement, les épaulements transversaux 7 forment un angle avec le plan perpendiculaire à l'axe du rotor. Préférentiellement l'angle est de 45 . Dans le mode de réalisation représenté, les pièces en matériau magnétique 1, 9 ou amagnétique 12 comprennent un élément de tube plein central 10, 100, 101 tangent aux faces latérales planes symétriques 6, et un élément de tube creux 11, 110, 111 de rayon intérieur sensiblement égal au rayon de l'élément de tube plein 10 et de rayon extérieur sensiblement égal au rayon intérieur du cylindre carter 13. En outre comme mentionné précédemment, les pièces en matériau magnétique comprennent un élément de tube distal 14, 140 par pôle 3, 30 ayant un diamètre intérieur, et un diamètre extérieur sensiblement égaux a ceux du cylindre carter 13. Sur les Figures 5B, 5C, 5D, chaque pièce est hachurée de façon différente indépendamment des éléments de tube qui la constituent. Ces éléments de tube distaux 14, 140, de par la forme de leurs bords latéraux 16, permettent de constituer un entrefer progressif pour chaque pôle 3, 30 du rotor. L'invention concerne aussi un procédé de fabrication des rotors magnétoélectriques à griffes décris ci-dessus Une des étapes caractéristiques du procédé selon l'invention consiste en ce que chaque pièce en matériau magnétique 1, 9 ou amagnétique 12 est réalisée à partir d'éléments de tube gigognes 10, 11, 14, 100, 110, 140, 101, 111 indépendants ajustés et coaxiaux, chaque élément de tube , 11, 14, 100, 110, 140, 101, 111 ayant des bords latéraux, des extrémités transversales et une face latérale présentant la forme extérieure de l'épaisseur radiale correspondante de la pièce en matériau magnétique 1, 9 ou amagnétique 12 concernée. Dans une mise en oeuvre du procédé selon l'invention les éléments de tube distaux 14, 140 sont les premiers des éléments de tube 10, 11, 14, 100, 110, 140, 101, 111 positionnés dans ledit cylindre carter 13 lors de l'étape de remplissage. Selon le procédé de l'invention, à l'issue de l'étape de compression isostatique, le rotor résultant peut subir une étape de finition. Cette étape de finition peut par exemple consister à creuser axialement le rotor pour l'alléger ou donner une forme particulière à la face externe du rotor (Fig. 6). Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits et représentés, mais elle est susceptible de nombreuses variantes accessibles à l'homme du métier sans que l'on s'écarte de l'invention. En particulier, on pourra, sans sortir du cadre de l'invention, faire varier le nombre d'éléments de tube constitutifs de chaque pièce sans sortir du cadre de la présente invention. REVENDICATIONS 1. Rotor magnétoélectrique à griffes du type comprenant des pièces en matériau magnétique (1, 9), formant les pôles (3) du rotor, et des pièces en matériau amagnétique (12), de séparation des pôles (3) de polarité opposée, confinés dans un cylindre carter creux de révolution (13) en matériau amagnétique caractérisé en ce qu'il comprend deux pièces (1) mono pôle en matériau magnétique, de polarités opposées, et une pièce (12) en matériau amagnétique, chaque pièce (1) mono pôle comprenant un moyeu de révolution (2) ayant un rayon sensiblement égal au rayon intérieur du cylindre carter (13), et présentant une extrémité libre (4) et un pôle (3) en biseau, ledit pôle (3) en biseau comprenant une face longitudinale(8) de même rayon que le moyeu (2), une face transversale oblique (5) formant le biseau avec la dite face longitudinale (8), et deux faces latérales planes (6) symétriques par rapport au plan de symétrie du pôle (3) en biseau, convergent l'une vers l'autre de la face longitudinale (8) vers la face oblique (5), les dites faces latérales planes (6) formant avec le moyeu (2) des épaulements transversaux (7), les deux pièces (1) en matériau magnétique étant disposé sur le même axe, faces obliques (5) en regard, la pièce amagnétique (12) étant disposée entre les faces obliques (5) en regard, et ayant une forme complémentaire des deux pièces (1) en matériau magnétique de sorte que l'ensemble pièces en matériaux magnétique ou amagnétique constitue un cylindre de révolution plein de rayon sensiblement égal au rayon intérieur du cylindre carter de révolution (13) amagnétique, le cylindre carter ayant deux fenêtres traversantes (15), chacune en regard de la face longitudinale (8) de l'une des pièces (1) en matériau magnétique, chaque fenêtre étant occupée par un élément de tube distal (14) en matériau magnétique de même polarité que la pièce en matériau magnétique à laquelle il est associé. 2. Rotor magnétoélectrique à griffes du type comprenant des pièces en matériau magnétique (1, 9), formant les pôles (3) du rotor, et des pièces en matériau amagnétique (12), de séparation des pôles (3, 30) de polarité opposée, confinés dans un cylindre carter creux de révolution (13) en matériau amagnétique caractérisé en ce qu'il comprend deux pièces d'extrémité (1) mono pôle en matériau magnétique de polarités opposées, au moins une pièce intermédiaire (9) en matériau magnétique et des pièces en matériau amagnétique (12), chaque pièce (1) mono pôle comprenant un moyeu (2) de révolution ayant un rayon sensiblement égal au rayon intérieur du cylindre carter (13), et présentant une extrémité libre (4) et un pôle (3) en biseau, ledit pôle (3) en biseau comprenant une face longitudinale (8) de même rayon que le moyeu (2), une face transversale oblique (5) formant le biseau avec la dite face longitudinale (8), et deux faces latérales planes (6) symétriques par rapport au plan de symétrie du pôle (3) en biseau, convergent l'une vers l'autre de la face longitudinale (8) vers la face oblique (5), les dites faces latérales planes (6) formant avec le moyeu (2) des épaulements transversaux (7), la ou les pièce(s) intermédiaire(s) (9) comprenant deux pôles (30) de polarités opposées, ayant la même forme que les pôles (3) des pièces d'extrémité (1), chacun ayant une face oblique (50) en regard de la face oblique (5) du pôle (3) d'une des pièces magnétiques d'extrémité ou de la face oblique (50) de l'un des pôles (30) d'une autre pièce (9) intermédiaire, chaque pôle (3, 30) étant séparé du pôle (30, 3) en regard par une pièce amagnétique (12) de forme complémentaire des deux pôles (3, 30) de sorte que l'ensemble des pièces d'extrémité (1), de la ou des pièces intermédiaires (9), et des pièces en matériau amagnétique (12) constitue un cylindre de révolution plein de rayon sensiblement égal au rayon intérieur du cylindre de révolution carter amagnétique (13), le cylindre carter (13) ayant autant de fenêtres traversantes (15) qu'il y a de pôles (3, 30), chaque fenêtre (15) étant en regard de la face longitudinale (8) de l'un des pôles (3, 30) en matériau magnétique, chaque fenêtre (15) étant occupée par un élément de tube distal (14, 140) en matériau magnétique de même polarité que le pôle (3, 30) auquel il est associé. 3. Rotor magnétoélectrique selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce que les fenêtres traversantes (15) ont, en coupe transversale, une forme générale convergente de i0 l'intérieur vers l'extérieur du cylindre carter (13), lesdits éléments de tube distaux (14, 140) ayant un rayon et une épaisseur radiale sensiblement égaux au rayon et à l'épaisseur radiale du cylindre carter (13), et présentant des bords latéraux (16) complémentaires de la forme convergente des fenêtres (15), 4. Rotor magnétoélectrique selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que les épaulements transversaux (7) forment un angle avec le plan perpendiculaire à l'axe du rotor. 5. Rotor magnétoélectrique selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que chaque pièce en matériau magnétique (1, 9) ou amagnétique (12) est constituée d'une pluralité d'éléments de tube (14, 10, 11; , 100; 140, 111, 101) ajustés et coaxiaux solidarisé les uns avec les autres. 6. Rotor magnétoélectrique selon la revendication 5 caractérisé en ce que chaque pièce en matériau magnétique (1, 9) ou amagnétique (12) comprend un élément de tube plein central (10, 100, 101) tangent aux faces latérales planes (6) symétriques, et un élément de tube creux (11, 110, 111) de rayon intérieur sensiblement égal au rayon de l'élément de tube plein (10, 100, 101) et de rayon extérieur sensiblement égal au rayon intérieur du cylindre carter (13). 7. Procédé de fabrication d'un rotor magnétoélectrique à griffes selon la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce que l'on remplit le cylindre creux (13) avec les éléments de tube (14, 10, 11, 110, 100, 140, 111, 101) ajustés et coaxiaux, et on compresse isostatiquement l'ensemble des éléments de tube (14, 10, 11, 110, 100, 140, 111, 101) et du cylindre carter creux (13). 8. Procédé de fabrication selon la revendication 7 caractérisé en ce que les dits éléments de tube distaux (14, ) sont les premiers des éléments de tube (14, 10, 11, , 100, 140, 111, 101) positionnés dans ledit cylindre carter (13) lors de l'étape de remplissage. 9. Procédé de fabrication selon la revendication 7 ou 8 caractérisé en ce qu'il comprend une étape de finition consistant à creuser axialement le rotor ou donner une forme particulière à la face externe du rotor.