Brevet FR2742939A1 — publié le 19970627

La présente invention concerne le domaine des machines électriques à structure discoïde. Ces machines peuvent être synchrones, asynchrones ou à courant continu. Elles fonctionnent en générateur ou en moteur. De façon générale, elles sont constituées d'au moins un disque rotor et un disque stator. Une telle machine comporte classiquement au moins un stator en forme de disque maintenu sur une carcasse et dont la partie centrale est évidée, ainsi qu'un rotor également en forme de disque, monté sur un arbre dont l'axe de rotation coïncide avec l'axe du disque stator. Cependant, la disposition du disque rotor par rapport au disque stator peut différer d'une machine discoïde à 1 'autre. Ainsi, le brevet FR-2 583 231 décrit une machine discoïde comprenant un disque rotor monté en rotation sur l'arbre de la machine et un disque stator relié à la carcasse et centré sur l'axe de l'arbre. Il décrit également une machine discoïde dans laquelle un disque rotor est placé entre deux disques stator. Les bobinages des disques rotor et stator sont placés sur des faces en regard, le disque rotor étant équipé d'aimants ou d'enroulement sur ces deux faces. On peut également se référer au brevet US-4,514,653 qui décrit une machine électrique de type discoïde, comportant plusieurs disques rotor et plusieurs stators associés. Le brevet US-5,229,677 décrit quant à lui un moteur de type discoïde pour propulsion marine. Ces documents montrent que les machines discoïdes connues sont construites pour une puissance donnée. Ainsi, à chaque puissance, correspond une machine particulière comportant un nombre approprié de disques rotor et stator. En conséquence, les composants de la machine et notamment les parties mécaniques telles que la carcasse de protection des moteurs, doivent être conçus et fabriqués pour chaque machine d'une puissance donnée. Ceci ne permet pas de fabriquer en série les composants de la machine. De plus, à compter de sa commande, la fabrication d'une machine discoïde est relativement longue. L'invention a pour objet de pallier ces inconvénients en proposant une machine électrique de type discoïde conçue de façon modulaire et un procédé de fabrication d'une telle machine. A cet effet, la machine discoïde selon l'invention est constituée de modules stator/rotor élémentaires identiques correspondant à une puissance déterminée, chaque module comportant au moins un sous-ensemble stator et au moins un sous-ensemble rotor centrés sur l'axe de la machine, lesdits modules étant assemblés mécaniquement de façon à ce que tous les sous-ensembles rotor et stator soient disposés coaxialement. L'architecture modulaire de la machine de type discoïde selon 1 invention permet d'utiliser des éléments identiques, pour une gamme de puissance et un diamètre déterminés. Cette architecture permet de fabriquer des machines de puissance différente, à partir d'éléments standards. Elle permet donc de réduire à la fois les coûts de fabrication et les délais de livraison des machines. En effet, la fabrication de ces éléments standards peut être réalisée en série. Par ailleurs, ceux-ci peuvent être disponibles en vue d'un assemblage final, ce qui permet de réduire le délai de fabrication des machines. Les caractéristiques techniques suivantes peuvent également être prises en considération, selon toutes leurs combinaisons techniquement possibles - la machine comprend des flasques d'extrémité qui sont des éléments constitutifs de la carcasse de la machine, - chaque sous-ensemble stator est lié à la carcasse de la machine tandis que chaque sous-ensemble rotor est lié en rotation avec l'arbre de la machine, - la machine comporte un système de sélection du nombre d'enroulements des sous-ensembles stator alimentés, - les enroulements des sous-ensembles stator sont connectés entre eux par des connecteurs fixés, soit sur la carcasse de la machine, soit sur des boites à bornes. - la machine comporte un alternateur d'excitation, - l'alternateur est du type discoïde, - l'alternateur d'excitation constitue un module élémentaire comprenant un disque stator centré sur l'axe de la machine, relié à la carcasse et portant des enroulements, d'autres enroulements étant prévus sur un module rotor/stator élémentaire de ladite machine, sur une face du disque rotor en regard du disque stator. L'invention concerne également un procédé de fabrication de machines électriques modulaires de type discoïde, comprenant les étapes suivantes - fabrication de sous-ensembles stator et rotor et de flasques d'extrémité, - réalisation de modules élémentaires stator/rotor correspondant à une puissance déterminée et comprenant au moins un sous-ensemble stator et un sous-ensemble rotor, centrés sur l'axe de la machine, - assemblage mécanique des modules élémentaires, de façon à ce que tous les sous-ensembles soient disposés coaxialement. Le procédé peut également présenter les caractéristiques suivantes prises simultanément ou en combinaison - le nombre de modules élémentaires est fonction de la puissance désirée pour la machine, - le procédé consiste également à fabriquer des modules élémentaires alternateurs d'excitation du type discoïde, destinés à être assemblés avec au moins un module élémentaire rotor/stator dont le ou les sousensemble(s) rotor sont bobinés. L'invention sera mieux comprise et d'autres buts, avantages et caractéristiques de celle-ci apparaitront plus clairement à la lecture de la description qui suit, faite au regard des dessins annexés, représentant des exemples non limitatifs de réalisation de l'invention et sur lesquels - la figure 1 représente une vue schématique en coupe axiale d'un premier mode de réalisation d'une machine de type discoïde selon l'invention, - la figure 2 représente une vue éclatée des différents composants de la machine illustrée à la figure 1, - la figure 3 représente une vue schématique en coupe axiale d'un deuxième mode de réalisation d'une machine conforme à l'invention, - la figure 4 est une vue partielle en coupe de la machine illustrée à la figure 1, selon la ligne IV-IV, - la figure 5 est une vue schématique d'une machine selon l'invention comportant un alternateur d'excitation, ladite vue étant en coupe partielle, selon l'axe de la machine. les éléments communs aux différentes figures seront désignés par les mêmes références. On se réfère tout d'abord à la figure 1 qui montre une vue schématique en coupe d'un premier mode de réalisation d'une machine de type discoïde selon l'invention, la coupe étant réalisée selon l'axe de la machine. Cette machine est constituée d'un module rotor/stator élémentaire, défini pour une puissance nominale déterminée. Dans l'exemple illustré à la figure 1, ce module comprend un premier sous-ensemble 1 constituant le stator de la machine et deux sous-ensembles 2, qui en constituent le rotor. Dans l'exemple de machine représenté à la figure 1, deux flasques d'extrémité 3 et 4 sont fixés à la carcasse 5 du sous-ensemble stator 1 par des moyens appropriés qui ne sont pas illustrés sur la figure 1. Ces moyens d'assemblage peuvent notamment être placés selon un axe 6, parallèle à l'axe 7 de la machine. Chacun des flasques 3, 4 supporte l'arbre 8 de la machine, par l'intermédiaire de roulements 9, 10. Les deux sous-ensembles 2 constituant le stator de la machine sont centrés sur l'arbre 8 de la machine. On se reporte maintenant à la figure 2 qui représente une vue éclatée de la machine illustrée à la figure 1. La carcasse du sous-ensemble stator 1 comprend un élément 11 présentant une forme générale cylindrique. Cet élément 11 comporte deux brides 12 qui sont rendues solidaires de cet élément par des moyens connus qui ne sont pas représentés sur la figure 2. Elles peuvent notamment être fixées au moyen d'une soudure. Sur la face interne de l'élément de carcasse 11, c'est-à-dire sur la face en regard de l'arbre 8 de la machine, est fixée une cloison 13, en forme de couronne. Cette cloison 13 peut notamment être fixée par soudure. Le corps 14 du disque stator comporte une partie centrale évidée 22 et il est fixé sur la cloison 13. Cette fixation peut notamment être réalisée au moyen de boulons qui ne sont pas représentés sur les figures. Les différents composants du circuit magnétique et notamment les assemblages de tôles feuilletées sont placés sur le corps 14 du stator, selon des techniques connues. Le corps 14 reçoit également les enroulements statoriques 15 et 16. Le sous-ensemble stator 1 est centré sur l'axe 7 de l'arbre 8 de la machine qui correspond également à l'axe de rotation du rotor. Un sous-ensemble rotor 2 est disposé en regard de chacune des faces du sous-ensemble stator 1, c'est-à-dire en regard des enroulements 15 et 16 du stator. Chaque sous-ensemble rotor 2 comprend un disque 17 présentant un corps 18 en forme de galette et un moyeu central 19. Le moyeu 19 est alésé de façon à ce que son diamètre interne corresponde sensiblement au diamètre de l'arbre 8 de la machine. Ainsi, les disques rotor 17 peuvent être liés en rotation à l'arbre 8, par l'intermédiaire de clavettes 20. Sur les figures 1 et 2, les disques rotor 17 sont équipés d'enroulements bobinés 21. Ceux-ci sont disposés en couronne sur la surface du disque rotor, en regard des enroulements 15 et 16 du stator 1. L'invention s'applique également à une machine dont le rotor est équipé d'aimants permanents également disposés en couronne. Dans le cas d'un rotor équipé d'enroulements, ceux-ci sont parcourus par un courant continu pour magnétiser le rotor. A cet effet, on dispose, en bout d'arbre de la machine, un alternateur d'excitation dont le courant de sortie est redressé. Un tel alternateur sera décrit ultérieurement de façon plus détaillée en référence à la figure 5. Ainsi, le module rotor/stator élémentaire de la machine principale, représenté sur la figure 1 est fabriqué en centrant le sous-ensemble stator 1 sur l'arbre 8 de la machine puis en assemblant les sousensembles rotor 2 sur l'arbre 8, en les disposant de part et d'autre du stator 1. Enfin, on réalise la carcasse du module en assemblant les flasques d'extrémité 3 et 4 et l'élément de carcasse 11 du sous-ensemble stator 1. Cet assemblage est réalisé par l'intermédiaire de boulons qui ne sont pas représentés sur les figures. Ces boulons sont placés selon les axes 6, parallèles à l'axe 7 de la machine. On se réfère maintenant à la figure 3 qui représente une vue en coupe d'une machine conforme à l'invention, constituée de deux modules rotor/stator élémentaires 25, 26. Chacun de ces modules 25, 26 est constitué à partir des mêmes éléments que le module décrit en référence aux figures 1 et 2. Ainsi, chaque module élémentaire comporte un sousensemble stator 1 et deux sous-ensembles rotor 2, les sous-ensembles rotor et stator étant identiques à ceux qui ont été décrits en référence aux figures 1 et 2. Tous les sous-ensembles sont centrés sur l'axe 7 de l'arbre 8 de la machine. La carcasse de l'ensemble de la machine est réalisée par l'assemblage des flasques d'extrémité 3 et 4 et des éléments de carcasse 11 de chacun des sous-ensembles stator 1. Cet assemblage est notamment réalisé au moyen de boulons qui ne sont pas représentés sur la figure 3. Ces boulons sont disposés selon un axe 6, parallèle à l'axe 7 de l'arbre 8 de la machine. Ainsi, à l'exception de la longueur L, les dimensions de la machine illustrée à la figure 3 qui comporte deux modules rotor/stator sont identiques à celles de la machine illustrée aux figures 1 et 2 et qui ne comporte qu'un seul module rotor/stator. Dans les exemples illustrés aux figures 1 à 3, chaque module élémentaire est constitué de deux sous-ensembles rotors liés à l'arbre de la machine et d'un sous-ensemble stator lié à la carcasse et centré sur l'axe de la machine. L'invention n'est cependant pas limitée à ce type de module élémentaire. Une machine discoïde selon l'invention peut également être réalisée à partir de modules élémentaires constitués d'un sous-ensemble rotor et un sous-ensemble stator ou encore d'un sous-ensemble rotor placé entre deux sous-ensembles stator, le sousensemble rotor étant lié à la carcasse de la machine ou à l'arbre de celle-ci. Les bobinages sont alors disposés de façon appropriée. On se réfère à la figure 4 qui représente un exemple de réalisation de la fixation de la machine. La figure 4 est une vue en coupe qui montre partiellement la carcasse 5 d'un sous-ensemble stator 1. L'élément de carcasse 11 est représenté en coupe. La figure 4 montre également la bride 12 et la cloison 13 en forme de couronne. Sur l'élément de carcasse 11 sont fixées, par exemple par soudure, des pattes 27. Ces dernières permettent de fixer la machine sur une structure 28, par l'intermédiaire de vis 29. Les dimensions de ces vis sont choisies de façon appropriée pour satisfaire aux conditions de fonctionnement de la machine. On se réfère maintenant à la figure 5 qui représente une coupe partielle d'une machine selon l'invention, comportant un alternateur d'excitation. Comme indiqué précédemment, dans le cas d'une machine à rotor bobiné, le rotor est magnétisé en alimentant ses enroulements avec un courant continu. C'est un alternateur d'excitation dont le courant de sortie est redressé qui produit ce courant d'alimentation. On reconnaît sur la figure 5 un module rotor/stator 30, tel que celui décrit en référence aux figures 1 et 2. Comme dans les exemples décrits précédemment, ce module rotor/stator est composé d'un sous-ensemble stator 1 et de deux sous-ensembles rotor 2. On se référera aux figures précédentes pour une description détaillée de ces sous-ensembles. Cependant, d'autres types de module élémentaire pourraient être envisagés et l'invention n'est pas limitée à cet exemple. La machine illustrée à la figure 5 comprend en outre un autre module rotor/stator 31 qui est spécifique à l'alternateur d'excitation. L'alternateur d'excitation est également de conception discoïde. I1 comporte un disque magnétique stator 32 qui présente une partie centrale évidée 33. Le disque 32 est fixé à la carcasse de la machine et il est centré sur l'axe 7 de la machine. Le disque stator 32 comporte, sur sa face en regard du module rotor/stator 30, des enroulements 34. Ces derniers sont alimentés en courant continu par une source extérieure, non représentée sur la figure 5. Le rotor du module 31 est constitué par des enroulements 36 qui sont placés sur la face libre du sous-ensemble rotor 2 du module rotor/stator 30, ce sousensemble rotor 2 étant en regard du stator 32 du module alternateur 31. Les enroulements 36 sont ainsi disposés sur une face 35 du disque rotor, en regard du disque stator 32. Ces enroulements 36 génèrent une force électromotrice alternative qui est redressée par un pont de diode 37, installé par exemple sur le sous-ensemble rotor 2 qui porte les enroulements 36. On peut également prévoir des fusibles de protection. Dans ce mode de réalisation, les diodes se trouvent à proximité du circuit d'excitation du module rotor/stator 30 de la machine, ce qui permet d'utiliser des connexions très courtes. De plus, cette disposition favorise la protection mécanique des diodes. Le disque magnétique stator 32 du module alternateur 31 est relié à un élément de carcasse 38, lequel comporte des brides de fixation 39. C'est par l'intermédiaire de ces brides de fixation 39 que le disque stator 33 est relié au module rotor/stator 30 ainsi qu'à un des flasques d'extrémité 4 de la machine. Ainsi, la carcasse de la machine est réalisée par l'assemblage des flasques 3 et 4 et des éléments de carcasse 11 et 38 des modules rotor/stator 30 et alternateur 31. L'alternateur d'excitation utilisé dans une machine discoïde selon l'invention n'est pas nécessairement du type discoïde, comme celui qui vient d'être décrit. On peut également prévoir un alternateur classique. Comme indiqué précédemment, la machine illustrée à la figure 3 comprend deux modules tels qu'illustrés à la figure 1 et a donc une puissance double de la machine représentée sur la figure 1. Ainsi, pour une gamme de puissance et un diamètre de machine déterminés, la puissance de la machine peut être ajustée en assemblant un nombre approprié de modules rotor/stator élémentaires. Cette architecture modulaire peut être appliquée à tout type de machine : à courant continu, synchrone ou asynchrone, à rotor bobiné ou à aimants permanents. Ces modules sont fabriqués à partir de sous-ensembles rotor ou stator qui peuvent être fabriqués en série. Cette fabrication peut être partiellement ou totalement automatisée, ce qui diminue les coûts. Si la machine doit comporter un alternateur d'excitation, ce dernier peut faire l'objet d'un module spécifique, mais réalisé à partir d'éléments semblables à ceux du module standard rotor/stator. Dans une machine selon l'invention, comprenant au moins deux modules rotor/stator, un système de commutation est prévu de façon à sélectionner le nombre d'enroulements des sous-ensembles stator alimentés. Ainsi, si la charge de la machine est réduite par rapport à sa puissance nominale, on peut commuter les enroulements statoriques de façon à ce que la machine fonctionne toujours à son rendement optimal. Les enroulements de disques stator sont indépendants et ils peuvent être connectés selon la configuration désirée. La connexion électrique des enroulements des stators entre eux se fait par des connecteurs fixés, soit sur la carcasse de la machine, soit sur des boîtes à bornes. Les signes de référence insérés après les caractéristiques techniques mentionnées dans les revendications ont pour seul but d'améliorer la compréhension de ces dernières et ne sauraient en limiter la portée. REVENDICATION8 1. Machine électrique discoïde comportant au moins un disque stator et un disque rotor, caractérisée en ce qu'elle est constituée de modules (1, 25, 26, 30) stator/rotor élémentaires identiques correspondant à une puissance déterminée, chaque module élémentaire (1, 25, 26, 30) comportant au moins un sous-ensemble stator (1) et un sous-ensemble rotor (2) centrés sur l'axe (7) de la machine, lesdits modules étant assemblés mécaniquement de façon à ce que tous les sous-ensembles rotor et stator soient disposés coaxialement. 2. Machine électrique discoïde selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comprend des flasques d'extrémité (3, 4) qui sont des éléments constitutifs de la carcasse de la machine. 3. Machine électrique discoïde selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que chaque sous-ensemble stator (1) est lié à la carcasse de la machine tandis que chaque sous-ensemble rotor (2) est lié en rotation avec l'arbre (8) de la machine. 4. Machine électrique discoïde selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce qu'elle comporte un système de sélection du nombre d'enroulements (15, 16) des sous-ensembles stator (1) alimentés. 5. Machine électrique discoïde selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que les enroulements des sous-ensembles stator sont connectés entre eux par des connecteurs fixés, soit sur la carcasse de la machine, soit sur des boîtes à bornes. 6. Machine électrique discoïde selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce qu'elle comporte un alternateur d'excitation. 7. Machine électrique discoïde selon la revendication 6, caractérisée en ce que ledit alternateur est du type discoïde. 8. Machine électrique discoïde selon la revendication 7, caractérisée en ce que ledit alternateur d'excitation constitue un module élémentaire (31) comprenant un disque stator (32) centré sur l'axe (7) de la machine, relié à la carcasse et portant des enroulements (34), d'autres enroulements (36) étant prévus sur un module rotor/stator élémentaire (30) de ladite machine, sur une face du disque rotor en regard du disque stator (32). 9. Procédé de fabrication de machines électriques modulaires de type discoïde comprenant les étapes suivantes - fabrication de sous-ensembles stator (1) et rotor (2) et de flasques d'extrémité (3, 4), - réalisation de modules élémentaires stator/rotor (1, 25, 26, 30) correspondant à une puissance déterminée et comprenant au moins un sous-ensemble stator (1) et un sous-ensemble rotor (2), centrés sur l'axe (7) de la machine, - assemblage mécanique des modules élémentaires (1, 25, 26, 30), de façon à ce que tous les sous-ensembles soient disposés coaxialement. 10. Procédé conforme à la revendication 9, selon lequel le nombre de modules élémentaires est fonction de la puissance désirée pour la machine. 11. Procédé conforme à l'une des revendications 9 ou 10 consistant également à fabriquer des modules élémentaires alternateurs (31) d'excitation du type discoïde, destinés à être assemblés avec au moins un module élémentaire rotor/stator (30) dont le ou les sousensemble(s) rotor (2) sont bobinés.