Brevet FR2779584A1 — publié le 19991210

MACHINE ELECTRIQUE TOURNANTE A GRANDE VITESSE COMPORTANT UN ROTOR A AIMANTS PERMANENTS L'invention concerne les machines électriques tournantes à grande vitesse de rotation, notamment les alternateurs et les moteurs synchrones comportant un rotor à aimants permanents. L'invention concerne plus précisément le rotor de ces machines. Ces types de machines électriques tournantes comportent essentiellement un stator externe ayant des bobinages parcourus par un courant électrique créant des champs magnétiques au stator et un rotor interne équipé d'aimants permanents créant des champs magnétiques au rotor, un arbre solidaire du rotor assurant un couplage mécanique du rotor à un élément tournant extérieur à la machine. Dans le cas de générateurs comme les altemrnateurs, les bobinages de stator sont le siège de courants électriques induits par les champs magnétiques tournants du rotor entraîné en rotation par l'élément tournant d'un moteur et fournissant à l'arbre du rotor de l'alternateur une énergie mécanique. Cette énergie mécanique, sous la forme d'un couple moteur entraînant en rotation l'arbre du rotor, est transformée en énergie électrique fournie par les bobinages du stator connecté à une charge. Le moteur entraînant en rotation l'arbre de l'alternateur peut être soit un moteur thermique soit une turbine à carburant liquide, à gaz ou à vapeur ou tout autre type de moteur fournissant une énergie mécanique à I'alternateur. Dans le cas des moteurs électriques synchrones, un courant électrique alimente les bobinages du stator. Les champs magnétiques tournants produits par le courant électrique dans les bobinages du stator et les champs magnétiques des aimants permanents du rotor assurent la mise en rotation du rotor et la fourniture d'un couple mécanique à l'arbre du rotor. Les figures 1 a et 1 b montrent des vues en coupe d'un rotor 10 d'une machine électrique tournante selon l'état de l'art. Le rotor 10 comporte un moyeu 12 de forme cylindrique circulaire selon un axe de révolution XX'. La figure 1 b montre une coupe de la partie supérieure du rotor selon une vue AA' (figure la). Le moyeu est essentiellement constitué d'un assemblage de tôles 14 empilées selon son axe de révolution et maintenues serrées entre deux flasques latéraux 16. Des aimants permanents 18 sont fixés sur la surface cylindrique du moyeu 12, par exemple par collage, selon un pas angulaire identique J3. Un arbre 20, coaxial à l'axe XX' de révolution et solidaire mécaniquement du moyeu 12, assure le couplage mécanique du rotor avec une autre machine. La figure la montre une vue en coupe selon BB' (figure lb) du rotor au niveau d'un plan perpendiculaire à l'axe de révolution XX' du moyeu. Une frette 22 encapsulant le rotor assure la tenue mécanique des aimants permanents 18 sur le rotor. En effet, lors de la rotation à grande vitesse du rotor, des forces d'inertie importantes s'exercent sur les aimants permanents tendant à les décoller du moyeu, la frette assure principalement le maintien des aimants en position sur le moyeu. La réalisation du rotor, selon l'état de l'art, comporte des inconvénients importants. En effet le moyeu doit assurer diverses fonctions principalement magnétiques et mécaniques. D'une part le moyeu assure la fermeture du flux magnétique des aimants permanents 18 fixés sur sa surface cylindrique et d'autre part la tenue mécanique des différents éléments du rotor. Le moyeu doit être réalisé de façon à supporter des efforts mécaniques importants. En effet dans le cas d'un moteur synchrone, les forces exercées sur les aimants permanents par les champs tournants de stator sont transmises à l'arbre du rotor par le moyeu, sous la forme d'un couple moteur. De la même façon, dans le cas d'un alternateur, un couple résistant s'exerçant sur les aimants permanents et s'opposant à la rotation du rotor est transmis par le moyeu à l'arbre du rotor. Le moyeu doit être conçu et dimensionné afin d'assurer la tenue mécanique de la structure tournante du rotor et supporter des efforts mécaniques importants correspondant à la totalité du couple moteur ou résistant fourni par la machine électrique tournante. Le moyeu doit en plus présenter une faible réluctance aux flux magnétiques des aimants permanents. La frette en matériau métallique ou composite doit être mise avec serrage lors de son montage sur le rotor et doit être suffisamment résistante pour supporter les forces s'exerçant sur les aimants permanents, d'une part par l'inertie due à la rotation du rotor et d'autre part par l'action des champs magnétiques de stator. L'opération de frettage permet d'encapsuler les aimants permanents les protégeant contre la corrosion et assurant leur tenue mécanique à haute vitesse de rotation, (jusqu'à environ 12000 tr/mn), correspondant par exemple dans une réalisation, à une vitesse périphérique 1 o du rotor supérieur à 40 m/s. Pour exécuter cette opération de frettage on utilise par exemple un ruban en fibre de verre/résine qui sera enroulé à chaud en plusieurs couches sur le rotor, encapsulant les aimants permanents et le moyeu. Cette opération représente un coût non négligeable du rotor. Toutes ces contraintes rendent la réalisation du rotor selon l'état de l'art complexe et d'un coût important de fabrication. Afin de palier les inconvénients de l'art antérieur, I'invention propose une machine électrique tournante ayant un rotor interne à aimants permanents, un stator externe et un organe d'entraînement, des aimants permanents étant maintenus entre une culasse intérieure et une frette extérieure, les aimants étant fixés à la frette, caractérisée en ce que la frette est reliée à l'organe d'entraînement par une liaison mécanique rigide capable de transmettre la totalité du couple moteur ou résistant de la machine, la culasse étant reliée à l'organe d'entraînement indirectement par I'intermédiaire de la frette de telle sorte que le couple moteur ou résistant soit transmis entre l'organe d'entraînement et les aimants permanents principalement par la liaison mécanique rigide entre la frette et l'organe d'entraînement. Un premier avantage de cette structure de rotor réside dans le fait que la culasse n'a à assurer qu'une fonction magnétique dans le rotor. Cette fonction magnétique consiste à réaliser la fermeture du flux magnétique des aimants permanents en contact avec sa surface, la transmission du couple moteur ou résistant entre l'organe d'entraînement et les aimants permanents étant principalement assurée par la frette. Cette structure de rotor selon I'invention, d'une part simplifie la réalisation du rotor et d'autre part permet de diminuer la masse de la culasse, réduisant par conséquent son coût de fabrication. Un autre avantage réside dans le fait que la réalisation mécanique de la frette rigide du rotor selon l'invention permet de supprimer une opération de frettage particulièrement longue et délicate nécessaire dans les rotors de l'art antérieur diminuant encore le coût de fabrication du rotor et améliorant sa reproductibilité. Dans les différentes réalisations de la machine tournante selon l'invention, la frette, I'organe d'entraînement et la liaison mécanique sont lo0 constitués par une seule pièce. Dans une première réalisation du rotor, I'organe d'entraînement est un arbre et la liaison mécanique rigide est une paroi plane perpendiculaire à l'arbre, reliant l'arbre à la frette. Dans une autre réalisation du rotor l'organe d'entraînement est constitué par une couronne à la périphérie de la frette, la liaison mécanique rigide étant la frette elle même. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture des descriptions d'exemples de réalisation de rotors selon l'invention utilisés dans différents types de machines tournantes. - les figures 1 a et 1 b, déjà décrites montrent des vues en coupe d'un rotor selon l'art antérieur. - les figures 2a et 2b montrent un rotor selon l'invention, comportant un arbre. - la figure 2c montre une variante du rotor de la figure 2a. - la figure 3 montre un rotor selon l'invention comportant une couronne à la périphérie de la frette. La figure 2a montre une coupe partielle d'un rotor 30 de forme cylindrique selon un axe de révolution YY', utilisé dans un moteur synchrone 31 ayant un stator 32. La figure 2b montre une coupe partielle du moteur 31 selon un plan perpendiculaire à l'axe de révolution YY', (vue selon CC'). Le rotor 30 est maintenu en position axiale dans le stator 32 par un élément tournant 33 appartenant à une autre machine M, I'élément tournant de l'autre machine M étant destiné à être couplé mécaniquement à l'organe d'entraînement du rotor. Une liaison mécanique L1 montre d'une façon schématique la solidarité mécanique existant entre le stator 32 et l'autre machine M, cette liaison mécanique pouvant être constituée par exemple par un bâti ou simplement par le sol. Le rotor 30 comporte une frette 34 de forme cylindrique circulaire selon l'axe de révolution YY' ayant un premier évidement 36 ouvert par une première ouverture 37 à l'une des deux extrémités de la frette rigide, le premier évidement 36 étant suivi d'un second évidement 38 ouvert par une deuxième ouverture 40, du côté du premier évidement 36 et fermé de l'autre côté de ce second évidement 38 par une première paroi plane 42 perpendiculaire à l'axe de révolution YY' du rotor, les deux évidements étant de formes cylindriques circulaires et coaxiaux au même axe de révolution Yy'. Le premier et le second évidemment sont séparés par un décrochement 44 en forme de couronne laissant le passage à un arbre 46, coaxial à l'axe de révolution YY', solidaire de la première paroi plane 42. A l'intérieur de la frette 34, dans le premier évidement 36, des aimants permanents 48 sont maintenus entre une surface intérieure 50 du premier évidement 36 dans la frette 34 et une surface externe 52 d'une culasse 54 de forme tubulaire de section circulaire, coaxiale à l'axe de révolution YY' du rotor. Dans cette réalisation, les aimants permanents 48 sont fixés sur la surface intérieure 50 du premier évidement 36 par collage à des intervalles réguliers d'angle a, tel que représenté à la figure 2b. La culasse 54 est en suite glissée serrée et collée aux aimants permanents 48 et à la frette 34 dans le premier évidemment 36, rendant solidaire la culasse et les aimants permanent dans la frette. Le premier évidement 36 est fermée du côté de la première ouverture 37 par une pièce de fermeture 56 en forme de couronne bloquant latéralement dans le premier évidement les aimants permanents 48 et la culasse 54. L'action des champs magnétiques tournants du stator 32 du moteur 31 produisent des forces sur les aimants permanents 48 qui entraînent solidairement la frette 34 et la culasse 54 en rotation. L'arbre 46 assure la transmission du couple moteur produit essentiellement par les aimants permanents sur la frette 34, à l'élément tournant 33. La première paroi plane 42 constitue la liaison mécanique rigide transmettant la totalité du couple moteur à l'arbre 46. Dans le cas de très grandes vitesses de rotation, la tenue de la culasse collée contre les aimants dans la frette est renforcée par des tiges 58 cylindriques réparties régulièrement sur les bords de la culasse, qui pénètrent parallèlement à l'axe de révolution YY', d'une part dans les bords de la culasse 54 et d'autre part dans le décrochement 44 et dans la pièce de fermeture 58. La culasse est réalisée dans un matériau magnétique de faible réluctance, par exemple soit à partir d'une tôle en acier magnétique roulée et soudée soit à partir d'un alliage de poudres magnétiques. La culasse est en suite usinée afin d'obtenir un état de sa surface externe 52 assurant un bon contact mécanique avec les aimants permanents 48 et une faible réluctance. La figure 2c représente une variante du rotor de la figure 2a. Dans cette variante un rotor 60 d'une machine tournante 62, ayant le stator 32 du moteur 31 de la figure 2a, comporte une frette 66 rigide ayant le premier évidement 36 fermé du côté de la première ouverture 37 par une seconde paroi 68 de sensiblement même forme que la pièce de fermeture 54 du rotor de la figure 2a. Comme dans la réalisation de la frette 34 du rotor de la figure 2a, les aimants permanents 48 sont fixés sur la surface interne du premier évidement 36 de la frette 66 par collage à des intervalles réguliers d'angle a. Une culasse 70, ayant la même fonction que la culasse du rotor de la figure 2a, est réalisée à partir d'une tôle 72 enroulée et collée disposée à l'intérieur du premier évidemment 36. Dans une première étape, la tôle 72 est préenroulée en plusieurs couches ou spires à l'aide d'un outil adapté. Dans cette première étape, la tôle préenroulée se présente sous la forme d'un cylindre de diamètre inférieur au diamètre de la première ouverture 37 pouvant être introduit à travers la première ouverture 37 à l'intérieur de la frette 66, au niveau du premier évidement 36. Dans une deuxième étape et de façon connue, la tôle est déroulée spire par spire à l'aide d'outils appropriés à l'intérieure du premier évidement 36 en la plaquant contre les aimants permanents créant la culasse 70 sous la forme d'un tube cylindrique circulaire comportant plusieurs couches de tôle enroulée. La tôle 72 peut être préencollée puis, après réalisation de la culasse 70 dans la frette, la culasse est polymérisée à chaud pour la rendre rigide. Dans le cas des rotors à grande vitesse de rotation, la fixation mécanique par collage de la culasse 70 dans la frette 66 peut être renforcée par des fixations mécaniques complémentaires de façon connue de l'homme de l'art, par exemple les tiges de renforcement de la réalisation de la figure 2a. Dans les réalisations décrites les aimants permanents 48 peuvent être maintenus en position dans la frette par différentes autres méthodes, par exemple une frette réalisée par moulage peut comporter des encoches longitudinales réalisées sur sa surface intérieure 50 et permettant le montage et le positionnement des aimants permanents dans le premier évidement 36 de la frette rigide. La frette est réalisée en matériau amagnétique présentant une tenue mécanique suffisante pour supporter les contraintes mécaniques liées à la transmission du couple moteur ou résistant par les aimants permanents et les forces d'inertie exercées sur ces aimants aux vitesses de rotation élevées du rotor. Par exemple la frette peut être réalisée soit en acier inoxydable, soit en alliage Nickel/chrome, le premier évidement 36 ainsi que la surface intérieure 50 étant obtenus de façon connue par usinage de la frette. Pour des vitesses de rotation plus faibles la frette peut être réalisée dans un alliage plastique ou composite. Les aimants permanents sont réalisés d'une façon connue soit à base de terres rares comme le Néodyme/fer/bore soit en ferrite. La culasse de forme tubulaire, assurant principalement la fermeture du flux magnétique généré par les aimants permanents, peut être réalisée soit par une tôle roulée sur plusieurs tours, soit par une tôle plus épaisse roulée et soudée sur les bords. La culasse n'ayant plus à transmettre le couple moteur ou résistant est d'une réalisation beaucoup plus simple et moins coûteuse que la réalisation des moyeux des rotors de I'art antérieur. La figure 3 montre une coupe partielle d'une autre réalisation d'un rotor 80 selon l'invention. Le rotor est dans cet exemple utilisé dans un alternateur 82 ayant un stator 84, le rotor étant couplé mécaniquement à un élément tournant 86 d'une turbine 90. L'élément tournant 86 de la turbine tournant autour d'un axe de rotation ZZ' est maintenu en position par rapport au stator selon cet axe par des paliers P fixes solidaires d'un élément fixe 92 de la turbine, le stator 84 étant lui même solidaire de cet élément fixe 92. Une liaison mécanique L2 montre d'une façon schématique la solidarité mécanique existant entre les paliers P et l'élément fixe 92 de la turbine. Le rotor 80 de forme cylindrique selon un axe ZZ' de révolution, comporte une frette 88 ayant le premier évidemment 36 comme dans le cas des précédentes réalisations décrites, I'évidement 36 étant ouvert par la première ouverture 37 à une des deux extrémités de la frette 88, suivi d'un second évidement 94 ouvert du côté du premier évidement 36, par une deuxième ouverture 96 et du côté de l'autre extrémité de la frette 88 par une troisième ouverture circulaire 98, I'élément tournant 86 de la turbine 90 traversant le rotor à travers les première, deuxième et troisième ouvertures de la fretter 88. Comme dans la réalisation de la figure 2a, la frette 88 présente la surface cylindrique intérieure 50 du premier l'évidement 36, les aimants permanents 48 étant maintenus entre la surface intérieure 50 et la surface externe 52 de la culasse 54, coaxiale à l'axe de rotation ZZ' du rotor. Les aimants permanents 48 et la culasse 54 sont maintenus en position longitudinale dans la frette 88, d'une part par la pièce de fermeture 56 de la réalisation de la figure 2a en forme de couronne, fixée du côté de l'ouverture 37 du premier évidemment 36 et d'autre part par le décrochement 44 en forme de couronne, séparant le premier et le second évidement. La frette 88 comporte a sa périphérie, du coté de la troisième ouverture 98, une couronne 100 dans un plan perpendiculaire à l'axe de révolution Z'. La couronne 100 constitue l'organe d'entraînement du rotor, la liaison mécanique rigide entre la couronne et la frette 88 étant la frette elle-même. La couronne 100 comporte des trous 102 taraudés permettant sa fixation à l'aide de boulons 106 sur l'élément tournant 86 de la turbine. La rotation de l'élément tournant 86 selon l'axe ZZ' de révolution entraîne en rotation le rotor 80 selon ce même axe, le couple mécanique exercé par l'élément tournant 86 de la turbine 90 sur la couronne 100 étant transmis aux aimants permanents principalement par la frette 88. Le rotor ne comporte pas dans cette réalisation d'arbre ce qui simplifie sa réalisation diminuant par conséquent son coût. Les réalisations de machines tournantes selon l'invention ne sont lo pas limitatives. Par exemple, I'organe d'entraînement et la liaison mécanique rigide peuvent être adaptés aux différents types d'éléments tournants des machines destinées à être couplée au rotor. Le stator de la machine électrique tournante peut comporter des paliers fixes solidaires du stator maintenant en position le rotor dans le stator, le rotor comportant par exemple un arbre. Dans ce cas, I'élément tournant destiné à être couplé mécaniquement à l'organe d'entraînement de la machine électrique tournante n'a plus à assurer le positionnement du rotor dans le stator. REVENDICATIONS 1. Machine électrique tournante ayant un rotor interne (10,30,60,80) à aimants permanents (18,48), un stator externe (32,84) et un organe d'entraînement (20,46,100), des aimants permanents étant maintenus entre une culasse (54,70) intérieure et une frette (34,66,88) extérieure, les aimants étant fixés à la frette, caractérisée en ce que la frette est reliée à l'organe d'entraînement par une liaison mécanique rigide (42, 88) capable de transmettre la totalité du couple moteur ou résistant de la l0 machine, la culasse (54,70) étant reliée à l'organe d'entraînement indirectement par l'intermédiaire de la frette de telle sorte que le couple moteur ou résistant soit transmis entre l'organe d'entraînement et les aimants permanents principalement par la liaison mécanique rigide entre la frette et l'organe d'entraînement. 2. Machine électrique tournante selon la revendication 1, caractérisée en ce que la frette (34,66,88), I'organe d'entraînement (46,100) et la liaison mécanique rigide (42,88) sont constitués par une seule pièce. 3. Machine électrique tournante selon les revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que l'organe d'entraînement est un arbre (46) et la liaison mécanique rigide est une première paroi (42) plane perpendiculaire à l'arbre (46) reliant l'arbre à la frette (34,66). 4. Machine électrique tournante selon les revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que l'organe d'entraînement est constitué par une couronne (100) à la périphérie de la frette (88), la liaison mécanique rigide étant la frette (88) elle-même. 5. Machine électrique tournante selon la revendication 3, caractérisée en ce que la frette (34) de forme cylindrique circulaire selon un axe de révolution YY' comporte un premier évidement (36) ouvert par une première ouverture (37) à l'une des deux extrémités de la frette (34) rigide, le premier évidement (36) étant suivi d'un second évidement (38) ouvert par une deuxième ouverture (40), du côté du premier évidement (36) et fermé de l'autre côté de ce second évidement (38) par la première paroi plane (42) perpendiculaire à l'axe de révolution (YY') du rotor, les premier et second évidements étant de formes cylindriques circulaires et coaxiaux au même axe de révolution (YY'), le premier et le second évidemment étant séparés par un décrochement (44) en forme de couronne laissant le passage à un arbre (46), coaxial à l'axe de révolution (YY'), solidaire de la première paroi plane (42) et en ce que les aimants permanents (48) sont maintenus entre une surface intérieure (50) du premier évidement (36) dans la frette (34) et une surface externe (52) cylindrique de la culasse (54) la frette étant fermée 0 du côté de la première ouverture (36) par une pièce de fermeture (56) en forme de couronne. 6. Machine électrique tournante selon la revendication 5 caractérisée en ce que la culasse (54,70) est de forme tubulaire de section circulaire coaxiale à l'axe de révolution (YY'). 7. Machine électrique tournante selon les revendications 5 ou 6, caractérisée en ce que des tiges (58) cylindriques réparties régulièrement sur les bords de la culasse (54,70) pénètrent parallèlement à l'axe de révolution (YY'), d'une part dans les bords de la culasse et d'autre part dans le décrochement (44) et dans la pièce de fermeture (56). 8. Machine électrique tournante selon la revendication 4, caractérisée en ce que la frette (88) comporte un premier évidemment (36) ouvert par une première ouverture (37) à une des deux extrémités de la frette (88), suivi d'un second évidement (94) ouvert du côté du premier évidement (36), par une deuxième ouverture (96) et du côté de l'autre extrémité de la frette (82) par une troisième ouverture circulaire (98), la frette (88) comportant à sa périphérie, du coté de la troisième ouverture (98), une couronne (100) dans un plan perpendiculaire à l'axe de révolution YY', la couronne (100) constituant l'organe d'entraînement du rotor, la liaison mécanique rigide entre la couronne et la frette étant la frette (88) elle-même. 9. Machine électrique tournante selon la revendication 8, caractérisée en ce que la couronne (100) comporte des trous (102) taraudés permettant sa fixation à l'aide de boulons (106) sur l'élément tournant (86). 10. Machine électrique tournante selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisée en ce que la culasse (54,70) peut être réalisée soit par une tôle (72) roulée sur plusieurs tours, soit par une tôle plus épaisse roulée et soudée sur les bords, soit à partir d'un alliage de poudres magnétiques. 11.Machine électrique tournante selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisée en ce que la frette (34,66,88) est réalisée dans un matériau amagnétique choisi parmi soit l'acier inoxydable, soit un alliage Nickel/chrome, soit un alliage plastique ou composite. 12.Machine électrique tournante selon l'une des revendications 1 à 11, caractérisée en ce que le stator comporte des paliers (P) fixes solidaires du stator maintenant en position le rotor dans le stator.