Brevet FR2815788A1 — publié le 20020426

Moteur électrique à isolation acoustique. La présente invention se rapporte à un moteur électrique à isolation acoustique, notamment un moteur électrique du type à rotor extérieur entourant le stator. Les moteurs électriques sont réputés pour leur couple important et leur rendement énergétique de valeur élevée. Il en est ainsi du moteur électrique à rotor extérieur entourant le stator dont la valeur du rendement dépasse la moyenne. Pour cette raison, mais aussi pour son moindre encombrement et son caractère non polluant, il est préféré dans le domaine des transports et notamment celui des transports collectifs urbains. Pour cette raison supplémentaire, les constructeurs de bus, de tramways et d'autres véhicules de transport en commun susceptibles de fonctionner à l'énergie électrique, seront tentés d'équiper ces véhicules de ce type de moteurs électriques à rotor extérieur. Malheureusement, ses hautes performances et qualités sont entachées d'un défaut sensible en matière de transport. Il s'agit de son bruit de fonctionnement aux vitesses d'exploitation. Ce bruit représente une pollution sonore. Il est jugé excessif pour une utilisation en environnement urbain. L'invention a donc pour but de réduire sensiblement le bruit de fonctionnement de ces moteurs électriques aux vitesses d'exploitation par une solution efficace, techniquement simple et facile à mettre en oeuvre. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront dans la description qui suit, donnée à titre d'exemple et accompagnée des dessins qui représentent : . la figure 1 : une vue d'ensemble en perspective d'un moteur électrique à rotor extérieur au stator avec partie sectionnée montrant sa composition interne selon une première variante, . la figure 2 : une vue d'ensemble en perspective d'un moteur électrique à rotor extérieur au stator avec partie sectionnée montrant sa composition interne selon une deuxième variante, . la figure 3 : une vue en demi coupe axiale au niveau de la partie supérieure montrant un système d'immobilisation des coussinets d'isolation acoustique autour du rotor, . les figures 4 et 5 : des vues schématiques partielles en demi coupe axiale de deux variantes de construction de rotors avec isolation intégrée respectivement à tronçons juxtaposés et à structure lamellaire, . la figure 6 : une vue en coupe longitudinale du moteur électrique selon une variante à isolation par enroulement d'un feuillard métallique ou de feuilles métalliques superposées. En vue de réaliser une atténuation acoustique efficace du bruit de fonctionnement d'un moteur électrique et notamment d'un moteur électrique à rotor extérieur entourant le stator, la solution générale inventive selon la présente invention consiste à déplacer la fréquence propre de résonance de l'ensemble mécanique tout en dégradant sur la plage critique des fréquences audibles l'énergie mécanique par des microdéplacements de friction et ceci dans une structure périphérique extérieure entourant le rotor de transformation de l'énergie mécanique acoustique en chaleur. A cet effet, on entoure le corps du rotor extérieur par une structure de transformation de l'énergie mécanique des vibrations en chaleur constituant une isolation acoustique pour le bruit propre du moteur dans la bande des fréquences audibles. Cette isolation acoustique périphérique est une barrière périmétrique appelée ci-après bouclier périphérique sous la forme par exemple d'une jaquette, d'un matelas ou plus généralement d'une structure continue ou discontinue, simple ou composite entourant la surface latérale extérieure du rotor. Ce bouclier peut comporter par exemple des coussins individuels d'isolation acoustique juxtaposés recouverts d'une enveloppe métallique composite d'immobilisation, de protection, de compression et d'évacuation de la chaleur vers l'extérieur. Le moteur électrique isolé acoustiquement selon l'invention est de préférence un moteur électrique à rotor extérieur au stator et à aimants permanents ou à excitation. Le moteur électrique de ce type représenté sur les figures se compose des principaux organes et éléments suivants. Un stator 1 est formé d'un corps central 2. Il s'agit d'un corps creux traversé par des canaux de refroidissement tels que 3. La partie centrale de ce corps est entourée d'une structure périphérique creuse de bobinage 4 présentant des canaux axiaux de bobinage 5 du stator 1 séparés par des pièces longitudinales profilées en T délimitant entre elles à leur partie supérieure des fentes longitudinales 6. Autour de ce corps central 2 se développe un rotor 7 monté sur roulements (non représentés) constitué d'une succession de blocs d'aimants permanents tels que 8 et 9 d'aimantation alternativement opposée, collés à un bloc mécanique métallique périphérique tubulaire 10, massique, fractionné ou lamellaire formant avec les aimants 8 et 9 le corps du rotor 7. Les blocs d'aimants permanents 8 et 9 s'étendent longitudinalement et sont isolés par des séparateurs intercalaires longitudinaux non magnétiques 11. L'ensemble est entouré d'un bouclier périphérique d'isolation acoustique 12 apportant l'insonorisation souhaitée par dégradation de l'énergie mécanique acoustique en chaleur. Ce bouclier d'isolation acoustique 12 est maintenu et protégé par une enveloppe extérieure 13 métallique composite formée de plusieurs pièces dont des bandes latérales de tôle maintenues par des cerclages ou ceinturages extérieurs. Ce bouclier peut être formé par exemple de bandes 14 ou de rangées de blocs 14 d'isolation acoustique montées chacune entre d'une part des segments annulaires de maintien et de compression 15 en bande métallique et d'autre part la surface latérale extérieure 16 du rotor 7 comme le montrent les figures. On décrira maintenant la composition des diverses structures de dégradation de l'énergie des vibrations mécaniques données à titre d'exemples non limitatifs. Il s'agit de structures ou de matériaux permettant la dégradation par friction de la majorité de l'énergie acoustique en chaleur, notamment celle située dans la bande des fréquences audibles. On envisage d'une part des structures lamellaires constituées d'une pluralité de lames ou de feuilles superposées. Ces lames ou feuilles sont animées de microdéplacements dus aux vibrations acoustiques qui se transmettent jusqu'à elles. Les microdéplacements engendrent des frictions à sec car ces structures sont superposées à plat. On envisage d'autre part un matériau conformé par compression de précontrainte en bandes épaisses, en paquets, en blocs, en coussins ou coussinets ou autre forme physique à face frontale plane ou aplatie. Le matériau d'isolation acoustique consiste en une masse de fils, filaments, brins, fibres, lanières, rubans, bandelettes, pailles ou autres conformations plates ou filiformes métalliques, à l'état enchevêtré en contact mutuel de surface permettant aux vibrations acoustiques d'engendrer des microdéplacements de friction en vue de dégrader l'énergie acoustique en la transformant en chaleur. Comme on le verra ci-après, les paquets, blocs ou bandes 14 sont comprimés initialement puis disposés uniformément pour couvrir la totalité de la surface latérale extérieure du rotor réalisant ainsi le bouclier 12 d'isolation acoustique. Ces paquets, blocs ou bandes 14 sont également comprimés contre la surface latérale du rotor par l'enveloppe extérieure composite 13 convenablement ajustée afin d'augmenter la force de friction par laquelle l'énergie mécanique acoustique est dégradée en chaleur. On envisage également l'utilisation de la friction visqueuse en adoptant des matières ou matériaux résilients pour réaliser la dégradation de l'énergie acoustique. Les formes et la compression seront telles qu'elles favoriseront les effets de friction résiliente à l'intérieur du matériau constitué de ces matières. La base mécanique du rotor est un corps cylindrique d'une pièce ou fractionnée en plusieurs pièces composantes dont la surface latérale intérieure est garnie des aimants permanents 8 et 9 et sur la surface latérale extérieure 16 de laquelle est rapporté le bouclier périphérique d'isolation acoustique 12. On décrira tout d'abord les exemples de réalisation dans lesquels on utilise un matériau d'isolation acoustique conformé en blocs, en paquets, en coussins ou coussinets ou en bandes ou autres formes adaptées référencées globalement 14. Ces variantes sont illustrées par les figures 1 à 5. On comprime le matériau d'isolation acoustique décrit ci-dessus en paquets, blocs ou autres formes adaptées 14 en vue de les appliquer contre la surface latérale extérieure 16 de la base mécanique du rotor pour obtenir l'isolation acoustique désirée. Les formes adaptées 14 selon lesquelles est conditionné le matériau d'isolation sont posées à plat sur cette surface latérale extérieure 16 puis forcées en appui et pressées contre elle par des moyens d'immobilisation et de maintien qui assurent en plus une fonction de protection et de dissipation thermique. Les formes adaptées 14 sont disposées en successions linéaires longitudinales et latérales délimitant ainsi des portions annulaires de garnissage périphérique. Ces portions annulaires sont plaquées contre la surface latérale 16 du rotor et recouvertes par les segments annulaires 15 de feuille de tôle immobilisés par des anneaux de maintien tels que 17 ou pièces de cerclage (figures 1 et 2) ajustés pour procurer l'effet de pression nécessaire et de retenue pendant l'utilisation du moteur. Ces anneaux de maintien ou pièces de cerclage 17 présentent selon le cas une prolongation radiale de cloisonnement réalisant la séparation entre deux portions annulaires de garnissage périphérique et les pièces du rotor et éventuellement les aimants comme on s le verra ci-après. Les extrémités du bouclier 12 sont recouvertes par des anneaux de maintien de chant 18 sous la forme d'un flan annulaire d'extrémité 19 pour former une protection latérale et assurer un maintien latéral. Des tirants 20 assurent le maintien latéral des pièces constitutives du rotor 7 et de celles de l'enveloppe extérieure composite 13 ainsi que la fixation des flasques tels que 21 des turbines de ventilation fermant latéralement le bloc mécanique du moteur électrique. On peut envisager une version selon laquelle le corps tubulaire 10 formant la base mécanique du rotor 7 est constitué de segments ou tronçons tubulaires 22 de même longueur que la largeur des garnitures annulaires d'isolation acoustiques (figure 4). Selon cette variante, les anneaux de maintien ou pièces de cerclage 17 s'étendent vers le bas par des prolongations radiales de séparation et de cloisonnement 23 formant rondelles afin d'assurer la séparation de cloisonnement des blocs de matériau d'isolation acoustique 14 et le cas échéant se prolongent encore plus bas pour constituer également une séparation entre les tronçons tubulaires 22. Cet agencement permet un montage par empilement avec serrage par les tirants 20. Ce même type de montage et d'arrangement se retrouve dans le cas d'une base mécanique du rotor sous la forme d'une structure lamellaire 24 formée d'un empilement de flans 25 de tôle conformés en rondelles tel que représenté sur la figure 5. On remarque sur cette figure que les prolongations radiales de séparation 23 des anneaux de maintien ou pièces de cerclage 17 se poursuivent à travers la structure lamellaire 24 du rotor permettant d'individualiser des groupes successifs comprimés par serrage à l'aide des tirants 20. Cette conformation de structure est également visible sur la figure 1 montrant cet empilement qui forme un bloc de structure lamellaire 24 constituant un nouveau type de rotor. Selon une variante simplifiée et de construction améliorée, les prolongations 23 des anneaux de maintien ou pièces de cerclage 17 s'étendent moins profondément dans le sens radial et ne comportent qu'une amorce de prolongation. Cet aménagement présente l'avantage de pouvoir habiller le rotor extérieur sans le modifier. Pour une telle variante représentée sur la figure 3, les segments annulaires de maintien et de couverture de l'enveloppe extérieure 13 sont simplement juxtaposés. Chaque segment annulaire courant 26 de couverture de l'enveloppe extérieure 13 présente une forme générale annulaire de section en T dont les bords longitudinaux latéraux 27 et 28 sont relevés pour faciliter l'introduction latérale des blocs 14 d'isolation acoustique. Les segments d'extrémité 29 et 30 présentent un épaulement 31 et un retour 32 vers le bas permettant d'habiller les chants supérieurs du bloc moteur et d'assurer la fermeture latérale de la structure d'isolation acoustique. La branche verticale de la forme de section en T limitée à sa longueur minimale assure la séparation latérale entre les rangées de blocs ou les bandes 14 de matériau d'isolation acoustique sur la surface latérale extérieure 16 du rotor 7. Elle assure aussi la compression latérale permanente des blocs ou bandes 14 par serrage latéral à l'aide des tirants 20. Cette structure et cet agencement permettent un montage rapide et simple du rotor et de son isolation acoustique intégrée. Le montage s'effectue en enfilant latéralement successivement et alternativement un à un les tronçons tubulaires ou les groupes de flans annulaires et les rangées ou bandes de matériau d'isolation acoustique puis en les poussant latéralement à chaque fois par le prochain tronçon tubulaire 22 ou groupe de flans 25 arrivant jusqu'à la mise en place de tous les éléments constitutifs et donc la transformation des vibrations mécaniques sonores en chaleur. Le diamètre de ces tronçons tubulaires 22 par rapport à celui de la surface latérale extérieure 16 du rotor est choisi pour assurer une certaine compression permanente des blocs 14 d'isolation acoustique en vue d'améliorer l'effet de friction des fils ou rubans constitutifs du matériau d'isolation. Les segments annulaires 15 ou 26 de couverture de l'enveloppe extérieure 13 sont métalliques pour assurer une protection mécanique, mais aussi pour évacuer la chaleur vers l'extérieur. Il faut bien remarquer que dans les agencements décrits ci-dessus, de nombreuses pièces ne sont pas solidarisées entre elles mais simplement serrées. Dans ces conditions, des microdéplacements relatifs de friction sont possibles ce qui augmente encore la transformation de l'énergie acoustique en chaleur. Selon une autre variante représentée sur la figure 6, le corps du rotor présente une surface latérale extérieure 16 conformée en plage annulaire en retrait destinée à servir de cavité de réception pour une structure d'isolation acoustique 33 par exemple lamellaire et métallique. La structure lamellaire métallique 33 peut être constituée, comme représenté, d'un enroulement de plusieurs tours d'un feuillard métallique 34 dont les spires sont jointives. Ces spires subissent ainsi des microdéplacements entre elles pour la dégradation de l'énergie mécanique acoustique en chaleur. La structure lamellaire et métallique d'isolation acoustique 33 peut aussi bien être formée de plusieurs feuilles ou lames métalliques 35 distinctes et superposées subissant aussi des microdéplacements entre elles. Le feuillard, les feuilles ou les lames sont maintenus par plusieurs liens périphériques 36 de préférence plats par exemple des sangles, des ceintures, des bandes de cerclage ou tout autre moyen équivalent. REVENDICATIONS 1. Moteur électrique insonorisé du type à rotor extérieur (7) au stator (1) caractérisé en ce que la surface latérale extérieure (16) de l'ensemble mécanique du rotor (7) est entourée d'un bouclier périphérique (12) d'isolation acoustique recouvert d'une enveloppe métallique composite extérieure de protection (13), bouclier (12) formé d'une jaquette ou d'un matelas d'un matériau ou d'une structure dégradant en coopération avec les autres pièces du rotor non solidarisées entre elles l'énergie mécanique acoustique en chaleur au moins dans la bande des fréquences audibles en la transformant par friction en chaleur évacuée à l'extérieur par l'enveloppe composite métallique extérieure de protection (13) entourant le bouclier (12) en vue de son maintien, de sa protection, de sa compression et de l'évacuation de la chaleur. 2. Moteur électrique selon la revendication 1 caractérisé en ce que la transformation de l'énergie mécanique acoustique en chaleur s'effectue par des frottements de friction consécutifs à des microdéplacements au sein du matériau ou de la structure d'isolation acoustique. 3. Moteur électrique selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce que la friction est une friction sèche. 4. Moteur électrique selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce que la friction est une friction visqueuse. 5. Moteur électrique selon la revendication précédente caractérisée en ce que le composant du matériau d'isolation acoustique est une matière résiliente sous une forme physique permettant la friction par contact mutuel. 6. Moteur électrique selon l'une quelconque des revendications précédentes de 1 à 3 caractérisé en ce que le bouclier d'isolation acoustique (12) est un matelas formé par la juxtaposition de paquets, de blocs, de coussins, de coussinets, de bandes épaisses (14) d'un matériau d'isolation acoustique. 7. Moteur électrique selon la revendication précédente caractérisé en ce que le matériau d'isolation acoustique est formé à partir de pailles, de fibres, de fils, de filaments, de lanières, de rubans ou de bandelettes métalliques ou toute autre forme plate ou aplatie, l'une ou l'autre de ces formes physiques du métal étant enchevêtrées et comprimées puis conformées en blocs ou en bandes épaisses (14). 8. Moteur électrique selon les revendications précédentes 6 ou 7 caractérisé en ce que les blocs sont recouverts d'une enveloppe métallique extérieure (13) composite de maintien, de protection et d'évacuation de la chaleur formée de segments annulaires de tôle montés à chaque fois entre deux anneaux de maintien ou pièces de cerclage (17). 9. Moteur électrique selon la revendication précédente caractérisé en ce que l'enveloppe métallique extérieure (13) est fractionnée en plusieurs segments annulaires (15) ou (26) simplement juxtaposés et maintenus par serrage par les pièces de cerclage (17). 10. Moteur électrique selon la revendication précédente caractérisé en ce que les pièces de cerclage (17) se poursuivent vers le bas par des prolongations radiales de cloisonnement. 11. Moteur électrique selon la revendication précédente caractérisé en ce que le rotor (7) est constitué par un empilement de flans (25) annulaires de tôle fractionné en groupes par les prolongations radiales de cloisonnement (23) des anneaux de cerclage (17). 12. Moteur électrique selon la revendication 10 caractérisé en ce que le rotor (7) est constitué par une succession latérale de tronçons ou de segments tubulaires (22). 13. Moteur électrique selon la revendication précédente caractérisé en ce que le rotor (7) est constitué par une succession latérale de tronçons ou de segments tubulaires (22) séparés par les prolongations radiales de cloisonnement (23) des anneaux de cerclage (17). 14. Moteur électrique selon la revendication 9 caractérisé en ce que les bords longitudinaux des segments annulaires (15) ou (26) de couverture de l'enveloppe extérieure (13) sont relevés. 15. Moteur électrique selon la revendication 9 caractérisé en ce que les segments annulaires (15) ou (26) de couverture de l'enveloppe extérieure (13) présentent une forme de section en T dont la branche verticale sert de séparateur entre les blocs, les paquets ou les bandes ou autre forme (14) de conditionnement du matériau d'isolation acoustique. 16. Moteur électrique selon l'une des revendications précédentes 1 ou 2 caractérisé en ce que le bouclier périphérique d'isolation acoustique (12) est une structure lamellaire métallique (33) entourant le rotor (7). 17. Moteur électrique selon la revendication précédente caractérisé en ce que la structure lamellaire métallique (33) est constituée d'un enroulement de plusieurs tours d'un feuillard (34) dont les spires sont jointives. 18. Moteur électrique selon la revendication 16 caractérisé en ce que l'enroulement est formé de plusieurs feuilles ou lames métalliques (35) distinctes et superposées. 19. Moteur électrique selon l'une quelconque des revendications précédentes de 16 à 18 caractérisé en ce que le feuillard, les feuilles ou les lames (35) sont maintenus par plusieurs liens périphériques (36). 20. Moteur électrique selon la revendication précédente caractérisé en ce que les liens périphériques (36) sont des liens plats du type bandes de cerclage, sangles, ceintures ou analogues.