Brevet FR2860656A1 — publié le 20050408

Enceinte pour rotor constituée d'anneaux composites La présente invention concerne les générateurs, et plus particulièrement une enceinte pour un rotor de générateur. Dans un générateur conventionnel comportant un rotor et un stator, le rotor est muni d'enroulements inducteurs qui excitent le générateur lorsqu'ils reçoivent un courant d'une source de courant d'excitation. Le stator est muni de bobines d'induit par lesquelles sort du courant électrique. Une structure de rotor typique nécessite l'assemblage d'un enroulement inducteur, barreau par barreau, dans des fentes radiales usinées dans une pièce de rotor forgée. Le maintien des enroulements inducteurs du rotor est typiquement réalisé en utilisant des coins de rotor, des dents de rotor et des bagues de retenue. Dans le brevet US 6 239 527, une enceinte pour un rotor de générateur est décrite, laquelle est faite d'un tube non magnétique, et de préférence enroulé en filament. Ce brevet divulgue le fait que l'enceinte peut avoir la forme d'un tube continu ou d'une pluralité d'anneaux, de préférence de forme légèrement ovale. Dans le brevet US 6 291 919, une enceinte blindée métallique est placée entre l'enceinte non magnétique et les assemblages d'enroulement sur le rotor. L'enceinte blindée est faite d'un matériau électriquement conducteur comme de l'aluminium et est conçue pour apporter une protection électromagnétique appropriée à l'enroulement inducteur du rotor, avec un bon contact électrique avec les pôles du noyau magnétique, tout en apportant aussi une rigidité axiale à la structure de l'enroulement. Cependant, l'insertion radiale d'un blindage métallique entre l'enceinte composite et l'enroulement inducteur, telle que décrite dans le brevet 6 291 919, n'est pas une solution satisfaisante eu égard par exemple aux problèmes structurels et de fabrication se rapportant à la concentration des contraintes. Dans le brevet US 6 495 942, l'enceinte de rotor est de préférence faite d'un matériau composite basse densité, tel qu'un matériau composite fibre de carbone-fibre de verre. Les stratifiés composites graphite-époxyde ont une résistance spécifique (rapport résistance/masse volumique) significative, par rapport aux 2860656 2 matériaux métalliques. Toutefois, les stratifiés à base de graphite ont une faible résistance au cisaillement interlaminaire (résistance au délaminage) et la résistance à la traction dans le plan du composite est très sensible aux dégâts de surface qui coupent les fibres. L'utilisation de stratifiés à base de graphite comme composants structurels dans un champ de contrainte rotatif (comme une enceinte structurelle de rotor) est technologiquement problématique. En outre, lorsqu'un composite à base de graphite (fibres de carbone) présente une interface avec un composant métallique conducteur, comme un alliage d'aluminium, on peut s'attendre à l'apparition d'interactions galvaniques et d'une corrosion résultante. Dans un mode de réalisation exemplaire de la présente invention, l'enceinte structurelle de rotor, ayant de préférence une configuration à plusieurs anneaux, est construite sous la forme d'un composite à plusieurs couches. Généralement, les anneaux sont constitués de deux, trous couches ou davantage (jusqu'à cinq) couches choisies parmi des stratifiés de fibres de graphite (carbone), des couches métalliques et des couches de fibres de verre. Dans la description détaillée donnée plus loin, différentes combinaisons de couches sont décrites, qui sont dans la portée de l'invention. La longueur et la disposition des anneaux d'enceinte pour des applications particulières peuvent varier. Par exemple, on peut placer une pluralité d'anneaux relativement courts entre une paire d'anneaux ou de portions de tube plus longs/longues. Dans une variante de cet agencement, les anneaux de la section centrale peuvent également avoir différentes épaisseurs et longueurs axiales. Dans un autre mode de réalisation, l'enceinte peut être constituée d'une pluralité d'anneaux de taille uniforme ou non uniforme avec différents agencements de couches le long de la longueur axiale de l'enceinte. Il est possible de fabriquer différentes zones ou couches séparément, puis de les assembler ou de les coller entre elles, mais les anneaux peuvent aussi être enroulés de manière commune avec les couches du noyau s'ils sont enroulés en filament ou en étoupe. En conséquence, dans un mode de réalisation exemplaire, la présente invention se rapporte à une enceinte pour rotor dans un générateur comprenant le rotor, des enroulements de rotor et un stator, l'enceinte comprenant une 2860656 3 pluralité d'anneaux composites adjacents les uns des autres le long d'une dimension de longueur du rotor afin de contenir les enroulements de rotor sur le rotor, les anneaux comprenant chacun au moins deux couches choisies dans le groupe constitué essentiellement des métaux, des stratifiés à base de fibres de verre et des stratifiés à base de fibres de graphite. Les anneaux peuvent être espacés à des intervalles prédéterminés, de préférence axialement. Dans un autre aspect, la présente invention concerne une enceinte de rotor dans un générateur comprenant le rotor, des enroulements de rotor et un stator, l'enceinte comprenant une pluralité d'anneaux composites adjacents les uns des autres le long d'une dimension de longueur du rotor afin de contenir les enroulements de rotor sur le rotor, les anneaux comprenant chacun au moins trois couches choisies dans le groupe constitué essentiellement des stratifiés à base de métaux, de fibres de verre et de fibres de graphite, la pluralité d'anneaux comprenant une pluralité d'anneaux axialement courts situés entre une paire d'anneaux axialement longs, et où en outre, le diamètre des anneaux axialement courts varie dans des directions opposées vers un anneau central ayant le plus petit diamètre, et ces anneaux courts ont des compositions différentes de celles des anneaux axialement longs. Dans un autre aspect encore, l'invention concerne une enceinte de rotor dans un générateur comprenant le rotor, des enroulements de rotor et un stator, l'enceinte comprenant une pluralité d'anneaux composites adjacents les uns des autres le long d'une dimension de longueur du rotor afin de contenir les enroulements de rotor sur le rotor, les anneaux comprenant chacun deux couches incluant une couche métallique radialement intérieure et une couche radialement extérieure en stratifiés de fibres de graphite, la pluralité d'anneaux comprenant une pluralité d'anneaux axialement courts situés entre une paire d'anneaux axialement longs, le diamètre des anneaux axialement courts diminuant dans des directions opposées vers un anneau central ayant le plus petit diamètre. La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui suit, en se référant aux dessins annexés, dans lesquels: 2860656 4 la figure 1 est une vue en perspective éclatée d'un assemblage d'enroulements et d'un rotor de générateur ainsi que d'une enceinte formée par une pluralité d'anneaux d'enceinte ayant un diamètre uniforme; la figure 2 est une vue en coupe partielle prise selon la ligne 2-2 de la 5 figure 1; la figure 3 est une vue en coupe partielle d'une enceinte formée par une pluralité d'anneaux ayant un diamètre et/ou une longueur axiale non uniforme, avec différentes compositions le long de la longueur de l'enceinte, selon un autre mode de réalisation exemplaire de l'invention; la figure 4 est une vue en coupe partielle d'une pluralité d'anneaux d'enceinte selon encore un autre mode de réalisation exemplaire de l'invention; la figure 5 est une vue en coupe partielle d'une pluralité d'anneaux d'enceinte illustrant diverses autres combinaisons possibles de couches de 15 matériaux pour les anneaux d'enceinte; et la figure 6 est une vue similaire à la figure 5, mais représentant d'autres agencements possibles pour les couches des anneaux d'enceinte. En se référant à la figure 1, un rotor 10 de générateur comprend un noyau magnétique 12 à plusieurs pôles (un noyau à deux pôles est représenté ici) et une pluralité d'assemblages d'enroulements 14, assemblés par dessus les pôles respectifs 16, 18. La construction du noyau magnétique 12 et des assemblages d'enroulements 14 est connue, et il n'est pas nécessaire d'en donner plus de détails. Après l'assemblage des assemblages d'enroulements 14 sur le forgeage 25 à faces parallèles du noyau magnétique 12 à deux pôles, une enceinte 20 est montée de manière télescopique sur l'assemblage. Dans le mode de réalisation montré sur les figures 1 et 2, l'enceinte 20 est une structure tubulaire constituée d'une pluralité d'anneaux discrets. Dans le mode de réalisation exemplaire montré, on emploie des anneaux de même diamètre mais ayant deux longueurs axiales différentes. Des anneaux relativement plus longs 22 sont placés aux extrémités opposées de l'enceinte 20, avec une pluralité d'anneaux courts 24 placés axialement entre les anneaux 22. Généralement, les anneaux sont en composite multicouche, avec de deux à cinq couches discrètes choisies dans le groupe comprenant les métaux, les 2860656 5 stratifiés à base de fibres de verre et les stratifiés à base de fibres de graphite (carbone). La ou les couche(s) métallique(s) peut/peuvent être composée(s) d'un métal électriquement conducteur tel que l'aluminium. Dans la présente description, le terme couche intermédiaire ou radialement intermédiaire se rapporte à toute couche qui n'est pas la couche radialement la plus intérieure ou la plus extérieure. La figure 2 illustre la composition des anneaux 22, 24. Chacun des anneaux de ce mode de réalisation exemplaire comporte cinq couches. De façon plus spécifique, la couche radialement la plus intérieure 26 est composée d'un matériau métallique. Au-dessus de la couche métallique 26 se trouve une couche stratifiée de fibres de verre 28. La couche intermédiaire médiane ou centrale 30 se compose de stratifiés de fibres de graphite (carbone). Les couches radialement extérieures comprennent une couche stratifiée de fibres de verre 32, voisine de la couche médiane, et une couche métallique radialement la plus extérieure 34. Ainsi, la couche médiane 30 sert de zone centrale qui isole les couches extérieures 32, 34 des couches intérieures 26, 28 et qui apporte la majeure partie de la résistance et de la rigidité circonférentielles. La même composition multicouche est utilisée dans chacun des anneaux 22, 24 le long de la longueur de l'enceinte 18. Dans un autre mode de réalisation exemplaire illustré en figure 3, l'enceinte 36 est également constituée d'une paire d'anneaux axialement longs 38 situés de part et d'autre d'une pluralité d'anneaux axialement courts placés centralement 40, 42, 44 et dont le diamètre diminue de façon uniforme vers un anneau central de plus petit diamètre 46. Dans cet agencement, les anneaux ont une structure à deux couches, où la couche radialement extérieure 48 de chaque anneau est constituée des stratifiés de fibres de graphite (carbone) et la couche radialement intérieure 50 est en métal. La figure 4 illustre encore une autre enceinte 52, qui est similaire en apparence extérieure à celle montré en figure 3, mais ici la'composition des anneaux longs 54 aux extrémités opposées respectives de l'enceinte 52 diffère de la composition des anneaux courts 56, 58, 60 et 62 présents dans la partie centrale de l'enceinte, respectivement. De façon plus spécifique, les deux anneaux extérieurs ou d'extrémité 54 sont constitués chacun d'une couche radialement extérieure 64 en stratifiés de fibres de graphite (carbone), d'une 2860656 6 couche intermédiaire 66 en stratifié de fibres de verre, et d'une couche radialement intérieure 68 en métal. Les anneaux courts 56 à 62 de la partie centrale de l'enceinte comprennent chacun des couches radialement intérieures et extérieures 70, 72 en stratifié de fibres de verre qui prennent en sandwich une couche intermédiaire 74 en stratifiés de fibres de graphite (carbone). La figure 5 illustre une pluralité d'anneaux d'enceinte ayant différentes compositions et différents diamètres, et est simplement destinée à illustrer la grande variété de combinaisons de couches qui peuvent constituer les anneaux individuels discrets de l'enceinte, autrement dit la figure 5 ne montre pas les anneaux d'une seule enceinte. Typiquement, les compositions et les diamètres ne diffèrent qu'entre les anneaux d'extrémité ou extérieurs et les anneaux de la partie centrale de l'enceinte, comme montré sur les figures 2 à 4. De gauche à droite, sur la figure 5, l'anneau 76 est constitué d'une couche intermédiaire 78 en stratifiés de fibres de graphite (carbone), tandis que les couches radialement intérieure et extérieure 80 et 82 sont en métal. L'anneau 84 présente une structure à deux couches incluant une couche radialement intérieure 86 en stratifiés de fibres de graphite (carbone) et une couche radialement extérieure en métal 88. L'anneau 90 présente une structure à trois couches qui comporte une couche radialement intérieure 92 en stratifiés de fibres de graphite (carbone), une couche intermédiaire 94 en stratifié de fibres de verre, et une couche radialement extérieure 96 en métal. L'anneau 98 présente une structure à trois couches qui comporte une couche radialement intérieure 100 en fibres de verre, une couche intermédiaire 102 en stratifiés de fibres de graphite (carbone), et une couche extérieure 104 en stratifié de fibres de verre. L'anneau 106 présente une structure à deux couches incluant une couche radialement intérieure 108 en stratifié de fibres de verre et une couche radialement extérieure 110 en stratifiés de fibres de graphite (carbone). L'anneau 111 présente une structure à deux couches incluant une couche radialement intérieure 112 en stratifiés de fibres de graphite (carbone) et une couche radialement extérieure 113 en stratifié de fibres de verre. D'autres compositions d'anneaux possibles sont montrées en figure 6. L'anneau 114 présente une structure à quatre couches qui comporte une couche 2860656 7 radialement intérieure 116 en métal, une couche 118 en stratifié de fibres de verre, une couche 120 en stratifiés de fibres de graphite (carbone), et une couche radialement extérieure 122 en fibres de verre. L'anneau 124 présente une structure à quatre couches similaire à celle de l'anneau 114 à l'exception du fait que la couche radialement extérieure 122 en stratifié de fibres de verre a été remplacée par une couche métallique 126. L'anneau 128 comporte aussi quatre couches, avec une couche radialement intérieure 130 en stratifié de fibres de verre, une couche radialement adjacente 132 en stratifié de fibres de graphite (carbone), une autre couche de fibres de verre 134 et une couche radialement extérieure 136 en métal. L'anneau 138 présente une structure similaire à celle de l'anneau 128, à l'exception du fait que la couche radialement intérieure 130 en stratifié de fibres de verre a été remplacée par une couche métallique 140. L'anneau 142 présente une structure à trois couches incluant une couche radialement intérieure 144 en stratifié de fibres de verre, une couche intermédiaire 146 en stratifiés de fibres de graphite (carbone) et une couche radialement extérieure 148 en métal. L'anneau 150 présente également une structure à trois couches, similaire à celle de l'anneau 142 mais dans laquelle les couches radialement intérieure et extérieure ont été inversées, de sorte que l'anneau 150 comporte une couche radialement intérieure 152 en métal, une couche intermédiaire 154 en stratifiés de fibres de graphite (carbone) et une couche radialement extérieure 156 en stratifié de fibres de verre. Pour la plupart des applications, la composition des anneaux discrets pour une enceinte donnée est partout uniforme mais, comme déjà noté en référence à la figure 4, les compositions des anneaux courts dans la partie médiane de l'enceinte peuvent différer de celles des anneaux longs aux extrémités opposées de l'enceinte. Néanmoins, de nombreuses combinaisons des trois types essentiels de couches peuvent être utilisées comme décrit plus haut par rapport aux figures 5 et 6. REVENDICATIONS 1. Enceinte (20) pour rotor dans un générateur comprenant le rotor (10), des enroulements de rotor (14) et un stator, l'enceinte (20) étant caractérisée en ce qu'elle comprend une pluralité d'anneaux composites (22, 24) adjacents les uns des autres le long d'une dimension de longueur du rotor afin de contenir les enroulements de rotor sur le rotor, lesdits anneaux comprenant chacun au moins deux couches (48, 50) choisies dans le groupe constitué essentiellement des métaux, des stratifiés à base de fibres de verre et des stratifiés à base de fibres de graphite. 2. Enceinte pour rotor selon la revendication 1, caractérisée en ce que 10 les anneaux sont espacés à des intervalles prédéterminés. 3. Enceinte pour rotor selon la revendication 2, caractérisée en ce que les anneaux sont espacés axialement. 4. Enceinte pour rotor selon la revendication 1, caractérisée en ce que ladite pluralité d'anneaux comprend une pluralité d'anneaux axialement courts (24) situés entre une paire d'anneaux axialement longs (22). 5. Enceinte pour rotor selon la revendication 1, caractérisée en ce que pour au moins une partie de ladite pluralité d'anneaux composites, une couche radialement la plus intérieure (26) desdites au moins deux couches est une couche métallique. 6. Enceinte pour rotor selon la revendication 1, caractérisée en ce que pour au moins une partie de ladite pluralité d'anneaux composites, une couche radialement la plus intérieure (100) desdites au moins deux couches est une couche de stratifié en fibres de verre. 7. Enceinte pour rotor selon la revendication 1, caractérisée en ce que pour au moins une partie de ladite pluralité d'anneaux composites, une couche radialement la plus intérieure (86) desdites au moins deux couches est une couche de stratifiés en fibres de graphite. 8. Enceinte pour rotor selon la revendication 1, caractérisée en ce que pour au moins une partie de ladite pluralité d'anneaux composites, une couche radialement la plus extérieure (34) desdites au moins deux couches est une couche métallique. 9. Enceinte (20) pour rotor dans un générateur comprenant le rotor, des enroulements de rotor et un stator, l'enceinte étant caractérisée en ce 2860656 9 qu'elle comprend une pluralité d'anneaux composites (52, 54) adjacents les uns des autres le long d'une dimension de longueur du rotor afin de contenir les enroulements de rotor sur le rotor, lesdits anneaux comprenant chacun au moins trois couches choisies dans le groupe constitué essentiellement des métaux, des stratifiés à base de fibres de verre et des stratifiés à base de fibres de graphite, ladite pluralité d'anneaux comprenant une pluralité d'anneaux axialement courts (52) situés entre une paire d'anneaux axialement longs (54), et le diamètre desdits anneaux axialement courts (52) variant dans des directions opposées vers un anneau central (62) ayant le plus petit diamètre, et ces anneaux courts ont des compositions différentes de celles desdits anneaux axialement longs. 10. Enceinte pour rotor selon la revendication 9, caractérisée en ce que chacun desdits anneaux longs comprend une couche radialement intérieure (152) en métal, une couche intermédiaire (154) en stratifié de fibres de verre et une couche radialement extérieure (156) en stratifié de fibres de verre.