Brevet FR2926935A1 — publié le 20090731

MACHINE ELECTRIQUE A FLUX AXIAL ET A AIMANTS PERMANENTS La présente invention concerne une machine électrique à flux axial et à aimants permanents assurant la conversion d'une énergie de type mécanique à une énergie de type électrique. La machine électrique à flux axial pourra être utilisée pour la conversion d'énergie dans deux nombreux domaines, tels que le domaine des centrales électriques en tant qu'alternateurs ou turboalternateurs, groupées à une turbine à vapeur ou une turbine à gaz, ou encore le domaine des centrales hydrauliques, dans les systèmes embarqués ou encore dans des applications de propulsions navales et autres motorisation de grandes puissances. Toutefois, dans son application principale, la machine électrique constituera un alternateur d'une éolienne et notamment un alternateur à flux axial et à aimants permanents. Bien que non limités à cette application, il sera détaillé dans le reste de la demande, les avantages de la machine électrique réalisée sous la forme d'un alternateur à flux axial et à aimants permanents intégrée à une éolienne. A partir de cet exemple, l'homme du métier en déduira aisément les adaptations nécessaires pour réaliser la machine électrique dans d'autres applications telles que précitées. La tendance depuis ces dernières années est de réaliser des éoliennes de très grand diamètre de manière à obtenir des puissances électriques très importantes sans multiplier le nombre d'éoliennes. L'ensemble de la structure de l'éolienne a suivi cette tendance et notamment les machines électriques ou alternateurs de ces éoliennes sont de plus en plus volumineuses. Cette modification de la taille des alternateurs et notamment des rotors et alternateurs engendre des contraintes importantes pour les fabricants qui doivent adapter leur outil de production à ces changements dimensionnels. Par ailleurs, des éoliennes de moindres dimensions continuant à être commercialisées, les fabricants doivent conserver tous leurs outils de production de manière à pouvoir fabriquer l'ensemble de la gamme d'éléments nécessaires à la réalisation de machines électriques de dimensions variables. Actuellement, certains fabricants de machines électriques fabriquent les rotors et les stators en une seule pièce, ce qui engendre des contraintes importantes tant au niveau de la logistique lors du déplacement de la machine électrique sur son lieu d'utilisation que des contraintes d'installation. Par ailleurs, il apparaît que les techniques utilisées pour la réalisation du rotor et particulièrement des stators se heurtent à une limite de la taille notamment en ce qui concerne la partie induite du circuit magnétique au niveau du stator. La présente invention a pour but de proposer une machine électrique avec une conception nouvelle du rotor et du stator permettant la réalisation de machines électriques présentant des tailles variables et notamment très importantes à partir d'un seul outil de production. Un autre objet de la présente invention est de réaliser une machine électrique dans laquelle une partie du circuit magnétique peut être aisément changée sans nécessiter le remplacement de l'ensemble du circuit magnétique. Un autre objet de la présente invention est de proposer une machine électrique dans laquelle le rotor et le stator peuvent être appareillés par secteur facilitant le déplacement et l'installation de ladite machine. Un autre objet de la présente invention est de proposer une machine électrique dont le coût de fabrication et de maintenance est limité par rapport aux techniques utilisées jusqu'à présent. A cet effet, la machine électrique à flux axial et aimants permanents comporte un rotor entourant un stator et tel que selon l'invention, le stator comprend : -une partie dite de support, - un ensemble de modules actifs constituant la partie induite du circuit magnétique, et - des moyens d'assujettissement des modules sur la partie de support. Cette caractéristique permet d'utiliser des modules dont les dimensions et la géométrie varient peu en fonction de la dimension de la partie de support permettant la réalisation de modules actifs adaptés à des tailles de stator très différentes avec des outils de production communs. Selon une autre caractéristique avantageuse de l'invention, le stator comprend un ensemble de modules actifs constituant la partie induite, chaque module induit comportant : -un bloc constitué d'une superposition de couches, - deux cales inférieure et supérieure et - deux bobinages entourant les cales inférieure et supérieure. Cette caractéristique est particulièrement intéressante puisqu'elle permet de réaliser la partie active avec des moyens de découpe standard pour la réalisation du bloc. Selon une autre caractéristique de l'invention, la longueur des couches du bloc est variable et correspondant au rayon de courbure de la partie de support. Cette disposition permet de réaliser à partir de cette structure mufti- couches des parties actives adaptables à des tailles de jantes très variables. Selon une autre caractéristique de l'invention, des moyens de refroidissement sont disposés entre les modules et au niveau de la partie de support. Cette caractéristique permet d'optimiser le fonctionnement de l'alternateur 20 en limitant son échauffement. Selon une autre caractéristique particulièrement avantageuse, le stator comprend une partie de support de modules comportant une jante constituée d'au moins deux secteurs. Cette caractéristique avantageuse permet, d'une part, de faciliter la 25 fabrication de la jante et, d'autre part, de faciliter l'installation de la machine et son déplacement puisqu'il est possible de déplacer les secteurs de manière indépendante, chaque secteur du stator étant couplé indépendamment des autres secteurs du stator à une partie correspondante au niveau du rotor. Selon un premier mode de réalisation préféré, les moyens 30 d'assujettissement des modules sur la partie support de modules comprennent des alésages réalisés sur les modules actifs ou sur les parties support de modules coopérant avec des moyens de boulonnage et des vis fixées respectivement sur la partie support ou sur les modules actifs. Cette caractéristique permet, d'une part, une première mise en place aisée des parties actives sur la partie de support et, d'autre part, en cas de défaillance d'un des modules actifs, permet un remplacement de ce dernier sans nécessiter de remplacer entièrement la partie induite du circuit magnétique. Selon un second mode de réalisation, le stator comprend une partie de support de modules ainsi que des moyens d'assujettissement sous la forme d'encoches radiales permettant l'insertion des modules actifs, le stator étant réalisé en tout ou partie en composite verre résine. Cette caractéristique est particulièrement intéressante puisqu'elle permet là encore de pouvoir changer les modules actifs indépendamment les uns des autres. Selon un autre mode de réalisation, les modules sont collés et les changements s'effectuent secteur par secteur. Selon une autre caractéristique de l'invention, le rotor comprend au moins une zone d'aimantation constituant la partie inductrice du circuit magnétique, ladite au moins une zone d'aimantation comportant une superposition d'aimants permanents. Cette caractéristique autorise également la conception de rotor de tailles 20 très variables et notamment de grandes dimensions et dont la partie active du circuit magnétique varie peu en fonction des dimensions du rotor. Cette caractéristique permet également de disposer les parties actives indépendamment les unes des autres et permettant en outre le remplacement d'une partie active sans nécessiter le remplacement de l'ensemble des parties 25 actives du circuit magnétique du rotor. Selon une autre caractéristique avantageuse de l'invention, le rotor est composé d'au moins deux secteurs. A l'instar du stator qui peut également avantageusement être fabriqué en plusieurs secteurs, cette caractéristique permet de déplacer séparément les 30 différents secteurs du rotor et du stator, l'appariement entre les secteurs du rotor et du stator pouvant être réalisé en effet sans assemblage de l'ensemble des secteurs du rotor ou du stator. Selon une autre caractéristique, les secteurs ont un profil en U, les zones d'aimantation étant disposées au niveau de la face intérieure des branches en U, de manière à permettre l'appariement des secteurs du rotor sur le stator en déplaçant le rotor radialement par rapport au stator. Cette caractéristique permet un assemblage facilité du rotor sur le stator, cet assemblage pouvant être réactivé au moyen d'un convoyeur. Selon une autre caractéristique de l'invention, le stator ou le rotor comprend au moins une couche de glissement permettant d'éviter un contact entre les éléments induits et inducteurs du circuit magnétique. Cette caractéristique permet de préserver l'entrefer tant lors de l'installation que lors de l'utilisation de l'alternateur. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description ci-après de deux exemples préférés de réalisation dans lesquels la description n'est donnée qu'à titre d'exemple non limitatif et en référence aux dessins ci-annexés parmi lesquels : - la figure 1 représente une vue schématique en perspective d'un premier exemple de réalisation d'une partie de l'alternateur réalisé conformément à l'invention ; - la figure 2 représente une seconde vue en coupe de l'exemple illustré à la figure 1 ; - la figure 3 représente un détail de réalisation de l'alternateur réalisé conformément à la présente invention ; - la figure 4 représente un exemple schématique en perspective d'un second mode de réalisation de l'alternateur conformément à l'invention ; -la figure 5 représente une vue en coupe de l'exemple illustré à la figure 4; - la figure 6 représente un détail de réalisation du stator représenté aux figures 4 et 5 ; - la figure 7 représente de manière schématique un exemple de réalisation 30 du rotor conformément à la présente invention. En se reportant à la figure 1, on voit représenté un composant d'une machine électrique 1 à savoir un stator 2 destiné à coopérer avec un rotor 3. Le stator 2 comprend une première partie de support 4 et un ensemble de modules actifs 5 constituant la partie induite du circuit magnétique. On voit également sur cette figure 1, représentés des moyens d'assujettissement 6 des modules 5 sur la partie de support du stator 4. En se reportant cette fois plus particulièrement à la figure 3, on voit représenté un exemple de réalisation d'un module actif 5 destiné à être assujetti sur la partie de support 4. Chaque module 5 comprend un bloc 7 constitué d'une superposition de couches 8, le module actif 5 comportant également deux cales inférieure et supérieure 9a,9b ainsi que deux bobinages 10 entourant les cales inférieure 9a et supérieure 9b. De manière avantageuse, on réalise au niveau des cales 9a et 9b des encoches 11 permettant de venir réceptionner chaque bobinage 10 et d'éviter la sortie de la bobine notamment compte tenu de la force exercée par le champ magnétique sur cette dernière. Il est également important de noter que la largeur des cales peut être dimensionnée de manière à dépasser du plan de la partie de support 4 afin de constituer éventuellement une butée empêchant tout accrochage entre le rotor et les bobines du stator 2. La conception en couches 8 du bloc 7 permet d'avoir des couches 8 de longueurs variables permettant de s'adapter au rayon de courbure de la partie de support 4. Par conséquent, pour la réalisation de ce bloc 7, il suffit pour le fabricant d'adapter la longueur de chaque couche 8 pour obtenir un bloc adapté aux dimensions de la partie de support 4. On comprend ainsi aisément que le fabricant pourra réaliser des modules actifs 5 de tailles variables en utilisant un même outil de découpe en ajustant la longueur de chaque tôle magnétique représentant une couche 8 et éventuellement en ajoutant ou en retirant une ou plusieurs couches en fonction des caractéristiques techniques requises pour le circuit magnétique. Dans les différents exemples de réalisation illustrés aux figures 1 à 7, la machine électrique 1 comprend un stator 2 avec une partie de support 4, des modules actifs 5 comportant une jante. Cette jante est constituée avantageusement d'au moins deux secteurs de jantes 12, les secteurs de jante 12 pouvant être assemblés sur site aisément par des opérations classiques pour l'homme du métier, notamment par soudure ou rivetage. Avantageusement, on prévoit pour la réalisation de la jante un découpage en trois secteurs de jante 12 de 120° ou quatre secteurs de 90° ; toutefois, notamment en fonction des dimensions de la jante, on pourra également envisager un plus grand nombre de secteurs 12 pour réaliser la jante. Comme indiqué plus haut, on prévoit également des moyens d'assujettissement 6 des modules 5 sur la partie de support 4. Selon un premier exemple de réalisation illustré aux figures 1 et 2, les moyens d'assujettissement 6 comprennent des alésages réalisés soit sur les modules 5, soit sur les parties de support 4 coopérant avec des moyens de boulonnage et des vis fixés sur l'autre partie. Dans l'exemple de réalisation de la figure 1, on voit ainsi que le module 5 comporte un système de vis 13 et de boulonnage 14, la vis filetée coopérant avec un alésage réalisé sur la face supérieure de la partie dite de support 4. En se reportant aux figures 4 et 5, on voit représenté un deuxième mode d'assujettissement entre les modules 5 et la partie de support 4. Dans ce mode de réalisation, le stator 2 comprend une partie de support 4 réalisée en tout ou partie en composite verre résine. Cette partie de support 4 comprend des moyens d'assujettissement 6 réalisés sous la forme d'encoches 15 radiales permettant l'insertion des modules actifs 5. En se reportant principalement à la figure 6, on voit un module actif 5 disposé dans une encoche 15. Pour éviter tout retrait accidentel du module 5 hors de l'encoche 15, on prévoit une butée 16 avantageusement en téflon présentant un profil en queue d'aronde et permettant d'obturer l'encoche 15 réalisée dans le stator 2. De manière à limiter l'échauffement au niveau des modules actifs 5, on prévoit également entre les modules 5 et au niveau de la partie de support 4 des moyens de refroidissement 17. Selon un premier mode de réalisation, les moyens de refroidissement 17 5 comportent un échangeur thermique qui pourra intégrer des tubes de refroidissement et notamment des tubes à ailettes ou encore des vessies flexibles disposées entre les modules 5. La machine électrique 1 comme indiqué précédemment, comporte un ensemble de modules actifs et il a été décrit jusqu'à présent un ensemble de 10 modules actifs constituant la partie induite du circuit magnétique ainsi qu'une description d'un stator 2 comportant un ensemble de modules actifs 5. Afin d'assurer un bon fonctionnement du stator, il est courant de réaliser une étape d'imprégnation des parties actives, ce qui nécessite l'utilisation de cuves de trempage et de four de grandes dimensions. 15 La conception modulaire décrite ci avant permet de faciliter considérablement la phase d'imprégnation puisque chaque module peut être imprégné séparément avant montage sur la partie de support 4 et par conséquent, peut être réalisé dans des cuves et des fours de faibles dimensions indépendamment de la taille de l'alternateur. 20 En se reportant à la figure 7, on voit représenté un rotor 3 comprenant au moins une zone d'aimantation 18 constituant la partie inductrice du circuit magnétique, cette zone comportant une superposition d'aimants permanents 19. On voit au niveau de la figure 7 que la longueur des aimants permanents 19 d'une même zone 18 est variable. 25 La longueur de chaque aimant 19 est déterminée en fonction de la forme de la partie induite correspondante. De manière avantageuse, le rotor 3 est composé d'au moins deux secteurs 20. Avantageusement, le nombre de secteurs 20 de la partie rotor 3 correspond 30 au nombre de secteurs 12 du stator 2 et notamment trois ou quatre secteurs. Cette caractéristique est particulièrement intéressante puisqu'elle permet de déplacer de manière appariée le rotor 3 et le stator 2 par secteurs puis de réaliser sur place les assemblages des secteurs du rotor 3 et ceux du stator 2 entre eux. Pour réaliser l'assujettissement entre les aimants et la surface du rotor 3, on prévoit une opération de collage ou encore de rivetage. En se reportant à la figure 7, on voit que les secteurs 20 ont un profil en U, cette disposition est particulièrement intéressante puisqu'elle permet de placer précisément la partie inductrice par rapport au stator 2. On peut également prévoir un serrage imposant un léger écartement des branches en pinçant les branches du U sur le pont constituant l'entretoise de sorte qu'une foi le secteur positionné, les branches redeviennent parallèles entre elles sous l'effet du champ magnétique. Bien entendu, d'autres caractéristiques à la portée de l'homme de l'art auraient également pu être envisagées sans pour autant sortir du cadre de l'invention définie par les revendications ci-après. REVENDICATIONS 1. Machine électrique à flux axial et à aimants permanents comportant un rotor (3) entourant un stator (2), CARACTERISE en ce que le stator (2) comprend : - une première partie dite de support (4), - un ensemble de modules actifs (5) constituant la partie induite du circuit magnétique, et des moyens d'assujettissement (6) des modules (5) sur la partie de support (4). 2. Machine électrique selon la revendication 1 dans laquelle le stator comprend un ensemble de modules actifs constituant la partie induite, chaque module comportant : - un bloc (7) constitué d'une superposition de couches (8), - deux cales inférieure (9a) et supérieure (9b) et - deux bobinages (10) entourant les cales inférieure (9a) et supérieure (9b). 3. Machine électrique selon la revendication 2 dans laquelle la longueur des couches (8) du bloc (7) est variable et correspondant au rayon de courbure de la partie de support (4). 4. Machine électrique selon l'une ou l'autre des revendications 2 et 3 dans laquelle les couches (8) sont en tôle magnétique. 5. Machine électrique selon l'une quelconque des revendications 2 à 4 précédentes comportant des moyens de refroidissement (17) disposés entre les modules (5) et au niveau de la partie de support (4). 6. Machine électrique selon la revendication 5 dans laquelle les moyens de refroidissement (17) comportent un échangeur thermique intégrant une vessie disposée entre les modules (5). 7. Machine électrique selon la revendication 5 dans laquelle les moyens de refroidissement (17) comportent un échangeur thermique intégrant des tubes de refroidissement. 8. Machine électrique selon l'une quelconque des revendications précédentes dans laquelle la partie de support (4) comporte une jante (12) constituée d'au moins deux secteurs et des moyens de liaison entre les secteurs. 9. Machine électrique selon l'une quelconque des revendications précédentes dans laquelle la partie de support (4) de modules est réalisée en tout ou partie en composite verre résine et comportant des moyens d'assujettissement (6) sous la forme d'encoches radiales (15) permettant l'insertion des modules actifs. 10. Machine électrique selon la revendication 9 dans laquelle les moyens d'assujettissement (6) comportent pour chaque encoche une butée (16) empêchant la sortie des modules (5) insérés dans les encoches radiales (15). 11. Machine électrique selon l'une quelconque des revendications 1 à 8 précédentes dans laquelle la partie dite de support (4) de modules actifs (5) comportant une jante (12) réalisée en tôle mécano soudée. 12. Machine électrique selon la revendication 11 dans laquelle les moyens d'assujettissement (6) des modules actifs sur la partie support comprennent des alésages réalisés sur les modules ou sur la partie support de modules coopérant avec des moyens de boulonnage (14) et des vis (13) fixées respectivement sur la partie support ou sur les modules induits. 13. Machine électrique selon l'une quelconque des revendications précédentes dans laquelle le rotor (3) comprend au moins une zone d'aimantation (18) constituant la partie inductrice du circuit magnétique, ladite au moins une zone d'aimantation comportant un superposition d'aimants permanents (19). 14. Machine électrique selon la revendication 13 dans laquelle la longueur des aimants (19) du rotor est variable et correspond à la forme de la partie induite. 15. Machine électrique selon l'une ou l'autre des revendications 13 et 14 dans laquelle le rotor (3) est composé d'au moins deux secteurs (20). 16. Machine électrique selon la revendication 15 dans laquelle les secteurs (20) ont un profil en U, les zones d'aimantation (18) étant disposées au niveau de la face intérieure des branches du U, de manière à permettre l'appariement des secteurs (20) du rotor (3) sur le stator (2) en déplaçant le rotor (3) radialement par rapport au stator (2). 17. Machine électrique selon la revendication 16 dans laquelle on prévoit un serrage imposant un léger écartement des branches en pinçant les branches du U sur le pont constituant l'entretoise et tel que les branches redeviennent parallèles sous l'effet du champs magnétique. 18. Machine électrique selon l'une ou l'autre des revendications 16 ou 17 dans laquelle le stator (2) ou le rotor (3) comprend au moins une couche de glissement permettant d'éviter un contact entre les éléments induits et inducteurs du circuit magnétique. 19. Machine électrique selon l'une quelconque des revendications précédentes dans laquelle les modules (5) sont imprégnés avant de réaliser l'assujettissement sur la partie de support (4).