Brevet FR2926685A1 — publié le 20090724

MACHINE ELECTRIQUE A RENDEMENT AMÉLIORÉ DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE ET ART ANTÉRIEUR La présente invention se rapporte à une 5 machine électrique à rendement amélioré. Une machine électrique comporte de manière connue un rotor apte à tourner dans un stator, un entrefer étant ménagé entre la surface externe du rotor et la surface interne du stator. L'entrefer est prévu 10 pour permettre la rotation du rotor autour du stator en évitant toute interférence mécanique. Pour cela, il faut tenir compte à la fois de la qualité de réalisation du stator et du rotor, en particulier de l'état de surface, de l'excentricité et des vibrations 15 de la machine. L'entrefer permet d'éviter de réaliser des états de surfaces particulièrement soignés, et évite toute interaction entre le rotor et le stator en cas de vibrations. Or la présence de cet entrefer, et en 20 particulier l'épaisseur de celui-ci, i.e. la distance séparant le rotor du stator, a pour effet d'augmenter considérablement la réluctance du circuit magnétique. Ceci a pour conséquence de diminuer l'inductance magnétique du moteur, puisque l'air formant l'entrefer 25 a une perméabilité magnétique très inférieure à celle du matériau composant le rotor, par exemple le fer, de l'ordre de plusieurs centaines de fois. Afin de pallier cette faible perméabilité magnétique pour générer un champ magnétique suffisant, on augmente la quantité de 30 matériau aimanté porté par le rotor, la quantité de cuivre composant le stator et/ou l'intensité du courant alimentant le moteur. Le facteur de puissance est donc mauvais et le rendement énergétique est réduit. Il a été proposé plusieurs solutions afin de réduire l'entrefer. Par exemple, on réalise le stator et le rotor avec une grande précision, en utilisant par exemple des découpes au laser ou à l'eau. On prévoit également une rectification du rotor et du stator après assemblage. Cependant, ceci augmente de manière considérable le coût de fabrication de la machine. En outre, lors de la rotation, le rotor est soumis à une force centrifuge qui a pour effet de déformer celui-ci en direction du stator augmentant les risques d'incidence. On prévoit alors, soit d'augmenter la raideur du rotor, ce qui a pour effet de dégrader les propriétés magnétiques du rotor, soit de le contenir dans une enveloppe en matériaux très résistants. Cependant cette enveloppe supplémentaire a un coût non négligeable. En outre elle n'est généralement pas en matériau ferromagnétique, ce qui a pour effet de réduire les performances de la machine. Le gain obtenu en réduisant l'entrefer est perdu du fait de la présence de cette enveloppe. Du fait des vibrations et des à-coups de la machine, il y apparition de mouvements entre le rotor et le stator, les deux pièces n'étant pas infiniment rigides. Il y a alors un risque de contact le rotor et le stator. Pour éviter cela, on dégrade les courants d'alimentation de la machine de manière à réduire les efforts radiaux sur le rotor, tant en amplitude qu'en variation. La densité de puissance de la machine en est alors réduite et ses performances amoindries. Par ailleurs, il est nécessaire d'isoler le moteur des chocs et vibrations appliquées par l'environnement extérieur, qui sont particulièrement présents dans le cas d'une machine embarqué dans un véhicule automobile. Une solution a été proposée de réduire l'entrefer de manière à le rendre quasiment nul et à faire glisser le stator sur le rotor, un tel moteur est connu du document JP 61092139. Ceci nécessite une rectification et une préparation des surfaces du rotor et du stator avec une grande précision, pour les rendre très lisses et très régulières, afin que ces deux éléments puissent glisser avec des frottements limités. Cependant les frottements ne sont pas complètement éliminés, ce qui réduit la durée de vie du moteur. En outre, cette réalisation minutieuse a un prix de revient prohibitif, empêchant une application à des machines électriques utilisées, notamment dans des véhicules automobiles. C'est par conséquent un but de la présente invention d'offrir un moteur électrique offrant un rendement amélioré, tout en présentant un prix de revient raisonnable. EXPOSÉ DE L'INVENTION Le but précédemment énoncé est atteint par un moteur comportant un stator et un rotor, dont les surfaces en regard sont recouvertes d'un revêtement à base de carbone tétraédrique et entre lesquelles un lubrifiant est introduit, les surfaces glissant l'une sur l'autre. Il apparaît alors, grâce au revêtement et au lubrifiant, un phénomène dit de suprafriction qui se traduit par des frottements quasiment nuls. Le moteur selon l'invention offre un rendement élevé. En effet, l'entrefer étant quasiment nul, l'inductance du moteur n'est donc pas réduite. En outre, les frottements étant quasiment nuls, la durée de vie du moteur n'est pas limitée par ce contact. Par ailleurs, les vibrations et/ou chocs appliqués par l'environnement extérieur ne risquent plus de perturber le fonctionnement du moteur, puisque les surfaces du rotor et du stator sont déjà en contact. En d'autres termes, le moteur selon l'invention ne comporte plus d'entrefer, mais au moins une des surfaces parmi les surfaces en regard du rotor et du stator est lisse, ces surfaces en contact offrant des caractéristiques aptes à faire apparaître le phénomène de suprafriction. La présente invention a par conséquent pour objet une machine électrique comportant un rotor et un stator, le rotor comportant une surface en regard d'une surface du rotor, lesdites surfaces étant en contact au niveau d'une zone dite zone de contact, dans laquelle chaque surface comporte un revêtement en carbone tétraédrique, un lubrifiant étant introduit entre les deux revêtements. Chaque revêtement comporte avantageusement une couche en carbone tétraédrique déposée sur le rotor et le stator respectivement et une couche de graphite déposée sur la couche de carbone tétraédrique. La couche de carbone tétraédrique a par exemple une épaisseur de l'ordre de quelques nanomètres et la couche de graphite a par exemple une épaisseur de l'ordre de quelques micromètres. Le lubrifiant est avantageusement du glycérol. On peut prévoir qu'une partie de la zone de contact barbote dans le lubrifiant, ce qui permet de maintenir une lubrification constante de la zone de contact. Dans une variante, la machine électrique selon l'invention peut comporter des moyens d'injection du lubrifiant en au moins un endroit de la zone de contact. Dans une autre variante, la machine électrique comporte au moins un réservoir de lubrifiant dans le rotor et/ou le stator, dans cette variante les moyens de lubrification sont très peu encombrants. Le réservoir peut être formé par un matériau poreux disposé dans un logement prévu dans le rotor et/ou le stator, ledit logement débouchant dans la zone de contact. Ce matériau poreux est avantageusement un matériau fritté céramique ou métallique, par exemple le bronze. De manière avantageuse, le rotor est en appui glissant longitudinalement contre un carter de la machine, le rotor et le carter comportant un revêtement en carbone tétraédrique, un lubrifiant étant introduit entre les deux revêtements, ce qui permet de maintenir longitudinalement le rotor de manière simple et sans frottement. La machine électrique selon la présente invention est avantageusement une machine électrique asynchrone. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS La présente invention sera mieux comprise à l'aide de la description qui va suivre et des dessins en annexe, sur lesquels : - la figure 1 est une vue en coupe schématique d'une machine électrique selon la présente invention, avec une vue agrandie de l'interface, - les figures 2A, 2B et 2C sont des vues en coupe schématique de variantes de réalisation de l'alimentation en lubrifiant de l'interface entre le rotor et le stator selon l'invention, - la figure 3 est une vue en coupe schématique d'une machine électrique selon la présente invention offrant un maintien axial du rotor mettant en oeuvre le phénomène de suprafriction. EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS Sur la figure 1, on peut voir un exemple de réalisation d'une machine électrique selon la présente invention comportant un rotor 2 et un stator 4, le rotor étant apte à tourner autour d'un axe X dans le stator 4. Le stator 4 comporte des enroulements statoriques 6 à l'origine de la circulation d'un flux magnétique longitudinal. Le stator 4 a la forme d'une bague dont la paroi intérieure en regard du rotor 2 est désignée par la référence 6. Le rotor 2 comporte des enroulements, non représentés, responsables de l'apparition d'un flux magnétique transversal. Le rotor a la forme d'un cylindre régulier d'axe X dont la paroi latérale en regard de la paroi intérieure 6 du stator 4 est désignée par la référence 8. Le fonctionnement d'une machine électrique étant connu de l'homme du métier, celui-ci ne sera pas décrit en détail. Selon la présente invention, la paroi intérieure 6 du stator 4 et la paroi extérieure 8 du rotor 2 sont en contact, et glissent l'une sur l'autre. Pour cela, les parois sont telles qu'elles permettent l'apparition du phénomène dit de suprafriction, dont il résulte une absence de frottement entre les parois. Pour cela, les parois 6, 8 du stator et du rotor comportent respectivement un revêtement 10, 12 spécifique à l'origine de l'apparition de la suprafriction. Ce revêtement est de constitution sensiblement identique pour le rotor et le stator. Celui-ci comporte une première couche 10.1, 12.1 de carbone tétraédrique désigné ci-après ta-C, déposée directement sur le corps du stator et du rotor. Le revêtement peut comporter une deuxième couche de graphite 10.2, 12.2 déposée sur la première couche. La première couche a par exemple une épaisseur de quelques nanomètres, et peut être déposée par un procédé en phase vapeur à 2 000°C. La deuxième couche a une épaisseur, par exemple de quelques micromètres. Cette deuxième couche est déposée, par exemple par dépôt en phase vapeur, par dépôt à l'arc ou par un procédé chimique. En outre, il est prévu un lubrifiant 15 entre les deux revêtements 10, 12, par exemple du glycérol, qui est un lubrifiant naturel, formant un film lubrifiant. L'épaisseur totale de l'empilement formé par les deux revêtements 10, 12 et du film de glycérol n'est que de quelques micromètres, par conséquent la réluctance de cet empilement est environ cent fois plus faible que celle d'un entrefer d'une machine électrique classique, comme celle décrite précédemment. La première couche de ta-C a une épaisseur comprise entre 1 nm et 10 nm et la deuxième couche de graphite a une épaisseur comprise entre 1 pm et 10 pm. La matrice cristalline du ta-C permet aux deux surfaces en ta-C séparées par un très mince film de glycérol de glisser l'une sur l'autre sans frottements. Cette absence de frottements est due à une modification de la répartition des forces électrostatiques entre les molécules au niveau de la surface. Par ailleurs, il n'est pas nécessaire d'avoir une qualité de la surface irréprochable, puisqu'il a été constaté que l'on peut monter le moteur serré à un point qu'il serait coincé en l'absence du revêtement en ta-C et du glycérol. En outre, la souplesse des matériaux plaque les deux surfaces l'une contre l'autre et permet donc de réaliser un ajustement très fin, sans usinage de qualité et sans frottement. Les parois 6, 10 du stator 4 et du rotor 2 respectivement sont avantageusement rectifiées pour leur assurer une surface lisse sur laquelle le revêtement sera déposé. Le rotor 2 glisse alors avec peu ou pas de frottement dans le stator 4. En outre, on prévoit avantageusement de maintenir ensemble les empilements de tôles composant le stator et le rotor par des moyens supplémentaires, tels que par la colle, par des agrafes ou par des moyens exerçant une pression sur l'empilement, par exemple en effectuant un montage serré ou un montage par des ensembles écrou-boulon. Ceci permet d'éviter le ripage d'une tôle, ce qui pourrait endommager les revêtements et donc rendre le phénomène de suprafriction moins performant. Il est important de maintenir en permanence la présence du film de glycérol entre les deux revêtements. En effet, le phénomène de suprafriction n'apparaît pas en cas de � contact sec � des deux revêtements. Sur les figures 2A à 2C, on peut voir différents exemples de réalisation de moyens pour alimenter de manière continue l'interface entre les deux revêtements avec du glycérol. Sur la figure 2A, il est prévu de faire barboter une partie de la zone de contact entre le stator 4 et le rotor 2 dans du glycérol. Pour cela, on prévoir que le carter 14 de la machine électrique entourant le stator 4, forme un réservoir 16 rempli de glycérol de telle sorte que le glycérol noie la partie inférieure du stator 2 et la zone de contact avec le stator à l'aplomb de cette partie inférieure du stator. Ainsi, la partie du rotor 2 arrivant au niveau de la zone noyée, emporte une certaine quantité de glycérol qui va se répartir sur toute la zone de glissement entre le rotor et le stator. La lubrification est alors entretenue de manière permanente. Sur la figure 2B, on peut voir un deuxième exemple de réalisation de la lubrification de l'interface rotor-stator, dans lequel une pompe 16 est mise en oeuvre pour mener le liquide au niveau de l'interface. Dans l'exemple représenté, le glycérol est contenu dans le fond du carter 14, est aspiré par la pompe 16, et injecté dans une zone 18 de l'interface ; dans l'exemple représenté, cette zone 18 est située dans la partie la plus haute du rotor. Lors de la rotation du rotor, le glycérol est emporté par le rotor et réparti au niveau de toute la zone de contact entre le rotor et le stator. On peut prévoir d'injecter le glycérol en un autre lieu de la zone de contact, ou en plusieurs lieux simultanément. On peut prévoir un pompage continu du glycérol, ou un pompage et une injection intermittents. Sur la figure 2C, on peut voir encore un autre exemple d'alimentation de la zone de contact en glycérol, comportant des réservoirs 20 de glycérol monté directement dans le stator. Ces réservoirs sont par exemple formés par un matériau poreux formant éponge, imbibé de glycérol. Dans l'exemple représenté, on peut voir deux réservoirs disposés de manière diamétralement opposée dans le stator. On peut prévoir par exemple quatre réservoirs répartis de manière régulière dans le stator de manière à assurer une alimentation uniforme de la zone de contact. Nous allons maintenant décrire un réservoir en particulier. L'éponge 20 est reçue dans un logement 22, par exemple délimité par deux empilements 4.1, 4.2 de tôles. Ce réservoir peut être prévu de manière équivalente dans le rotor, ou dans le rotor et le stator. L'éponge 20 est par exemple réalisée en matériau fritté, du type céramique ou métal, comme le bronze. Le logement 22 est tel qu'il débouche dans la zone de contact entre le rotor et le stator, permettant au glycérol de s'écouler vers cette zone de contact. En outre, le logement débouche dans la périphérie radialement extérieure du stator pour permettre d'alimenter l'éponge, l'extrémité du réservoir étant alors obturée par un bouchon 24. L'éponge est disposée dans le logement 22 de telle sorte qu'elle n'affleure pas à la surface intérieure du rotor. De manière avantageuse, l'éponge 20 est 5 montée dans le stator, ce qui permet un remplissage aisé de celle-ci. Le rotor peut être monté dans le stator au moyen d'un ajustement normal ou serré. L'ajustement normal a pour avantage d'être de réalisation plus 10 facile et moins coûteuse. Par contre, l'ajustement serré a comme avantage de contrôler la zone de contact entre le rotor et le stator en éliminant les possibilités de déplacement du rotor en cas d'excentricité. 15 De manière particulièrement avantageuse, on peut prévoir de guider le rotor par le contact avec le stator 4, ce qui permet de réduire le nombre de roulements nécessaire, voire de complètement les supprimer. 20 Le maintien axial du rotor 2 peut être obtenu, non plus au niveau de son axe, mais au niveau de sa paroi extérieure comme cela est visible sur la figure 3, au moyen du carter. Pour cela, on peut prévoit d'interposer par 25 exemple des butées à billes entre le carter et le rotor, ou de réaliser, comme cela est représenté sur le figure 3, des surfaces suprafrictives 24 entre le rotor et le carter, similaires au contact entre le rotor et le stator. 30 Dans certains cas, par exemple pour les machines électriques à aimants permanents et lorsque le rotor subit de faibles contraintes extérieures, les forces magnétiques générées entre le stator et le rotor peuvent être suffisantes pour maintenir le rotor aligné, et éviter un désaxage ; le maintien longitudinal est alors obtenu par la structure classique de la machine, il n'est pas nécessaire de prévoir des moyens supplémentaires. La machine électrique selon la présente invention présente a l'avantage, comme nous l'avons mentionné précédemment, d'offrir un entrefer de quelques micromètres, il en résulte donc une forte inductance magnétisante, ce qui est intéressant pour tous les types de machines électriques, et particulièrement pour les machines asynchrones, puisque l'inductance magnétique détermine le flux entre le stator et le rotor, donc le courant du rotor, et donc le couple de la machine. Elle présente, par ailleurs, une faible inductance de fuite du fait de l'entrefer quasi nul, la réluctance de la fuite entre deux dents adjacentes étant relativement importante, ce qui est intéressant pour tous les types de machines électriques, et particulièrement pour les machines asynchrones. En effet, 1"inductance de fuite réduit le flux quia passe du stator ou rotor, dans le courant du rotor et donc le couple. En outre, la machine électrique selon l'invention offre un bon facteur de puissance et un rendement énergétique augmenté, puisque la quantité de courant requise pour exciter le circuit magnétique est réduite. Dans le cas d'un ajustement très serré, les vibrations radiales du rotor sont contenues, et n'ont pas d'effet négatif sur le fonctionnement de la machine. De plus, cet ajustement serré permet de maîtriser la dilatation centrifuge décrite précédemment. L'invention est particulièrement adaptée aux machines asynchrones à cage d'écureuil, aux machines à aimants enterrés, aux machines dont les encoches du rotor ou du stator sont fermées par une extension de la tôle, comme les machines à rotor bobiné, aux machines à réluctance commutée (SRM � Switched Reluctance Motor � en terminologie anglo-saxonne) et aux machines à réluctance variable sinusoïdale. Les machines électriques selon l'invention peuvent être utilisées, notamment dans le domaine de la construction automobile, ce qui permet de s'affranchir des problèmes de vibrations. Par exemple, elles peuvent être utilisé pour réaliser des moteurs et générateurs électriques à haute vitesse, comme les compresseurs de climatisation, les compresseurs de gaz naturel, les turbocompresseurs électro-assistés, les compresseurs électriques, les turboalternateurs, les pompes, les gyroscopes, les volants d'inertie, les alternateurs automobiles... REVENDICATIONS 1. Machine électrique comportant un rotor (2) et un stator (4), le rotor (2) d'axe longitudinal (X) comportant une surface (8) en regard d'une surface (6) du rotor (2), lesdites surfaces (6, 8) étant en contact au niveau d'une zone dite zone de contact, dans laquelle chaque surface (6, 8) comporte un revêtement (10, 12) en carbone tétraédrique, un lubrifiant (15) étant introduit entre les deux revêtements. 2. Machine électrique selon la revendication 1, dans laquelle chaque revêtement comporte une couche (10.1, 12.1) en carbone tétraédrique déposée sur le rotor (2) et le stator (4) respectivement et une couche de graphite (10.2, 12.2) déposée sur la couche de carbone tétraédrique (10.1, 10.2). 3. Machine électrique selon l'une des revendications 1 à 2, dans laquelle le lubrifiant (15) est du glycérol. 4. Machine électrique selon l'une des revendications 1 à 3, dans laquelle une partie de la zone de contact barbote dans le lubrifiant. 5. Machine électrique selon l'une des revendications 1 à 3, comportant des moyens d'injection (16) du lubrifiant en au moins un endroit (18) de la zone de contact. 6. Machine électrique selon l'une des revendications 1 à 3, comportant au moins un réservoir (20) de lubrifiant dans le rotor (2) et/ou le stator (4). 7. Machine électrique selon la revendication 6, dans laquelle le réservoir (20) est formé par un matériau poreux disposé dans un logement (22) prévu dans le rotor (2) et/ou le stator (4), ledit logement (22) débouchant dans la zone de contact. 8. Machine électrique selon la revendication 9, dans laquelle le matériau poreux est un matériau fritté céramique ou métallique, par exemple le bronze. 9. Machine électrique selon l'une des revendications 1 à 8, dans laquelle le rotor (2) est en appui glissant longitudinalement contre un carter (14) de la machine, le rotor et le carter comportant chacun un revêtement en carbone tétraédrique, le lubrifiant étant introduit entre les deux revêtements. 10. Machine électrique selon l'une des 25 revendications 1 à 9, la machine électrique étant une machine électrique asynchrone.