Brevet FR2927385A1 — publié le 20090814

La présente invention concerne un palier de guidage d'un arbre mobile, notamment rotatif, dans un bâti. Par exemple, les rotors des machines électriques doivent être suspendus dans les carcasses de celles-ci. L'objectif est de limiter ou supprimer les frottements entre le rotor et la carcasse afin de permettre la rotation de la machine sans pertes excessives qui limiteraient le rendement, la vitesse maximale, la fiabilité et la durée de vie de la machine. Pour ce faire, on utilise généralement des paliers à roulements à billes ou à rouleaux et plus rarement des paliers fluides ou magnétiques. Les paliers à éléments roulants (billes ou rouleaux) ont l'avantage de la simplicité et d'un coût relativement faible. En revanche, ils sont générateurs de pertes dues aux frictions coulombiques dont ils sont le siège. Ces frictions dont les efforts sont proportionnels à la vitesse, grèvent le rendement de la machine, font chauffer les paliers à haute vitesse et sont la cause principale de leur défaillance en fin de vie. Le principe des paliers fluides consiste à injecter un fluide sous pression pour constituer un coussin d'huile ou d'air autour du rotor et ainsi le suspendre sans contact rotor-carcasse. Cette solution présente l'avantage de réduire fortement les frictions dans le palier et d'éliminer toute usure. En revanche, elle impose une consommation d'énergie pour injecter le fluide et des frottements résiduels persistent, dus à la traînée aérodynamique ou hydrodynamique dont le fluide est le siège. Ces frottements augmentent avec le carré de la vitesse du rotor et, par conséquent, sont limitant à haute et très haute vitesse. Enfin, les équipements supplémentaires comme la pompe d'injection de fluide ont, compte tenu de leurs caractéristiques, un coût prohibitif pour les applications automobiles. MS\REN066FR.dpt Les paliers magnétiques utilisent les forces de répulsion entre un aimant et un électroaimant pour maintenir le rotor en lévitation. Ils ont comme principal avantage, par rapport aux paliers fluides, d'éliminer la traînée aérodynamique ou hydrodynamique. II subsiste en revanche une consommation d'énergie due à l'alimentation électrique de l'électroaimant et des pertes par courant de Foucault et hystérésis dans les aimants et le fer du palier. De plus, la complexité de la solution a pour résultat un coût prohibitif pour les applications automobiles. Le but de l'invention est de fournir un palier de guidage et/ou de support permettant d'obvier aux inconvénients identifiés précédemment et permettant d'améliorer les paliers connus de l'art antérieur. En particulier, l'invention propose un palier permettant de limiter, voire annuler, les frictions et les efforts qu'elles engendrent, de lirniter, voire annuler, l'usure à l'interface arbre-palier. Le palier selon l'invention permet de guider et/ou de supporter un arbre incluant une première surface revêtue d'une première couche de carbone tétraédrique puis d'une première couche de graphite. Il comprend un alésage recevant l'arbre. Il est caractérisé en ce que l'alésage comprend une deuxième surface revêtue d'une deuxième couche de carbone tétraédrique puis d'une deuxième couche de graphite et en ce qu'il comprend un moyen de maintien d'un film de lubrifiant entre les première et deuxième couches de graphite. Le lubrifiant peut être du glycérol. Le moyen de maintien peut comprendre une pompe alimentant le palier en lubrifiant. Le moyen de maintien peut comprendre au moins un joint d'étanchéité évitant que le lubrifiant ne s'échappe du palier. MS\REN066FR.dpt30 L'au moins un joint d'étanchéité peut comprendre un joint strié et/ou un joint à lèvre. Le moyen de maintien peut comprendre le barbotage du palier dans le lubrifiant. L'alésage recevant l'arbre peut être conique et destiné à coopérer avec une portion conique de l'arbre. Selon l'invention, la machine, en particulier machine électrique, comprend un arbre rotatif incluant une surface revêtue d'une couche de carbone tétraédrique puis d'une couche de graphite et supporté par au moins un palier défini précédemment. Selon l'invention, le véhicule automobile comprend un palier défini précédemment ou une machine définie précédemment. Le dessin annexé représente, à titre d'exemples, plusieurs modes de 20 réalisation d'un palier selon l'invention. La figure 1 est un schéma d'un premier mode de réalisation d'un palier selon l'invention. 25 La figure 2 est un schéma d'une machine comprenant un deuxième mode de réalisation d'un palier selon l'invention. La figure 3 est un schéma d'un troisième mode de réalisation d'un palier selon l'invention. La figure 4 est un schéma d'une machine comprenant un quatrième mode de réalisation d'un palier selon l'invention. MS\REN066FR.dpt 15 30 La figure 5 est un schéma d'un cinquième mode de réalisation d'un palier selon l'invention. La figure 6 est un schéma d'une première machine électrique utilisant des paliers selon l'invention. Les figures 7 et 8 sont des graphiques représentant la puissance disponible en sortie d'une machine selon que des paliers à éléments 10 roulants ou des paliers selon l'invention sont utilisés dans cette machine. La figure 9 est un schéma d'une variante de réalisation d'un palier selon l'invention. 15 Les figures 10 et 11 sont des schémas d'une première machine électrique et d'une deuxième machine électrique utilisant cette variante de paliers selon l'invention. L'invention repose sur un phénomène de � supra-friction �. Par ce 20 phénomène, deux surfaces glissent l'une par rapport à l'autre sans aucune friction. Ce phénomène peut être observé en laboratoire entre deux surfaces de graphite dont la structure cristalline ressemble aux cartons pour transporter les oeufs. La supra-friction est obtenue exclusivement pour un certain alignement des deux surfaces, ce qui rend 25 difficile l'utilisation du phénomène dans des applications industrielles. En revanche, on a remarqué que la supra-friction peut être obtenue en pratique entre deux surfaces préparées de la façon suivante : ù les surfaces sont recouvertes chacune d'une couche de carbone 30 tétraédrique (noté ta-C), par exemple par dépôt de carbone en phase vapeur sous vide à 2000°C, la couche de ta-C ayant par MS\REN066FR.dpt exemple une épaisseur de quelques nanomètres. les surfaces sont ensuite recouvertes chacune d'une couche de graphite de quelques microns d'épaisseur, déposée par-dessus la couche ta-C, les deux surfaces sont ensuite montées en vis-à-vis puis leur interface est lubrifiée par un lubrifiant, par exemple par un lubrifiant naturel tel que le glycérol. On obtient alors un contact sans friction entre les deux surfaces. Le phénomène peut avantageusement être utilisé pour réaliser des paliers, notamment des paliers sans frottements. Un premier mode de réalisation d'un tel palier 1 est représenté à la figure 15 1. Le palier est destiné à guider et/ou à supporter un arbre 2, par exemple un arbre rotatif. Pour ce faire le palier comprend un alésage 3 destiné à recevoir l'arbre. L'arbre, par exemple métallique, est recouvert d'une première couche 4a 20 de carbone tétraédrique, puis d'une première couche de graphite 4b. L'alésage, par exemple métallique, est recouvert d'une deuxième couche 5a de carbone tétraédrique, puis d'une deuxième couche de graphite 5b. 25 Les dimensions de l'arbre et de l'alésage sont telles qu'une fois recouverts par ces deux couches, il demeure, entre l'alésage et l'arbre, un jeu tel qu'un film 6 de lubrifiant puisse se former. De préférence, un ajustement glissant 8 entre l'arbre et l'alésage en milieu de palier a des tolérances serrées, par exemple H7e7 (ou E7g5 si l'arbre est usiné avec 30 la même cote et la même qualité sur toute la longueur du palier). MS\REN066FR.dpt10 Le palier comprend également un moyen de maintien du film 6 de lubrifiant entre les première et deuxième couches de graphite. Par exemple, ce moyen comprend des ajustements glissants 7 en bout de palier qui ont des tolérances très serrées, par exemple H6g5. Ces ajustements assurent une fonction d'étanchement. Néanmoins, cette capacité d'étanchement est limitée. Un des problèmes posés par la construction d'un palier supra-frictif est de contenir le glycérol entre les deux surfaces du palier. Aussi, il peut l0 être envisagé d'utiliser un autre moyen de maintien clu film 6 de lubrifiant entre les première et deuxième couches de graphite qui soit plus performant que celui utilisé dans le premier mode de réalisation. Ainsi, un deuxième mode de réalisation d'un palier 1A selon l'invention 15 est utilisé dans une machine 10. La machine comprend un bâti 11 dans lequel sont pratiquées des portées 14 recevant deux paliers 1A guidant un arbre 2A à travers le bâti. Dans ces portées, des joints, par exemple des joints à lèvres 12, sont également mis en place. Ces joints sont en contact avec l'arbre 2A et permettent d'étancher un lubrifiant 13 contenu 20 dans le bâti. De cette manière, toute la machine baigne dans le glycérol. Cette solution est simple mais présente trois inconvénients : le glycérol peut présenter des risques d'incompatibilité chimique avec des composants 25 de la machine, ensuite, il faut utiliser des joints pour maintenir le glycérol dans la machine, ce qui engendre des frictions et de l'usure, et enfin le glycérol engendre une traînée hydrodynamique de l'arbre en rotation, friction supplémentaire qui affecte les gains apportés par les paliers supra-frictifs. Pour réduire cette traînée, il est possible de limiter la 30 surface de l'arbre dans le glycérol en abaissant le niveau de glycérol. Toutefois, ce niveau doit au minimum atteindre le bas de l'interface arbre- MS\REN066FR.dpt palier. Dans un troisième mode de réalisation d'un palier 1B selon l'invention, on utilise deux joints 12B par palier pour maintenir une quantité de glycérol au niveau du palier, par exemple de part et d'autre de l'alésage 3B. On évite ainsi les inconvénients liés au barbotage de l'arbre de la machine dans le glycérol. Cependant, les inconvénients de frottements et usure dus aux joints demeurent. Dans un quatrième mode de réalisation d'un palier 1C selon l'invention, représenté à la figure 5, on utilise deux joints 12C par palier pour maintenir une quantité de glycérol au niveau du palier, par exemple de part et d'autre de l'alésage 3C. Les joints 12C sont des joints sans contact. Ils sont par exemple réalisés par une série de gorges 14 dans les portions 13 d'alésage 3C à l'extrémité du palier. Ils reposent sur le principe de supra-friction décrit précédemment. Ainsi, les ajustements entre l'arbre 3C et les portions d'alésage aux extrémités des paliers sont glissants à tolérances très serrées. Par exemple, les ajustements peuvent être du type H6g5 entre l'arbre et les portions d'alésage entre gorges et peuvent être du type H8f7 entre l'arbre et le fond des gorges 14 (préférentiellement F8g5 si l'arbre est usiné avec la même cote et la même tolérance tout le long du joint). Dans ce mode de réalisation, les couches de carbone tétraédrique et de graphite recouvrent également le joint pour permettre un effet de supra friction à ce niveau. Ce mode de réalisation ne présente aucun inconvénient de traînée hydrodynamique de barbotage ou de friction dû à l'usage d'un joint. Cependant, une difficulté demeure. Comme dans le premier mode de réalisation, il faut suffisamment de glycérol dans tout le palier pour assurer la supra-friction. Ceci est particulièrement difficile à réaliser pour les ajustements à tolérances très serrées qui assurent l'étanchéité du MS\REN066FR.dpt palier aux deux bouts. Il faut donc que le lubrifiant soit sous pression suffisante pour qu'un film de celui-ci apparaisse sur toute la longueur du palier. Pour ce faire, le lubrifiant peut être mis sous pression au moyen d'une pompe 20 ou alors le lubrifiant peut être injecté sous pression lors de la construction du palier. Ainsi, une machine semblable à la machine de la figure 2 est représentée à la figure 4. Elle est munie de paliers conformes au premier mode de réalisation ou au quatrième mode de réalisation mais dont le moyen de maintien d'un film de lubrifiant entre les première et deuxième couches de graphite comprend une pompe 20 et une conduite 21 pour aspirer le lubrifiant dans le bâti de la machine et des conduites 22 pour amener le lubrifiant dans les paliers. Une application du palier selon l'invention à un moteur électrique 40 est illustré à la figure 6. Le moteur comprend un stator 42 et un rotor 41 guidé par des paliers 43 selon l'invention est schématisé à la figure 6. Le palier selon l'invention apporte de nombreux avantages : û réduction des pertes : les pertes totales dans la machine sont réduites par l'absence de frictions coulombiques au niveau des paliers. La machine a donc un meilleur rendement, fournit plus de puissance et l'échauffement aux paliers est éliminé. C'est un avantage tout particulièrement aux hautes vitesses où ces pertes sont normalement élevées comme le montre la figure 7. absence d'usure : en l'absence de friction aux paliers, il n'y a aucun point de contact entre le rotor et le stator de la machine et donc pas d'usure. La durée de vie de la machine est donc considérablement augmentée et n'est pas limitée par des considérations d'usure. augmentation de la vitesse maximale : le couple résistant étant débarrassé des frictions coulombiques, la machine dispose de plus de couple pour monter en vitesse et vaincre les autres frottements de la machine (aérodynamiques). Cet avantage est MS\REN066FR.dpt surtout sensible pour les machines travaillant à très haute vitesse, comme les entraînements de compresseurs de climatisation, de pompes à gaz, de turbocompresseurs assistés électriquement. Cet avantage est illustré à la figure 8. augmentation de la densité de couple et de puissance : le couple résistant est débarrassé de la friction coulombique. Par conséquent, le couple total disponible en sortie de la machine est augmenté d'autant. La puissance totale s'en trouve également augmentée. N'importe quel mode de réalisation du palier supra-frictif peut être utilisé dans la machine 40. Une variante de réalisation du palier selon l'invention est représentée à la figure 9. Dans cette variante, le palier 101 diffère de l'un ou de l'autre des modes de réalisation décrit plus haut en ce qu'il comporte un alésage conique 103 destiné à recevoir une partie conique 104 d'un arbre 102 tournant par rapport à l'alésage autour d'un axe 105. Un tel palier permet donc de reprendre des efforts axiaux et radiaux. Ainsi, le palier 101 peut être utilisé dans une machine électrique 110 à flux radial représentée à la figure 10. Cette machine comprend un stator 111 et un rotor 112 guidé par des paliers 101. De même, le palier 101 peut être utilisé dans une machine électrique 120 à flux axial représentée à la figure 11. Cette machine comprend un stator 121 et un rotor 122 guidé par des paliers 101. MS\REN066FR.dpt Revendications : 1 . Palier (1 ; 1A ; 1 B ; 1C ; 1 D ; 43 ; 101) de guidage et/ou de support d'un arbre (2 ; 2A ; 2B ; 2C ; 2D ; 44 ; 102 ; 112 ; 122) incluant une première surface revêtue d'une première couche (4a) de carbone tétraédrique puis d'une première couche (4b) de graphite, comprenant un alésage (3 ; 3A ; 3B ; 3C ; 3D ; 103) recevant l'arbre, caractérisé en ce que l'alésage comprend une deuxième surface revêtue d'une deuxième couche (5a) de carbone tétraédrique puis d'une deuxième couche (5b) de graphite et en ce qu'il comprend un moyen (7 ; 12 ; 12B ; 20 , 21, 22 ; 12C) de maintien d'un film (6) de lubrifiant entre les première et deuxième couches de graphite. 2. Palier selon la revendication 1, caractérisé en ce que le lubrifiant est du glycérol. 3. Palier selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le moyen de maintien comprend une pompe (20) alimentant le palier en 20 lubrifiant. 4. Palier selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le moyen de maintien comprend au moins un joint (12 ; 12B ; 12C) d'étanchéité évitant que le lubrifiant ne s'échappe du palier. 5. Palier selon la revendication précédente, caractérisé en ce que l'au moins un joint d'étanchéité comprend un joint strié (12C) et/ou un joint à lèvre (12 ; 12B). 30 6. Palier selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le moyen de maintien comprend le barbotage du palier dans le lubrifiant. MS\REN066FR.dpt 25 7. Palier selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'alésage (103) recevant l'arbre est conique et est destiné à coopérer avec une portion conique (104) de l'arbre. 8. Machine (10 ; 20 ; 110 ; 120), en particulier machine électrique, comprenant un arbre rotatif (2 ; 2A ; 2B ; 2C ; 2D ; 44 ; 102 ; 112 ; 122) incluant une surface revêtue d'une couche de carbone tétraédrique puis d'une couche de graphite et supporté par au moins un palier selon l'une des revendications précédentes. 9. Véhicule automobile comprenant un palier selon l'une des revendications 1 à 7 ou une machine selon la revendication 8. MS\REN066FR.dpt