Brevet FR2961278A1 — publié le 20111216

MACHINE TOURNANTE COMPORTANT UN DISPOSITIF DE SUSTENTATION ET DE CENTRAGE DE SON ROTOR La présente invention se rapporte à une machine tournante comportant un dispositif de sustentation et de centrage de son rotor. Plus particulièrement, l'invention se rapporte à un dispositif de sustentation et de centrage d'un volant d'inertie. Un volant d'inertie correspond dans une machine tournante à une masse liée à la partie tournante appelée également rotor et répartie autour de l'axe de rotation du rotor permettant d'augmenter le moment d'inertie. Le volant d'inertie permet le stockage et la restitution d'énergie cinétique. Dans une première phase, le volant d'inertie est entrainé en rotation par un élément tournant appelé générateur et emmagasine de l'énergie cinétique. Dans une seconde phase, lorsqu'il n'est plus entrainé en rotation, le volant d'inertie est apte à entrainer en rotation un élément tournant appelé récepteur et à restituer l'énergie cinétique emmagasinée. L'énergie cinétique étant fonction de la masse et du carré de la vitesse, le volant 15 d'inertie, ayant un moment d'inertie défini par sa forme et sa masse, accumule l'énergie par l'augmentation de la vitesse de rotation. Selon un mode de réalisation, le volant a un axe de rotation sensiblement vertical et comprend un corps avec un diamètre conséquent prolongé à une extrémité par un arbre avec un diamètre plus réduit que celui du corps dont l'extrémité libre 20 peut être reliée de manière alternée à un récepteur ou un générateur. Le volant d'inertie est guidé en rotation par rapport à un support fixe appelé stator grâce à au moins un palier. En complément, il est nécessaire de prévoir des moyens pour assurer la sustentation du volant d'inertie par rapport au stator. Compte tenu des vitesses de rotation élevées, les paliers et les moyens de sustentation sont de type magnétique afin d'optimiser le rendement et de supprimer les pertes par frottement ou par échauffement. Un volant d'inertie est notamment décrit dans le document FR-2.356.044. Ce dernier décrit un rotor flottant par rapport à un stator. Pour assurer la sustentation, le rotor comprend au niveau de sa face inférieure un aimant permanent annulaire disposé en vis-à-vis d'un aimant permanent annulaire solidaire du stator et identique au premier. Ainsi, ces deux aimants permanents ont des champs magnétiques avec des directions alignées et parallèles à l'axe de rotation, avec des sens contraires afin de travailler en répulsion selon une direction parallèle à l'axe de rotation. Pour assurer le centrage du rotor par rapport au stator, la partie du stator en regard du corps du rotor est divisée en deux niveaux, eux-mêmes divisés en différents secteurs comportant chacun un bobinage susceptible d'assurer des forces d'attraction radiales. En parallèle, le rotor comprend des rainures périphériques. Le dispositif comprend des moyens pour détecter la position du rotor par rapport au stator et aptes à renseigner des moyens de contrôle permettant si nécessaire de corriger la position du rotor par rapport au stator grâce aux bobinages. A cet effet, le rotor comprend en partie inférieure une jupe dont la cavité coopère avec une portion cylindrique du stator. Le rotor comprend au niveau de la jupe deux aimants permanents (un au niveau du fond de la cavité et un autre sur la paroi latérale de la cavité) qui sont décalés par rapport à des bobines prévues au niveau du stator qui génèrent chacune un signal en fonction de la position du rotor par rapport au stator. Selon ce document, le dispositif de centrage est relativement complexe. Aussi, la présente invention vise à proposer une machine tournante comportant un dispositif de sustentation et de centrage du rotor de conception simple et compacte. A cet effet, l'invention a pour objet une machine tournante comportant un élément tournant appelé rotor apte à tourner selon un axe de rotation vertical par rapport à un élément fixe appelé stator, des moyens de sustentation de type magnétique pour maintenir ledit rotor par rapport au stator selon une direction parallèle à l'axe de rotation et des moyens de centrage dudit rotor par rapport au stator dans un plan perpendiculaire à l'axe de rotation, caractérisée en ce que les moyens de centrage comprennent au niveau du rotor un premier aimant annulaire concentrique à l'axe de rotation et au niveau du stator un second aimant annulaire concentrique à l'axe de rotation, les premier et second aimants étant agencés de manière à créer une répulsion avec une résultante selon une direction radiale et une résultante selon l'axe de rotation. Ainsi, les moyens de centrage assurent également la sustentation du rotor. Avantageusement, le rotor est de type pendulaire pour assurer une meilleure stabilité. De préférence, les moyens pour générer un champ magnétique sont des aimants 20 permanents ce qui permet d'obtenir un dispositif de sustentation et de centrage de type passif. D'autres caractéristiques et avantages ressortiront de la description qui va suivre de l'invention, description donnée à titre d'exemple uniquement, en regard des dessins annexés sur lesquels : 25 - la figure 1 est une coupe selon un plan contenant l'axe de rotation d'une machine tournante selon l'invention, - la figure 2 est une coupe selon un plan contenant l'axe de rotation illustrant un rotor d'une machine tournante selon l'invention seul, - la figure 3 est une coupe selon un plan perpendiculaire à l'axe de rotation du rotor de la figure 2, - la figure 4 est une coupe selon un plan contenant l'axe de rotation illustrant un stator d'une machine tournante selon l'invention seul, - la figure 5 est une coupe selon un plan perpendiculaire à l'axe de rotation du stator de la figure 4, et - les figures 6 à 8 sont des variantes simplifiées de machines tournantes selon l'invention. Sur les différentes figures, on a représenté une machine tournante comportant un élément tournant 10 appelé rotor apte à tourner selon un axe de rotation 12 vertical par rapport à un élément fixe 14 appelé stator. Selon les applications, le rotor et le stator peuvent être d'un bloc ou constitués de plusieurs pièces assemblées. Selon une application, le rotor forme un volant inertiel susceptible de stocker de l'énergie cinétique. Toutefois, l'invention n'est pas limitée à cette application et couvre toutes les machines tournantes comportant un axe de rotation vertical et susceptibles de fonctionner à des vitesses de rotation relativement élevées. Selon un mode de réalisation illustré sur les figures 1 à 6 et 8, le rotor 10 comprend un corps 16 surmonté par un arbre 18 dont le diamètre est inférieur à celui du corps 16 et un disque 20 relié à l'extrémité supérieure de l'arbre 18 et dont le diamètre est supérieur à celui de l'arbre. Les formes du corps sont déterminées pour procurer un moment d'inertie par rapport à l'axe de rotation 12 important afin d'optimiser la quantité d'énergie cinétique stockée. Le corps 16 comprend une surface supérieure 22 plane sensiblement perpendiculaire à l'axe de rotation 12. Le disque 20 comprend au moins une surface inférieure 24 plane sensiblement perpendiculaire à l'axe de rotation 12 et donc sensiblement parallèle à la surface supérieure 22 du corps. Le stator 14 comprend une portion cylindrique creuse 26 dans laquelle peut se loger au moins une partie de l'arbre 18 avec à son extrémité inférieure un disque 28 comportant un orifice central autorisant le passage de l'arbre 18. Ainsi, le disque 28 est intercalé entre le corps 18 et le disque 20 du rotor. Avantageusement, le stator 14 est solidaire d'un carter 30 qui forme une cavité de forme adaptée pour loger le corps 16. Selon un autre mode de réalisation illustré sur la figure 7, le rotor 10 peut comprendre un corps 16 avec une cavité 32 au niveau de sa surface supérieure, de forme cylindrique et concentrique à l'axe de rotation 12, partiellement fermée par une paroi 34 comportant une ouverture 36 circulaire et concentrique à l'axe de rotation 12. En parallèle, le stator 14 comprend un arbre 38 qui pénètre dans la cavité 32 du rotor via l'ouverture 36 de la paroi 34 avec à son extrémité disposée dans la cavité un disque 40 avec un diamètre supérieur à l'arbre 38 qui comprend une surface en regard de la paroi 34. Comme précédemment, le stator 14 peut être solidaire d'un carter 30 qui forme une cavité de forme adaptée pour loger le rotor 10. La machine tournante comprend des moyens de sustentation pour maintenir le rotor 10 selon la direction parallèle à l'axe de rotation 12. La machine tournante comprend des moyens de centrage du rotor par rapport au stator. Selon l'invention, les moyens de centrage du rotor par rapport au stator assurent également au moins une partie de la fonction de sustentation. De préférence, les moyens de centrage assurent seuls la fonction de sustentation. Toutefois, des moyens de sustentation indépendants des moyens de centrage pourraient être envisagés pour renforcer l'effet de sustentation procuré par les moyens de centrage. Ces moyens de sustentation indépendants des moyens de centrage ne sont pas plus décrits car ils sont optionnels et peuvent être réalisés de la même manière que pour l'art antérieur. Selon l'invention, le rotor 10 comprend au moins un premier aimant annulaire 42 concentrique à l'axe de rotation 12 et le stator 14 comprend au moins un second aimant annulaire 46 concentrique à l'axe de rotation, le premier aimant 42 et le second aimant 46 étant agencés de manière à créer une répulsion avec une résultante selon une direction radiale (perpendiculaire à l'axe de rotation) et une résultante selon l'axe de rotation 12. Cet agencement permet d'obtenir un centrage du rotor autour de l'axe de rotation 12. Avantageusement, la force de répulsion générée par les aimants 42 et 46 est suffisante pour assurer la sustentation du rotor par rapport au stator. Le centre de gravité du rotor 10 est disposé sous le plan de sustentation qui correspond au plan perpendiculaire à l'axe de rotation, médian entre les faces en regard des aimants 42 et 46. Cet agencement permet d'obtenir un rotor de type pendulaire qui combiné à la sustentation procurée par l'effet répulsif des aimants 42 et 46 assure une plus grande stabilité du rotor. De préférence, les aimants 42 et 46 sont de type permanents ce qui permet d'obtenir un système de centrage passif. Selon un mode de réalisation illustré sur les figures 1 à 7, l'aimant 42 est susceptible de générer un champ magnétique avec une première direction 44 parallèle à l'axe de rotation et concentrique à l'axe de rotation 12 et l'aimant 46 est susceptible de générer un champ magnétique avec une seconde direction 48 parallèle à l'axe de rotation et concentrique à l'axe de rotation 12, les directions 44 et 48 étant décalées radialement (selon une direction perpendiculaire à l'axe de rotation 12). Les champs magnétiques générés respectivement par les aimants permanents 42 et 46 sont orientés en sens opposés de manière à obtenir un effet répulsif qui génère ou renforce l'effet de sustentation. Selon un mode de réalisation, le rotor 10 comprend un aimant permanent 42 sous forme d'un anneau concentrique à l'axe de rotation 12 et qui est solidarisé à la face inférieure 24 du disque 20 du rotor. En complément, le stator comprend un aimant permanent 46 sous forme d'un anneau concentrique à l'axe de rotation 12 et qui est solidarisé à la face du disque 28 du stator orientée vers la face 24. Le fait de prévoir des champs magnétiques décalés selon la direction radiale permet d'obtenir un guidage dans un plan perpendiculaire à l'axe de rotation 12. Selon un autre mode de réalisation illustré sur la figure 8, les aimants 42 et 46 ne sont pas rapportés sur une surface plane perpendiculaire à l'axe de rotation 12 mais chacun sur un tronc de cône de manière à ce que les champs magnétiques générés par les deux aimants ne soient pas parallèles avec l'axe de rotation 12 comme pour la variante précédente mais sécants avec ledit axe de rotation. Ce mode de réalisation améliore le centrage. Dans ce cas, les aimants 42 et 46 sont concentriques à l'axe de rotation. Selon les différents modes de réalisation, l'un des aimants a un diamètre extérieur compris entre les diamètres extérieur et intérieur de l'autre aimant 46. Selon les cas, les aimants 42 et 46 sont continus ou discontinus et en plusieurs parties. En variante, on pourrait remplacer les aimants permanents 42 et 46 par tous moyens susceptibles de générer des champs magnétiques avec des directions parallèles à l'axe de rotation 12 et concentriques auxdits axes de rotation 12 mais décalées selon la direction radiale. Les moyens 42 et 46 pour générer des champs magnétiques ne sont pas nécessairement rapportés sur les disques 20 et 28. Ainsi, ils peuvent être prévus au niveau de deux surfaces en regard l'une de l'autre et perpendiculaires à l'axe de rotation. Selon un mode de réalisation illustré sur les figures 1 à 4, des moyens 50 pour générer un champ magnétique selon une première direction parallèle à l'axe de rotation sont rapportés au niveau de la partie fixe du volant d'inertie et des moyens 52 pour générer au moins un second champ magnétique selon une direction parallèle à l'axe de rotation sont rapportés au niveau du rotor 10. Les moyens 52 sont des enroulements 54 disposés selon un cercle concentrique à l'axe de rotation 12, les enroulements 54 étant solidarisés au disque 24 du stator qui comprend au moins une ouverture 56 au droit des enroulements 54 pour laisser passer le champ magnétique. En complément, les moyens 52 comprennent une première série d'aimants permanents 58 rapportés sur la face inférieure 24 du disque 20 du rotor et une seconde série d'aimants permanents 60 rapportés sur la face supérieure du corps 16 du rotor. Les enroulements 54 disposés en anneau autour de l'axe de rotation 12 constituent des moyens pour assurer le transfert de l'énergie entre le rotor et le milieu extérieur. Ces éléments 50 à 60 de type magnétique permettent l'accélération du rotor en phase de mise en stockage et sa décélération en phase de restitution. Ainsi, les enroulements ne sont pas activés en phase de conservation de l'énergie par le rotor. REVENDICATIONS1. Machine tournante comportant un élément tournant (10) appelé rotor apte à tourner selon un axe de rotation (12) vertical par rapport à un élément fixe (14) appelé stator, des moyens (32, 34) de sustentation de type magnétique pour maintenir ledit rotor (10) par rapport au stator (14) selon une direction parallèle à l'axe de rotation (12) et des moyens de guidage dudit rotor (10) par rapport au stator (14) dans un plan perpendiculaire à l'axe de rotation, caractérisée en ce que les moyens de centrage comprennent au niveau du rotor un premier aimant (42) annulaire concentrique à l'axe de rotation et au niveau du stator un second aimant (46) annulaire concentrique à l'axe de rotation (12), les premier et second aimants (42, 46) étant agencés de manière à créer une répulsion avec une résultante selon une direction radiale et une résultante selon l'axe de rotation (12). 2. Machine tournante selon la revendication 1, caractérisée en ce que le rotor (10) est pendulaire. 3. Machine tournante selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que les premier et second aimants (42, 46) sont des aimants permanents. 4. Machine tournante selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'un des aimants a un diamètre extérieur compris entre les diamètres extérieur et intérieur de l'autre aimant. 5. Machine tournante selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le rotor (10) comprend une surface perpendiculaire à l'axe de rotation au niveau de laquelle est disposé le premier aimant (42) générant un champ magnétique selon une direction (44) parallèle à l'axe de rotation (12) et concentrique audit axe de rotation (12) et en ce que le stator (14) comprend une surface perpendiculaire à l'axe de rotation au niveau delaquelle est disposé le second aimant (46) générant un champ magnétique selon une direction (48) parallèle à l'axe de rotation (12) et concentrique audit axe de rotation (12), les directions (44, 48) étant décalées radialement. 6. Machine tournante selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que le rotor (10) comprend une surface tronconique au niveau de laquelle est disposé un premier aimant (42) générant un champ magnétique sécant à l'axe de rotation (12) et en ce que le stator (14) comprend une surface tronconique en regard de la surface tronconique du rotor au niveau de laquelle est disposé un second aimant (46) générant un champ magnétique sécant à l'axe de rotation (12). 7. Machine tournante selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le rotor (10) comprend un corps (16) prolongé par un arbre (18) dont l'extrémité libre est reliée à un disque (20) avec un diamètre supérieur à celui de l'arbre (18) et en ce que le stator (14) comprend une portion cylindrique creuse (26) dans laquelle peut se loger au moins une partie de l'arbre (18) avec à une extrémité un disque (28) comportant un orifice central autorisant le passage de l'arbre (18), les moyens (42, 46) pour générer les champs magnétiques étant disposés sur les faces des disques (20, 28) en regard. 8. Volant d'inertie selon l'une quelconque des revendications précédentes. 9. Volant d'inertie selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de type magnétique pour stocker l'énergie dans ledit volant d'inertie ou pour la restituer.