Brevet FR2985873A1 — publié le 20130719

Machine électrique comprenant deux rotors et au moins deux paliers, avec un seul palier agencé entre les deux rotors suivant l'axe de rotation La présente invention concerne une machine électrique comprenant : - au moins un stator, - un arbre mobile en rotation autour d'un axe de rotation, - deux rotors distincts, chacun étant solidaire de l'arbre, - au moins deux paliers, propres à supporter les deux rotors et l'arbre. On connaît une telle machine électrique comprenant deux stators, chacun étant destiné à engendrer un champ tournant, ainsi que deux rotors, chacun étant associé à un stator respectif et propre à être mis en mouvement sous l'effet du champ du stator associé. Une telle machine électrique comprend un arbre mobile en rotation autour d'un axe de rotation, les deux rotors étant solidaires de l'arbre, et deux paliers d'extrémité supportant l'arbre en chacune de ces extrémités. Les deux paliers d'extrémité sont disposés, suivant l'axe de rotation, de part et d'autre de l'ensemble des deux rotors. Toutefois, une telle machine électrique n'est pas adaptée pour des vitesses de rotation élevées, telles que des vitesses de rotation supérieures à 8000 tours par minute. Le but de l'invention est donc de proposer une machine électrique adaptée à des vitesses de rotation élevées, tout en conservant le même encombrement. A cet effet, l'invention a pour objet une machine électrique telle que décrite ci- dessus, caractérisée en ce qu'un seul palier est agencé entre les deux rotors suivant l'axe de rotation. Suivant d'autres aspects avantageux de l'invention, la machine électrique comprend une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises isolément ou suivant toutes les combinaisons techniquement possibles : - l'arbre est en forme d'un unique cylindre, les deux rotors étant solidaires de l'unique cylindre, - l'arbre comprend deux segments d'arbre, chaque rotor étant solidaire d'un segment d'arbre respectif, et les deux segments d'arbre sont solidaires en rotation autour de l'axe de rotation, - l'arbre comprend trois bouts d'arbre, chaque rotor étant solidaire de deux bouts d'arbre, un bout d'arbre disposé entre les deux rotors étant commun aux deux rotors et les trois bouts d'arbre étant solidaires en rotation autour de l'axe de rotation, - la machine comprend exactement trois paliers, deux paliers étant agencés, suivant l'axe de rotation, de part et d'autre de l'ensemble des deux rotors, et le troisième palier étant agencé entre les deux rotors suivant l'axe de rotation, - la machine comprend exactement deux paliers, un palier étant agencé au voisinage d'une extrémité de l'arbre, et l'autre palier étant agencé entre les deux rotors suivant l'axe de rotation, - chaque palier comporte son propre boitier, - chaque palier est un élément parmi le groupe consistant en : un palier magnétique, un palier à huile, un palier à eau, un palier à gaz et un palier à roulements, - la machine comprend une unique carcasse, et les deux rotors sont disposés à l'intérieur de la carcasse, - la machine présente une vitesse de rotation, autour de l'axe de rotation, supérieure à 8 000 tours par minute, de préférence supérieure à 15 000 tours par minute, de préférence encore supérieure à 20 000 tours par minute, - la machine comprend deux stators, chacun étant propre à entraîner en rotation à un rotor respectif, et - la machine comprend un unique stator, le stator étant propre à entraîner en rotation les deux rotors. Ces caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple non limitatif, et faite en référence aux dessins annexés, sur lesquels : - la figure 1 est une vue schématique en coupe axiale d'une machine électrique selon un premier mode de réalisation de l'invention, et - la figure 2 est une vue analogue à celle de la figure 1 selon un deuxième mode de réalisation de l'invention. La machine électrique 10 comprend une carcasse 12, un premier stator 14 et un premier rotor 16, ainsi qu'un deuxième stator 18 et un deuxième rotor 20. En variante non représentée, la machine électrique 10 comprend un unique stator. La machine électrique 10 comprend un arbre 22, mobile en rotation autour d'un axe longitudinal X, également appelé axe de rotation, les deux rotors 16, 20 étant solidaires de l'arbre 22. La machine électrique 10 comprend également un premier palier 24, un deuxième palier 26 et un troisième palier 28, propres à supporter l'arbre 22 et les deux rotors 16, 20. Dans l'exemple de réalisation de la figure 1, la machine électrique 10 comprend exactement trois paliers 24, 26, 28. La machine électrique 10 est, par exemple, une machine asynchrone. En variante, la machine 10 est une machine synchrone. La machine électrique 10 présente une vitesse de rotation nominale élevée, telle qu'une vitesse supérieure à 8 000 tours par minute. La vitesse de rotation nominale est de préférence supérieure à 15 000 tours par minute, de préférence encore supérieure à 20 000 tours par minute. La carcasse 12 comprend un corps principal 30 en forme d'un cylindre creux s'étendant selon l'axe longitudinal X, et deux platines d'extrémité 32. Chaque platine d'extrémité 32 obture une ouverture 34 du corps principal agencée en une extrémité respective du cylindre creux. La carcasse 12 porte les premier et deuxième stators 14, 18, ainsi que les premier, deuxième et troisième paliers 24, 26, 28. Chaque stator 14, 18 comporte un corps principal 36 et des enroulements 38 maintenus dans les encoches du corps principal 36. Le corps principal 36 est en forme d'un cylindre d'axe X, et présente en son centre un évidement 40 de passage du rotor 16, 20 correspondant, comme représenté sur la figure 1. Chaque enroulement 38 est propre à engendrer un champ tournant susceptible d'entraîner en rotation le rotor 16, 20 correspondant. Chaque rotor 16, 20 comporte un corps principal 42 s'étendant selon l'axe longitudinal X, ainsi qu'un enroulement rotorique, non représenté, refermé sur lui-même, formant une cage d'écureuil, lorsque la machine électrique 10 est une machine asynchrone. Le corps principal 42 comprend un empilement 44 de fines tôles métalliques coopérant avec deux organes de serrage 46, en forme de brides, disposés de part et d'autre de chaque extrémité axiale de cet empilement 44. Les deux organes de serrage 46 sont reliés mécaniquement par des tirants de fixation, non représentés, les tirants de fixation s'étendant selon l'axe longitudinal X et traversant de part en part l'empilement de tôles 44 selon l'axe longitudinal X. En complément, les organes de serrage 46 sont solidaires de l'arbre 22. En variante, chaque rotor 16, 20 est un rotor à aimants permanents, et comporte une pluralité d'aimants fixés au corps principal 42, lorsque la machine électrique 10 est une machine synchrone. Les aimants permanents forment des pôles magnétiques correspondants. Chaque rotor 16, 20 présente un diamètre D selon une direction radiale perpendiculaire à l'axe longitudinal X, et la valeur du diamètre D est sensiblement identique pour les deux rotors 16, 20. La valeur du diamètre D est typiquement comprise entre 150 mm et 350 mm. Les deux stators 14, 18 et les deux rotors 16, 20 sont disposés à l'intérieur de la carcasse 12, c'est-à-dire à l'intérieur du cylindre creux 30. L'arbre 22 est mobile en rotation autour de l'axe longitudinal X, et est porté par les paliers 24, 26, 28. L'arbre 22 présente une longueur L selon l'axe longitudinal X. La longueur L de l'arbre 22 est typiquement comprise entre 1 500 mm et 3 000 mm. Dans l'exemple de réalisation de la figure 1, l'arbre 22 comporte trois bouts d'arbre 47, un bout d'arbre 47 étant disposé entre les deux rotors 16, 20, et les deux autres bouts d'arbre 47 étant disposés de part et d'autre des deux rotors 16, 20 suivant l'axe longitudinal X. Les trois bouts d'arbre 47 sont fixés aux organes de serrage 46 correspondants. En variante, les organes de serrage 46 sont venus de matière avec les bouts d'arbre 47 correspondants. Le bout d'arbre 47 disposé entre les deux rotors 16, 20 et les deux organes de serrage 46 correspondants ne forment alors qu'une seule pièce. En variante non représentée, l'arbre 22 comprend deux segments d'arbre distincts, chaque rotor 16, 20 étant solidaire d'un segment d'arbre respectif. L'arbre 22 comprend de préférence exactement deux segments d'arbre distincts. Chaque segment d'arbre traverse le rotor 16, 20 correspondant de part en part suivant l'axe X, et les deux segments d'arbre sont solidaires en rotation autour de l'axe de rotation X, en l'absence d'accouplement flexible entre eux. En variante non représentée, l'arbre 22 est en forme d'un unique cylindre, et est réalisé d'un seul tenant. Les premier et deuxième paliers 24, 26, également appelés paliers d'extrémité, sont agencés de part et d'autre de l'ensemble des deux rotors 16, 20 suivant l'axe longitudinal X. Selon l'invention, un unique palier, à savoir le troisième palier 28, également appelé palier intermédiaire, est agencé entre les deux rotors 16, 20 suivant l'axe longitudinal X, formant axe de rotation des rotors. Chaque palier 24, 26, 28 comporte son propre boîtier 48. Le palier 24, 26, 28 est, par exemple, un palier magnétique. En variante, le palier 24, 26, 28 est un palier à huile, ou un palier à eau, ou un palier à gaz, ou encore un palier à roulements. Les premier et deuxième paliers 24, 26 sont de préférence d'un type distinct du troisième palier 28. Les premier et deuxième paliers 24, 26 sont, par exemple, des paliers magnétiques, et le troisième palier 28 est un palier à huile. En variante, les premier et deuxième paliers 24, 26 sont, par exemple, des paliers à huile, et le troisième palier 28 est un palier magnétique. En variante, les premier, deuxième et troisième paliers 24, 26, 28 sont tous de même type. Les premier, deuxième et troisième paliers 24, 26, 28 sont, par exemple, des paliers magnétiques. Les premier et deuxième paliers 24, 26 sont solidaires d'une platine d'extrémité 32 respective. Le troisième palier 28 est solidaire d'un support 50 fixé à l'intérieur du cylindre creux 30 de la carcasse. Dans l'exemple de réalisation de la figure 1, le troisième palier 28 est disposé sensiblement au milieu de l'espacement entre le premier rotor 16 et le deuxième rotor 20 selon l'axe longitudinal X. Autrement dit, le troisième palier 28 est disposé sensiblement à mi-distance entre le premier rotor 16 et le deuxième rotor 20 selon l'axe longitudinal X. En variante, lorsque l'arbre 22 comprend deux segments d'arbre distincts solidaires en rotation autour de l'axe de rotation X, la fixation des deux segments d'arbre est positionnée sensiblement au milieu de l'espacement entre le premier rotor 16 et le deuxième rotor 20 selon l'axe longitudinal X, et le troisième palier 28 est alors décalé par rapport au milieu dudit espacement entre le premier rotor 16 et le deuxième rotor 20. Chaque palier 24, 26, 28 est un moyen de soutien de l'arbre 22, notamment propre à permettre le positionnement des rotors 16, 20 selon une direction radiale perpendiculaire à l'axe longitudinal X. En complément, un des paliers 24, 26, 28 intègre une fonction de butée axiale, afin de permettre le positionnement des rotors 16, 20 selon l'axe longitudinal X. Lors du fonctionnement de la machine électrique 10, l'arbre 22 tend à se fléchir selon la direction radiale sous l'effet de la force centrifuge et de la force de gravité, la force centrifuge étant de manière connue une fonction croissante de la vitesse de rotation de la machine. Le palier intermédiaire 28, agencé selon l'invention entre les deux rotors 16, 20 suivant l'axe longitudinal X, permet alors d'éviter une flèche excessive de l'arbre 22, ce qui autorise un fonctionnement à des vitesses de rotation élevées, telles que des vitesses supérieures à 8 000 tours par minute. Le palier intermédiaire 28 permet également d'augmenter les fréquences propres de l'arbre 22 et des deux rotors 16, 20, ce qui réduit les vibrations de l'arbre 22 et des deux rotors 16, 20 en rotation. En effet, les fréquences propres de l'arbre 22 et des deux rotors 16, 20 ne correspondent alors plus à la plage exploitée de vitesses de rotation, ce qui permet d'éviter des résonances importantes dans la plage exploitée de vitesses de rotation. L'encombrement de la machine électrique selon l'invention est en outre sensiblement identique à l'encombrement de la machine de l'état de la technique, étant donné que le troisième palier 28 est agencé entre les deux rotors 16, 20 existants. L'encombrement de la machine électrique selon l'invention est par contre inférieur à celui de deux machines électriques de l'état de la technique accouplées entre elles via un accouplement, chaque machine électrique ayant son propre rotor et son propre stator agencés à l'intérieur de sa propre carcasse. Les deux rotors 16, 20 permettent d'améliorer la fiabilité de la machine électrique 10, puisqu'en cas d'avarie d'un rotor parmi les deux rotors 16, 20 ou en cas d'avarie d'un stator parmi les deux stators 14, 18, l'autre rotor et l'autre stator restent opérationnels. Les deux rotors 16, 20 permettent également d'augmenter la puissance électrique de la machine électrique, tout en conservant un encombrement identique selon la direction radiale, perpendiculaire à l'axe longitudinal X, ou bien permettent, à puissance électrique équivalente, de diminuer l'encombrement de la machine électrique selon la direction radiale. Etant donné, d'une part, que la valeur du diamètre D des rotors 16, 20 est limitée par les contraintes liées à la force centrifuge et la vitesse périphérique, et d'autre part, que la longueur de chaque rotor 16, 20 est limitée pour éviter une flèche excessive, de par la vitesse de rotation élevée, supérieure à 8 000 tours par minute, la puissance électrique d'une machine électrique tournant à une telle vitesse est relativement limitée. La machine électrique 10 selon l'invention permet alors d'offrir une puissance électrique plus importante pour les vitesses de rotation précitées et une valeur donnée du diamètre D, de par la présence du palier intermédiaire 28 limitant la flèche de l'arbre 22. On conçoit ainsi que la machine électrique selon l'invention est adaptée pour fonctionner à des vitesses de rotation élevées, telles que des vitesses supérieures à 8 000 tours par minute, de préférence supérieures à 15 000 tours par minute, et de préférence encore supérieures à 20 000 tours par minute, tout en conservant le même encombrement selon la direction radiale. La figure 2 illustre un deuxième mode de réalisation de l'invention pour lequel les éléments analogues au premier mode de réalisation, décrits précédemment, sont repérés par des références identiques, et ne sont pas décrits à nouveau. Selon le deuxième mode de réalisation, la machine électrique 10 comprend un palier d'extrémité 26 à une seule extrémité de l'arbre 22 et le palier intermédiaire 28. Dans l'exemple de réalisation de la figure 2, la machine électrique 10 comprend exactement deux paliers 26, 28. Selon l'invention, un unique palier, à savoir le palier intermédiaire 28, est agencé entre les deux rotors 16, 20 suivant l'axe longitudinal X. Le palier d'extrémité 26 est agencé au voisinage d'une extrémité de l'arbre 22. L'extrémité de l'arbre 22 qui n'est pas supportée par un palier d'extrémité est à l'écart de la platine d'extrémité 32 respective, et n'est pas supportée par ladite platine d'extrémité 32. L'extrémité de l'arbre 22 qui n'est pas supportée par un palier d'extrémité 32 est destinée à être supportée par un palier d'une autre machine propre à être accouplée à la machine électrique 10. L'autre machine est, par exemple, entraînée par la machine électrique 10. En complément, un joint d'étanchéité, non représenté, est agencé entre ladite extrémité de l'arbre 22 non supportée par un palier d'extrémité et la platine d'extrémité 32 correspondante. Le palier d'extrémité 26 est solidaire d'une platine d'extrémité 32 respective. Le palier intermédiaire 28 est solidaire du support 50 fixé à l'intérieur du cylindre creux 30 de la carcasse. Chaque palier 26, 28 comporte son propre boîtier 48. Le palier 26, 28 est, par exemple, un palier magnétique. En variante, le palier 26, 28 est, par exemple, un palier à huile, ou un palier à eau, ou un palier à gaz, ou encore un palier à roulements. Le palier d'extrémité 26 est de préférence d'un type distinct du palier intermédiaire 28. Le palier d'extrémité 26 est, par exemple, un palier magnétique, et le palier intermédiaire 28 est un palier à huile. En variante, le palier d'extrémité 26 est, par exemple, un palier à huile, et le palier intermédiaire 28 est un palier magnétique. En variante, le palier d'extrémité 26 et le palier intermédiaire 28 sont de même type. Le palier d'extrémité 26 et le palier intermédiaire 28 sont, par exemple, des paliers magnétiques. Le fonctionnement de ce deuxième mode de réalisation est analogue à celui du premier mode de réalisation, et n'est pas décrit à nouveau. Les avantages de ce deuxième mode de réalisation sont analogues à ceux du premier mode de réalisation, et ne sont pas décrits à nouveau. On conçoit ainsi que la machine électrique selon l'invention est adaptée pour fonctionner à des vitesses de rotation élevées, telles que des vitesses supérieures à 8 000 tours par minute, de préférence supérieures à 15 000 tours par minute, et de préférence encore supérieures à 20 000 tours par minute, tout en conservant le même encombrement selon la direction radiale. REVENDICATIONS1.- Machine électrique (10) comprenant : - au moins un stator (14, 18), - un arbre (22) mobile en rotation autour d'un axe de rotation (X), - deux rotors (16, 20) distincts, chacun étant solidaire de l'arbre (22), - au moins deux paliers (24, 26, 28), propres à supporter les deux rotors (16, 20) et l'arbre (22), caractérisée en ce qu'un seul palier (28) est agencé entre les deux rotors (16, 20) suivant l'axe de rotation (X). 2.- Machine électrique (10) selon la revendication 1, dans laquelle l'arbre (22) est en forme d'un unique cylindre, les deux rotors (16, 20) étant solidaires de l'unique cylindre. 3.- Machine électrique (10) selon la revendication 1, dans laquelle l'arbre (22) comprend deux segments d'arbre, chaque rotor (16, 20) étant solidaire d'un segment d'arbre respectif, et les deux segments d'arbre sont solidaires en rotation autour de l'axe de rotation (X). 4.- Machine électrique (10) selon la revendication 1, dans laquelle l'arbre (22) comprend trois bouts d'arbre (47), chaque rotor (16, 20) étant solidaire de deux bouts d'arbre (47), un bout d'arbre (47) disposé entre les deux rotors (16, 20) étant commun aux deux rotors (16, 20) et les trois bouts d'arbre (47) étant solidaires en rotation autour de l'axe de rotation (X). 5.- Machine électrique (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle la machine (10) comprend exactement trois paliers (24, 26, 28), deux paliers (24, 26) étant agencés, suivant l'axe de rotation (X), de part et d'autre de l'ensemble des deux rotors (16, 20), et le troisième palier (28) étant agencé entre les deux rotors (16, 20) suivant l'axe de rotation (X). 6.- Machine électrique (10) selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans laquelle la machine (10) comprend exactement deux paliers (26, 28), un palier (26) étant agencé au voisinage d'une extrémité de l'arbre (22), et l'autre palier (28) étant agencé entre les deux rotors (16, 20) suivant l'axe de rotation (X). 7.- Machine électrique (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle chaque palier (24, 26, 28) comporte son propre boitier (48). 8.- Machine électrique (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle chaque palier (24, 26, 28) est un élément parmi le groupeconsistant en : un palier magnétique, un palier à huile, un palier à eau, un palier à gaz et un palier à roulements. 9.- Machine électrique (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle la machine (10) comprend une unique carcasse (12), et les deux rotors (16, 20) sont disposés à l'intérieur de la carcasse (12). 10.- Machine électrique (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle la machine (10) présente une vitesse de rotation, autour de l'axe de rotation (X), supérieure à 8 000 tours par minute, de préférence supérieure à 15 000 tours par minute, de préférence encore supérieure à 20 000 tours par minute. 11.- Machine électrique (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle la machine (10) comprend deux stators (14, 18), chacun étant propre à entraîner en rotation à un rotor (16, 20) respectif. 12.- Machine électrique (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle la machine (10) comprend un unique stator, le stator étant propre à entraîner en rotation les deux rotors (16, 20).