Brevet FR2980538A1 — publié le 20130329

B10-5471FR 1 Groupe moto-compresseur à cartouche amovible L'invention concerne un moteur électrique à grande vitesse de type intégré et, plus particulièrement, un groupe moto-compresseur, ou turbo compresseur, à grande vitesse de type intégré à cartouche amovible. Un moteur à haute vitesse est un moteur dont la fréquence de rotation est supérieure à la fréquence du réseau d'alimentation électrique. Un moteur à grande vitesse possède typiquement une vitesse de rotation supérieure à 3600 tr/min. Un groupe moto-compresseur intégré conventionnel est représenté en partie sur la figure 1. Il comprend un carter C étanche dans lequel sont montés un moteur électrique M et un groupe compresseur, non représenté, par exemple à plusieurs étages, qui comporte plusieurs roues à aubes de compression portées par un arbre mené couplé à un rotor entraîné par le moteur M. Le carter C, fermé par un couvercle T, comporte une première enveloppe Ec, dédiée au compresseur, assemblée avec une seconde enveloppe Ev dans laquelle est monté le moteur électrique M. Le moteur électrique M comporte un rotor R, un stator S et un premier et un deuxième palier P1 et P2 supportant l'arbre moteur qui sont montés respectivement sur un premier et un second supports de palier SPi et SP2 disposés de part et d'autre du rotor R. Les supports de palier SPi et SP2 sont montés directement sur la seconde enveloppe Ev. Dans cet agencement, le second support SP2 gêne l'accès au rotor R et le premier support SPi n'est accessible qu'en désassemblant la première enveloppe Ec de la seconde enveloppe Ev. Le stator S du moteur M est fretté directement sur l'enveloppe du moteur Ev rendant, par conséquent, le stator S indémontable. L'enveloppe du moteur Ev comprend une sortie O de câbles haute tension réalisée de manière étanche sur une partie radiale du carter C. Cette sortie O haute tension est généralement indémontable. Les systèmes de cartouche amovible sont généralement utilisés par les fabricants de compresseurs et de pompes. Par exemple, dans un compresseur à cartouche amovible, les parties aérodynamiques statoriques ainsi que le rotor sont regroupés dans une cartouche de forme extérieure cylindrique pouvant être emmanchée à l'intérieur du carter principal pouvant reprendre la pression. Les paliers peuvent être extérieurs à cette cartouche ou bien rapportés aux extrémités de la cartouche. Divers documents de l'état de la technique se rapportent à de tels agencements. Le document US 3 826 597 décrit la mise en oeuvre d'un tel concept sur des applications de machines tournantes particulières telles que des compresseurs à palettes. Les brevets américains US 5 971 702 et US 4 961 260 décrivent des principes de centrage et d'insertion de la cartouche pour des applications de compresseurs centrifuges. Concernant l'application de ce concept sur les machines électriques, les brevets US 5 117 138 et US 5 627 420 décrivent un stator de moteur électriques démontable. Cependant ce brevet concerne les applications de pompes immergées. Par ailleurs, le stator démontable est encapsulé pour l'isoler du gaz de process, et les paliers sont complètement séparés de ce même stator. Le brevet US 7 458 214 concerne enfin une application de turbochargeur, constitué d'une roue de turbine et d'une roue de compresseur montées en porte à faux, et équipé d'un moteur électrique d'appoint à stator démontable. Dans ces trois derniers documents, le stator n'est pas encapsulé, et dans le document US 7 458 214 les paliers sont toujours séparés de ce même stator. Au vu de ce qui précède, il est proposé de pallier les inconvénients des groupes moto-compresseur intégrés selon l'état de la technique en proposant un groupe moto-compresseur comprenant une cartouche comportant l'intégralité du stator, les paliers, et le rotor, et pouvant être aisément retiré du carter afin d'en faciliter la maintenance. Selon un aspect, il est proposé un groupe moto-compresseur comprenant un moteur, un compresseur et un carter commun étanche au gaz à comprimer dans lequel sont montés le moteur et le compresseur. Selon une caractéristique générale, le moteur est monté dans une enveloppe interne fixée dans le carter par des moyens de fixation amovible de sorte que le moteur et l'enveloppe interne constituent une cartouche amovible. L'assemblage du moteur et de l'enveloppe interne en une cartouche amovible permet de faciliter le démontage de l'intégralité du moteur sans avoir besoin de démonter d'autres éléments du moto-compresseur tel que notamment la jonction entre l'enveloppe externe du moteur et l'enveloppe du compresseur, lorsque le carter se compose d'une enveloppe du compresseur et d'une enveloppe externe du moteur. De plus, le moteur étant entièrement assemblé dans une cartouche amovible, il peut être proposé d'avoir un carter comprenant une enveloppe du compresseur et une enveloppe externe du moteur. Le carter peut n'être composé que d'une seule et même enveloppe dans laquelle est insérée l'enveloppe interne comportant le moteur. Dans ce cas, la suppression d'un plan de jonction vertical entre l'enveloppe du compresseur et l'enveloppe externe du moteur permet de réduire le risque de fuites dues au vieillissement des joints au niveau de cette jonction, et de réduire le coût de production avec la suppression des joints et des gorges associées. Par ailleurs, tous les éléments du moteur étant contenus dans l'enveloppe interne, l'accessibilité à tous les composants du moteur est facilitée. De préférence, le stator du moteur est solidarisé à l'enveloppe interne. En frettant le stator sur l'enveloppe interne, et plus particulièrement sur la surface intérieure de l'enveloppe interne, le stator est immobilisé par rapport à l'enveloppe interne d'une part, et 2 9805 3 8 4 par rapport au carter, d'autre part, une fois l'enveloppe interne fixée au carter. Le groupe moto-compresseur comprend avantageusement un clavetage entre l'enveloppe interne et le carter permettant de 5 solidariser l'enveloppe interne au carter, de récupérer le couple moteur et d'empêcher toute rotation de l'enveloppe interne à l'intérieur du carter. Avantageusement, le carter comprend un épaulement sur lequel repose une extrémité de l'enveloppe interne tournée vers le 10 compresseur. De préférence, le carter comprend un premier support de palier pour le moteur, ledit premier support étant fixé sur une extrémité de l'enveloppe interne tournée vers le compresseur. Le premier support de palier peut être fixé par vissage sur l'enveloppe interne sans jeu, de 15 sorte que la cartouche amovible comprenne le premier support de palier, ce dernier pouvant ainsi être retiré avec la cartouche amovible. Le carter peut comprendre un second support de palier pour le moteur, ledit second support étant fixé sur une extrémité de l'enveloppe interne opposée à l'extrémité tournée vers le compresseur 20 via une liaison semi-rigide apte à compenser la dilatation relative entre l'enveloppe interne et le second support de palier. Dans un premier et un second modes de réalisation, le groupe moto-compresseur comprend de préférence un couvercle apte à fermer le carter à une extrémité par laquelle l'enveloppe interne est insérée 25 dans le carter, le couvercle étant fixé par vissage sur le second support de palier. Dans le premier mode de réalisation, l'enveloppe interne est maintenue en position axialement par clavetage sur le carter à une extrémité par laquelle l'enveloppe interne est insérée dans le carter. 30 Le second support de palier et le couvercle sont maintenus axialement par un anneau (circlips®) inséré dans une gorge réalisée dans le carter. Il suffit de retirer le clavetage pour sortir la cartouche amovible du carter, la cartouche amovible comprenant alors l'enveloppe interne et son contenu, le second support de palier et le couvercle. Dans le second mode de réalisation, le second support est fixé sur ledit carter à une extrémité par laquelle l'enveloppe interne est insérée dans le carter. Dans ce second mode de réalisation, il suffit de désolidariser le second support de palier du carter pour sortir la cartouche amovible du carter, sans désolidariser le second support de palier, sur lequel est fixé le couvercle, de l'enveloppe interne. Avantageusement, dans le premier et le second modes de réalisation, le couvercle peut comprendre une sortie axiale étanche de câbles à haute tension. Par ailleurs, dans le premier et le second modes de réalisation, le couvercle peut comprendre une entrée axiale d'alimentation en gaz. Selon un troisième mode de réalisation, le groupe moto-compresseur peut comprendre un couvercle apte à fermer le carter à une extrémité par laquelle l'enveloppe interne est insérée dans le carter, le couvercle étant fixé par vissage sur le carter. Dans ce mode de réalisation, il suffit de désolidariser le couvercle du carter, pour extraire la cartouche amovible du carter. Dans ce troisième mode de réalisation, le carter peut comprendre une sortie radiale étanche de câbles à haute tension traversant l'enveloppe interne du moteur et le carter. Dans ce troisième mode de réalisation, le carter peut encore comprendre une entrée radiale d'alimentation en gaz traversant l'enveloppe externe du moteur et le carter. Dans divers modes de réalisation, le compresseur peut comprendre une pluralité d'étages de compression. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à l'examen de la description détaillée de modes de réalisation, nullement limitatifs, et des dessins annexés sur lesquels : - la figure 1, déjà décrite, représente une partie d'un groupe moto-compresseur intégré comportant le moteur selon l'art antérieur ; - la figure 2 représente un groupe moto-compresseur à cartouche amovible selon un premier mode de réalisation ; - la figure 3 représente une partie d'un groupe moto-compresseur à cartouche amovible selon un second mode de réalisation ; - la figure 4 représente une partie d'un groupe moto- compresseur à cartouche amovible selon un troisième mode de réalisation. Sur la figure 2 est représenté un groupe moto-compresseur à cartouche amovible selon un premier mode de réalisation. L'ensemble du groupe moto-compresseur, et en particulier le moteur 1 et le groupe compresseur 2, est monté dans un carter commun 3 étanche au gaz intérieur manipulé par le moto-compresseur. Dans l'exemple illustré, le carter commun 3 comprend un assemblage de carters solidarisés 3a et 3b assurant respectivement le support et la protection du compresseur 2 et du moteur 1. Les carters 3a et 3b sont solidarisés entre eux par des moyens de fixation appropriés (non représentés) permettant une fixation rigide et étanche des carters entre eux. Le carter commun 3 peut également être réalisé en une seule pièce. Le groupe compresseur 2 comprend ici un premier étage 4 et un second étage 5 de compression. Chaque étage 4 et 5 de compression comprend des roues à aubes 7 assurant la compression du gaz délivré en entrée par un orifice 6 d'admission des gaz prévu dans le carter 3a, un orifice 8 de sortie récupérant le gaz manipulé. Une flèche F indique le sens de circulation du gaz. Les roues à aubes 7 sont montées sur un axe mené 9 couplé au moteur 1 via une pièce de jonction 10. L'axe mené 9 est maintenu en position à l'aide de deux paliers radiaux 11 montés respectivement à chaque extrémité de l'axe mené 9. Le moteur 1 comporte un rotor 13, un stator 14 et deux paliers 15 et 16 respectivement montés sur un premier support 17 et un second support 18 de part et d'autre du rotor 13. L'ensemble est monté dans une enveloppe interne 12 cylindrique montée de manière amovible par rapport au carter 3b. Le stator 14 est fretté sur la surface intérieure de l'enveloppe interne 12 de manière à être solidaire de l'enveloppe interne 12. Un 2 9805 3 8 7 clavetage entre l'enveloppe interne 12 et le carter 3b permet de récupérer le couple moteur et d'empêcher toute rotation du stator 14. Les paliers 15 et 16 permettent de supporter radialement le rotor 13. Dans ce premier exemple de réalisation, le premier palier 15 5 est monté sur le premier support 17 qui est lui-même fixé sur une extrémité de l'enveloppe interne 12 tournée vers le compresseur 2. Le second palier 16 est monté sur le second support 18 qui est fixé sur une extrémité de l'enveloppe interne 12 opposée à l'extrémité tournée vers le compresseur 2 par le biais d'une liaison semi-rigide permettant 10 de reprendre la dilatation axiale de l'enveloppe interne 12. Le premier support 17 et le second support 18 sont ainsi respectivement fixés à chacune des extrémités de l'enveloppe interne 12. Le carter 3b comprend un épaulement 19 sur laquelle repose l'extrémité de l'enveloppe interne 12 tournée vers le compresseur 2, 15 c'est-à-dire du côté de l'accouplement entre le moteur 1 et le compresseur 2. Le carter 3b comprend également un couvercle 20 permettant de fermer le carter 3b à une extrémité par laquelle l'enveloppe interne 12 est insérée dans le carter 3b. Le couvercle 20 est vissé dans le 20 support de palier 18.Une fois la cartouche amovible, comprenant l'enveloppe interne 12 et le moteur 1, couplée au couvercle 20, elle est insérée dans le carter 3b. Le couvercle 20 et le support de palier 18 sont alors maintenus en position à l'aide d'un clavetage, par exemple un circlipse 21 inséré dans une rainure 22 prévue à cet effet dans le 25 carter 3b. L'arrangement illustré dans ce premier exemple permet ainsi d'obtenir une cartouche amovible comprenant l'enveloppe interne 12, le rotor 13, le stator 14, le couvercle 20 et les paliers 15 et 16 respectivement montés sur le premier support 17 et le second support 30 18 solidaires de l'enveloppe interne 12. Une fois le clavetage 21 puis le couvercle 20 retirés, la cartouche amovible peut ainsi être retirée pour toute opération de maintenance puis être insérée de nouveau dans le carter sans devoir démonter d'autres éléments du groupe moto-compresseur. Le couvercle 20 comprend par ailleurs une sortie axiale 23 de câbles à haute tension. Cette sortie axiale 23 est étanche de manière à maintenir l'intérieur du carter 3 sous pression lors du fonctionnement. La sortie axiale 23 permet ainsi de retirer la cartouche amovible sans décâblage préalable. En effet, une fois le circlips retiré, la cartouche peut être sortie du carter 3b sans avoir besoin de démonter le câblage haute tension entre le moteur et le couvercle 20. Par ailleurs, le groupe moto-compresseur comprend également une entrée d' alimentation en gaz de refroidissement. Cette alimentation en gaz, non représentée, pourra s'effectuer soit radialement à travers le carter 3b et l'enveloppe interne 12, soit axialement le couvercle 20 comprenant alors une entrée axiale d'alimentation en gaz. Sur la figure 3 est représenté une partie d'un groupe moto- compresseur à cartouche amovible selon un second mode de réalisation. Seule la partie du carter 3 comportant le moteur 1, en l'espèce le carter 3b, est représentée sur cette figure 3, la partie du groupe moto-compresseur comportant le compresseur 2 étant similaire à celle représentée sur la figure 2. Les éléments identiques aux éléments du premier mode de réalisation illustré sur la figure 2 possèdent les mêmes références. Dans cet exemple, le carter 3 comprend un second support 180 fixé sur le carter 3b à une extrémité par laquelle l'enveloppe interne 12 est insérée, et le couvercle 190 est fixé par vissage sur ce second support 180. Ce support 180 rapporté a une forme globalement annulaire et comporte un prolongement sensiblement central supportant un palier 16 pour l'arbre moteur. Par ailleurs ce second support 180 est lié à l'enveloppe interne 12 par le biais d'une fixation semi-rigide permettant de reprendre la dilatation axiale de ladite enveloppe interne. Lorsque le support 180 est désolidarisé du carter 3d, la cartouche amovible comprenant l'enveloppe interne 12, le rotor 13, le stator 14, le couvercle 20 et les paliers 15 et 16 respectivement montés sur le premier support 17 et le second support 180, peut être retirée. Dans cet exemple, le couvercle 200 comprend une sortie axiale 230 de câbles à haute tension. Cette sortie axiale 230 est étanche de manière à maintenir l'intérieur du carter 3 sous pression lors du fonctionnement. La sortie axiale 230 permet ainsi de retirer la cartouche amovible sans décâblage préalable. En effet, la cartouche peut être sortie du carter 3b en même temps que le couvercle 200 sans avoir besoin de démonter le câblage haute tension entre le moteur et le couvercle 200. Par ailleurs, le groupe moto-compresseur comprend également une entrée d'alimentation en gaz. Cette alimentation en gaz, non représentée, pourra s'effectuer soit radialement à travers le carter 3b et l'enveloppe interne 12, soit axialement le couvercle 200 comprenant alors une entrée axiale d'alimentation en gaz. Sur la figure 4 est représenté une partie d'un groupe moto- compresseur à cartouche amovible selon un troisième mode de réalisation. Seule la partie du carter 3 comportant le moteur 1, à savoir le carter 3b, est représentée sur cette figure 4, la partie du groupe mocompresseur comportant le compresseur 2 étant similaire à celle représentée sur la figure 2. Les éléments identiques aux éléments du premier mode de réalisation illustré sur la figure 2 possèdent les mêmes références. Dans cet exemple, le carter 3b comprend un second support 1800 portant le palier 16 et fixé sur une extrémité de l'enveloppe interne 12 opposée à l'extrémité tournée vers le compresseur 2, et un couvercle 2000 fixé par vissage sur le un extrémité du carter 3 par laquelle l'enveloppe interne 12 est insérée dans le carter 3b. Dans cet exemple, la cartouche amovible ne comprend pas le couvercle 2000, celui-ci étant uniquement en contact avec le carter 3. Au lieu d'être vissé sur le carter 3, le couvercle 2000 peut aussi être maintenu axialement par rapport au carter 3 à l'aide d'un circlips® inséré dans une rainure prévue à cet effet dans l'enveloppe moteur 3b, suivant le même principe que décrit à la figure 2. Dans cet exemple, la sortie des câbles haute tension s'effectue radialement. Pour cela, le carter 3 comprend une sortie radiale étanche de câbles à haute tension traversant le carter 3. Cette sortie radiale 2300 est étanche de manière à maintenir l'intérieur du carter 3 sous pression lors du fonctionnement. Les connexions internes sont réalisées de manière à permettre le coupage des câbles entre la sortie radiale 2300 étanche et la cartouche amovible lorsque la cartouche amovible est retirée. Ainsi, lors du démontage, le couvercle 2000 est d'abord retiré puis les câbles entre la cartouche amovible et la sortie radiale 2300 étanche sont débranchés au niveau des connexions internes prévues à cet effet, puis la cartouche amovible est sortie du carter 3. Par ailleurs, le groupe moto-compresseur comprend également une entrée d'alimentation en gaz. Cette alimentation en gaz, non représentée, pourra s'effectuer soit radialement à travers le carter 3b et l'enveloppe interne 12, soit axialement, le couvercle 2000 comprenant alors une entrée axiale d'alimentation en gaz. REVENDICATIONS1. Groupe moto-compresseur comprenant un moteur (1), un compresseur (2) et un carter (3) commun étanche au gaz à comprimer dans lequel sont montés le moteur (1) et le compresseur (2), caractérisé en ce que le moteur (1) est monté dans une enveloppe interne (12) fixée dans le carter (3) par des moyens de fixation amovible de sorte que le moteur (1) et l'enveloppe interne (12) constituent une cartouche amovible. 2. Groupe moto-compresseur selon la revendication 1, dans lequel le stator (14) du moteur (1) est solidarisé à l'enveloppe interne (12). 3. Groupe moto-compresseur selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comprend un clavetage entre l'enveloppe interne (12) et le carter (3). 4. Groupe moto-compresseur selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel le carter (3) comprend un épaulement (19) sur lequel repose une extrémité de l'enveloppe interne (12) tournée vers le compresseur (2). 5. Groupe moto-compresseur selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le carter (3) comprend un premier support (17) de palier pour le moteur (1), ledit premier support (17) étant fixé sur une extrémité de l'enveloppe interne (12) tournée vers le compresseur (2). 6. Groupe moto-compresseur selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le carter (3) comprend un second support (18, 180, 1800) de palier pour le moteur, ledit second support (18, 180, 1800) étant fixé sur une extrémité de l'enveloppe interne (12) opposée à l'extrémité tournée vers le compresseur (2) via une liaison semi- rigide apte à compenser la dilatation relative entre l'enveloppe interne (12) et ledit second support (18, 180, 1800). 7. Groupe moto-compresseur selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comprend un couvercle (20, 200) apte à fermerle carter (3) à une extrémité par laquelle l'enveloppe interne (12) est insérée dans le carter (3), le couvercle (20, 200) étant fixé par vissage sur le second support de palier (18, 180). 8. Groupe moto-compresseur selon l'une des revendications 6 ou 7, caractérisé en ce que le second support (180) est fixé sur ledit carter (3) à une extrémité par laquelle l'enveloppe interne (12) est insérée dans le carter (3). 9. Groupe moto-compresseur selon l'une des revendications 6 ou 7, caractérisé en ce que l'enveloppe interne (12) est maintenue en position axialement par clavetage sur le carter (3) à une extrémité par laquelle l'enveloppe interne (12) est insérée dans le carter (3). 10. Groupe moto-compresseur selon l'une des revendications 6 à 9, dans lequel le couvercle (20, 200) comprend une sortie axiale (23, 230) étanche de câbles à haute tension. 11. Groupe moto-compresseur selon l'une des revendications 6 à 10, caractérisé en ce que le couvercle (20, 200) comprend une entrée axiale d'alimentation en gaz. 12. Groupe moto-compresseur selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comprend un couvercle (2000) apte à fermer le carter (3) à une extrémité par laquelle l'enveloppe interne (12) est insérée dans le carter (3), le couvercle (2000) étant fixé par vissage sur le carter (3). 13. Groupe moto-compresseur selon la revendication 12, dans lequel le carter (3) comprend une sortie radiale (2300) étanche de câbles à haute tension traversant l'enveloppe interne (12) du moteur et le carter (3). 14. Groupe moto-compresseur selon l'une des revendications 12 ou 13, caractérisé en ce que le carter (3) comprend une entrée radiale d'alimentation en gaz traversant l'enveloppe interne (12) du moteur et le carter (3). 15. Groupe moto-compresseur selon l'une des revendications 1 à 14, dans lequel le compresseur (2) comprend une pluralité d'étages de compression.