Brevet FR3057626A1 — publié le 20180420

Motopompe à rotor noyé, et procédé de fabrication d'une telle motopompe La présente invention concerne une motopompe à rotor noyé. L'invention concerne également un procédé de fabrication d'une telle motopompe. Par définition, une motopompe à rotor noyé comprend à la fois une pompe et un moteur, agencés dans un carter hermétiquement étanche. La motopompe comprend une ouverture d'entrée et une ouverture de sortie de fluide. Lorsque la motopompe est intégrée à une installation industrielle, l'étanchéité est également assurée au niveau des ouvertures d'entrée et de sortie. Différentes constructions de motopompes à rotor noyé sont connues par exemple des documents EP2607709A1, JP2007127135A, US6010319A et VV0200123763A1. Ces motopompes comprennent un carter, un moteur électrique, un arbre central et une roue. Le carter comprend une enveloppe moteur. Le moteur électrique comprend un stator et un rotor disposés dans l'enveloppe moteur. L'arbre, le rotor et la roue forme un ensemble rotatif. L'arbre central est supporté par deux paliers. La roue est fixée à l'extrémité avant de l'arbre, située hors de l'enveloppe moteur. Le but de la présente invention est de proposer une motopompe améliorée. A cet effet, l'invention a pour objet une motopompe à rotor noyé, comprenant : un carter incluant un corps et une enveloppe moteur ; un moteur électrique incluant un stator et un rotor disposés dans l'enveloppe moteur ; un arbre qui s'étend suivant un axe central, qui est solidaire du rotor en rotation autour de l'axe central, et qui comporte une extrémité avant située hors de l'enveloppe moteur, dans le corps du carter ; et une roue qui est située à l'extrémité avant de l'arbre, qui est solidaire de l'arbre en rotation autour de l'axe central, et qui présente un profil hydraulique adapté au déplacement d'un fluide dans le corps. Le rotor, l'arbre et la roue forment un ensemble rotatif. Au sein de l'ensemble rotatif, seul l'arbre est supporté par un ou plusieurs paliers, assurant ainsi le guidage en rotation de l'ensemble rotatif. La motopompe est caractérisée en ce que l'arbre et la roue constituent au moins en partie une pièce monobloc. Ainsi, la motopompe selon l'invention offre de nombreux avantages. Grâce au rotor noyé, la motopompe présente une étanchéité absolue, une grande fiabilité, et demande peu d'entretien. La pièce monobloc formée par l'arbre et la roue peut être 3057626 2 fabriquée selon différentes techniques, notamment par fabrication additive de la pièce ou du moule dans laquelle cette pièce est coulée. Cela offre réactivité et liberté pour la conception des formes géométriques pour améliorer le rendement de la motopompe. En particulier, une grande liberté de conception est offerte au niveau de la partie centrale de 5 la roue. Cela permet aussi d'améliorer le NPSH caractérisant la performance d'aspiration de la motopompe. Associé au moteur synchrone, plus court et conservant son très haut rendement énergétique même avec un entrefer important, la conception est simplifiée en étant plus compact et avec moins de composants. L'entrefer important permet d'envisager de nouvelles solutions d'étanchéité pour le stator, améliorant le rendement du 10 moteur et donc de la motopompe. En outre, la motopompe selon l'invention présente une grande polyvalence. Cette motopompe peut être mise en oeuvre dans le cadre de nombreuses applications, industrielles ou domestiques : agroalimentaire, chimie, pharmacie, hydrocarbures, engrais 15 phosphoriques, métallurgie, marine, chaufferie, dessalement, évaporation, etc. Selon d'autres caractéristiques avantageuses de la motopompe selon l'invention, prises isolément ou en combinaison : - L'arbre et la roue constituent intégralement une unique pièce monobloc. 20 - La roue comporte une partie centrale, qui est située sur l'axe central, appartient à la pièce monobloc, et est dépourvue de système de fixation. - La partie centrale forme une hélice de gavage. - La partie centrale inclut une prolongation des aubes de la roue. - La motopompe comprend un unique palier qui supporte l'arbre radialement à 25 l'axe central pour guider en rotation l'ensemble rotatif, et qui est situé entre le rotor et la roue suivant l'axe central. - La motopompe comprend un palier avant et un palier arrière qui supportent l'arbre radialement à l'axe central pour guider en rotation l'ensemble rotatif, le palier avant étant situé entre le rotor et la roue suivant l'axe central. 30 - Le moteur électrique est construit selon la technologie de moteur synchrone avec aimants au rotor. - Le stator, comprenant un noyau électromagnétique et un bobinage, présente une surface interne entièrement enveloppée dans un matériau non-métallique, en regard du rotor et au contact du fluide circulant dans l'enveloppe moteur. 35 - Le stator est noyé dans un enrobage de résine étanche, au moins le long de la surface interne. 3057626 3 - La motopompe est une pompe centrifuge, le profil hydraulique de la roue étant adapté à la transmission d'énergie par centrifugation du fluide. L'invention a également pour objet un procédé de fabrication d'une motopompe 5 telle que mentionnée ci-dessus. Selon ce procédé, l'arbre et la roue sont au moins en partie fabriqués sous forme d'une pièce monobloc, par exemple selon une technique de moulage en sable, en moule métallique ou à cire perdue, frittage, soudage, fabrication additive, ou une combinaison de plusieurs techniques. Selon un premier mode particulier, le procédé comprend une opération de 10 fabrication additive de la pièce monobloc. Selon un deuxième mode particulier, le procédé comprend une opération de fabrication additive d'au moins une partie d'un moule incluant une empreinte correspondant à la pièce monobloc, puis une opération de fabrication de la pièce monobloc dans ce moule. L'opération de fabrication additive peut consister à fabriquer le 15 moule dans son intégralité, ou seulement une partie de ce moule, notamment au niveau de la jonction entre l'arbre et la roue. De préférence, l'arbre et la roue sont intégralement fabriqués sous forme d'une unique pièce monobloc. Le procédé peut également comporter d'autres opérations sans sortir du cadre de 20 l'invention. Par exemple, le procédé peut comporter des opérations d'usinage, de traitement thermique, de revêtement, etc. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple non limitatif et faite en référence aux dessins 25 schématiques annexés sur lesquels : - la figure 1 est une coupe longitudinale d'une motopompe selon l'état de la technique ; - la figure 2 est une vue à plus grande échelle du détail II à la figure 1 ; - la figure 3 est une coupe longitudinale analogue à la figure 1, montrant une 30 motopompe conforme à un premier mode de réalisation de l'invention ; - la figure 4 est une vue à plus grande échelle du détail IV à la figure 3 ; - la figure 5 est une coupe longitudinale analogue à la figure 1, montrant une motopompe conforme à un second mode de réalisation de l'invention ; et - la figure 6 est une coupe longitudinale analogue à la figure 1, montrant une 35 variante d'arbre conçu pour équiper une motopompe conforme à l'invention. 3057626 4 Sur les figures 1 et 2 est représenté un exemple de motopompe centrifuge PO à rotor noyé connue de l'état de la technique. La motopompe PO comprend un carter 1, un moteur électrique 2, un arbre 5, une 5 roue 6, une vis 7 et des paliers 8 et 9. Le moteur électrique 2 inclut un stator 3 et un rotor 4 centré sur un axe central X1. Le rotor 4 est solidaire de l'arbre 5, lui-même solidaire de la roue 6. La vis 7 permet de fixer la roue 6 à l'extrémité de l'arbre 5. Le rotor 4, l'arbre 5 et la roue 6 forment un ensemble rotatif, mobile en rotation autour de l'axe central X1. 10 Le carter 1 est partiellement représenté dans un but de simplification. Le carter 1 inclut un corps la partiellement représenté par des traits en pointillés, une enveloppe moteur 1 b et un couvercle 1 c. Le stator 3 et le rotor 4 sont disposés dans l'enveloppe moteur 1b. Le couvercle le ferme l'enveloppe moteur 1b au niveau du palier arrière 9. 15 Le stator 3 comprend un noyau électromagnétique 3a, un bobinage 3b, un enrobage de résine 3c et une chemise métallique 3d. Le bobinage 3b s'étend de part et d'autre du coeur 3a suivant l'axe X1 et est noyé dans l'enrobage 3c. La chemise 3d s'étend tout le long du stator 3, au niveau de l'entrefer formé avec le rotor 4, pour assurer l'étanchéité du stator 3. La chemise 3d est en contact à la fois avec le noyau 3a et 20 l'enrobage 3c. Cette configuration est source de pertes par courants de Foucault dans la chemise 3d. Sur les figures 3 et 4 est représentée une motopompe centrifuge P1 à rotor noyé conforme à un premier mode de réalisation de l'invention. 25 La motopompe P1 comprend un carter 10, un moteur électrique 20 incluant un stator 30 et un rotor 40, un arbre 50, une roue 60 et un palier 80. Le moteur électrique 20 inclut un stator 30 et un rotor 40 centré sur un axe central X1. Le rotor 40 est solidaire de l'arbre 50, lui-même solidaire de la roue 60, comme détaillé ci-après. 30 Le carter 10 inclut un corps 11 disposé du côté avant et une enveloppe moteur 12 disposé du côté arrière de la motopompe P1. Le corps 11 est partiellement représenté par des traits en pointillés dans un but de simplification. L'enveloppe 12 comprend différentes parois 14, 15, 16 et 18 solidaires entre elles. La paroi externe 14 présente un profil 35 cylindrique. La paroi avant 15 présente une forme annulaire plane, entourant la paroi 18. 3057626 5 La paroi arrière 16 présente une forme de disque plan. La paroi avant 18 présente une forme cylindrique et constitue un support de palier. Le stator 30 comprend un noyau électromagnétique 31 et un bobinage 32, qui 5 s'étend de part et d'autre du noyau 31 suivant l'axe X1. Le noyau 31 et le bobinage 32 sont noyés dans un enrobage de résine 33, assurant ainsi l'étanchéité du stator 3. L'enrobage 33 s'étend tout le long du stator 30, au niveau de l'entrefer formé avec le rotor 40. Le stator 30 est dépourvu de chemise métallique. Grâce à l'utilisation de l'enrobage 33 en remplacement de la chemise métallique du stator 30, les pertes par courants de 10 Foucault sont supprimées. Selon l'invention, l'arbre 50 et la roue 60 constituent au moins en partie une pièce monobloc 70. Autrement dit, la pièce 70 comprend au moins une partie de l'arbre 50 et au moins une partie de la roue 60. Une ou plusieurs autres parties de l'arbre 50 et/ou de la 15 roue 60 peuvent être formées par une ou des pièces différentes de la pièce 70. Selon un mode de réalisation préféré, représenté sur les figures, l'arbre 50 et la roue 60 constituent intégralement une unique pièce monobloc 70. Autrement dit, la pièce 70 matérialise l'intégralité de l'arbre 50 et de la roue 60. Ceux-ci ne sont formés d'aucune autre pièce que la pièce 70. 20 A titre d'exemples non limitatifs, la pièce 70 peut être fabriquée selon différentes techniques de moulage en sable, en moule métallique ou à cire perdue, frittage, soudage, fabrication additive de la pièce 70, fabrication additive du moule, ou une combinaison de plusieurs techniques. De manière avantageuse, la pièce 70 peut être fabriquée entièrement par 25 fabrication additive. Selon une alternative également avantageuse, cette pièce 70 peut être coulée dans un moule, lui-même obtenu au moins en partie par fabrication additive. Le rotor 40 et la pièce 70 forme un ensemble rotatif ER1, mobile en rotation autour de l'axe X1, au sein de la motopompe Pl. 30 L'arbre 50 s'étend suivant l'axe X1, avec une partie courante 51 reliant une extrémité avant 52 et une extrémité arrière 53. Le rotor 40 est solidarisé à l'arbre 50 dans sa partie courante 51, par tout moyen connu. La partie courante 51 et l'extrémité arrière 53 sont situées dans l'enveloppe moteur 12. L'extrémité avant 52 est située hors de l'enveloppe moteur 12, dans le corps 11 du carter 10. 35 3057626 6 La roue 60 comprend une partie centrale 61, des aubes 62, une ouverture d'entrée 63, des canaux internes 64 et des orifices de sortie 65. La roue 60 est située hors de l'enveloppe moteur 12, dans le corps 11 du carter 10. La roue 60 présente un profil hydraulique adapté au déplacement d'un fluide F dans le corps 11. Plus précisément la 5 motopompe P1 est une pompe centrifuge, c'est-à-dire que le profil hydraulique de la roue 60 est adapté à la transmission d'énergie par centrifugation du fluide F dans la motopompe P1. Le fluide F pénètre dans l'ouverture 63, puis traverse les canaux 64 ménagés dans la roue 60, jusqu'aux orifices de sortie 65. La partie centrale 61 est située sur l'axe X1 et solidaire de l'extrémité avant 52 de 10 l'arbre 50. Comme l'arbre 50 et la roue 60 constituent la pièce 70, la partie centrale 61 peut être dépourvue de système de fixation, par exemple du type vis 7, prévu dans l'état de la technique. Cela offre une plus grande liberté de conception au niveau de cette partie centrale 61. Sur l'exemple de la figure 3, la partie centrale 61 présente une forme concave, 15 formée en saillie du côté avant, de manière à guider le fluide F pénétrant dans l'ouverture 63 puis les canaux 64. En alternative, la partie centrale 61 peut être conformée en hélice de gavage. Selon une autre alternative, la partie centrale 61 peut inclure une prolongation des aubes 62 de la roue 60. Ces deux alternatives peuvent être combinées. 20 Au sein de l'ensemble rotatif ER1, seul l'arbre 50 est supporté par le palier 80. Autrement dit, seul l'arbre 50 assure le guidage en rotation de l'ensemble rotatif ER1, conjointement avec le palier 80. Le palier 80 est situé entre le rotor 40 et la roue 60, suivant l'axe Xl. Le palier 80 25 peut donc être qualifié de palier central, par rapport à l'ensemble rotatif ER1. Le palier 80 est constitué par la paroi 18 et deux éléments 81 et 82, qui sont logés dans l'alésage délimité par la paroi 18. Les éléments 81 et 82 sont légèrement espacés, et supportent la partie courante 51 de l'arbre 50 radialement à l'axe X1. Les éléments 81 et 82 sont par exemple des bagues lisses ou des roulements. 30 Cette conception avec palier central 80 est rendue possible par l'utilisation d'un moteur 20 avec une longueur relativement courte suivant l'axe X1. Ainsi, le rotor 40 peut être monté en porte-à-faux du côté de l'extrémité arrière 53 de l'arbre 50. Cette solution est permise par l'utilisation de la technologie du moteur synchrone avec aimants au rotor 35 40. Un tel moteur offre un rendement optimal sur toute la plage de vitesse, ainsi qu'un poids et un encombrement réduits. 3057626 7 Sur la figure 5 est représentée une motopompe centrifuge P2 à rotor noyé conforme à un second mode de réalisation de l'invention. Certains éléments constitutifs de la motopompe P2 sont comparables à ceux de la motopompe P1 décrite plus haut et, 5 dans un but de simplification, portent les mêmes références numériques. La motopompe P2 comporte deux paliers 8 et 9 disposés de part et d'autre du rotor 40. Le palier 8 supporte la partie courante 51 de l'arbre 50 entre le rotor 40 et la roue 60, tandis que le palier 9 supporte l'extrémité arrière 53 de l'arbre 50. Chaque palier 8 et 9 comprend un unique élément, respectivement 81 et 91, supportant l'arbre 50. Par 10 exemple, les éléments 81 et 91 peuvent être des bagues lisses ou roulements. Chaque palier 8 et 9 comprend une paroi cylindrique, respectivement 18 et 19, du carter 10. Chacun des éléments 81 et 91 est monté dans l'alésage défini par l'une des parois 18 et 19. Le carter 10 comprend un couvercle 13 permettant d'obturer l'enveloppe 12 au niveau du palier 9. 15 Sur la figure 6 est représentée une variante de roue 60, conçue pour équiper une pompe P1 ou P2 conforme à l'invention. La partie centrale 61 de la roue 60 est conformée comme une hélice de gavage, également appelée inducteur, prévue pour améliorer la capacité d'aspiration du fluide F 20 par la roue 60. En complément, la partie centrale 61 inclut une prolongation des aubes 62 de la roue 60, permettant aussi d'améliorer la capacité d'aspiration du fluide F par la roue 60. En pratique, la motopompe P1 / P2 peut être conformée différemment des figures 25 3 à 6 sans sortir du cadre de l'invention. Par ailleurs, les caractéristiques techniques des différents modes de réalisation et variantes mentionnés ci-dessus peuvent être, en totalité ou pour certaines d'entre elles, combinées entre elles. Ainsi, la pompe P1 / P2 peut être adaptée en termes de coût, de fonctionnalités et de performance. REVENDICATIONS1. Motopompe (P1 ; P2) à rotor noyé, comprenant : - un carter (10) incluant un corps (11) et une enveloppe moteur (12) ; - un moteur électrique (20) incluant un stator (30) et un rotor (40) disposés dans l'enveloppe moteur (12) ; - un arbre (50) qui s'étend suivant un axe central (X1), qui est solidaire du rotor (40) en rotation autour de l'axe central (X1), et qui comporte une extrémité avant (52) située hors de l'enveloppe moteur (12), dans le corps (11) du carter (10) ; et - une roue (60) qui est située à l'extrémité avant (52) de l'arbre (50), qui est solidaire de l'arbre (50) en rotation autour de l'axe central (X1), et qui présente un profil hydraulique adapté au déplacement d'un fluide (F) dans le corps (11) ; dans laquelle le rotor (40), l'arbre (50) et la roue (60) forment un ensemble rotatif (ER1 ; ER2) ; et dans laquelle au sein de l'ensemble rotatif (ER1 ; ER2), seul l'arbre (50) est supporté par un ou plusieurs paliers (80 ; 8, 9), assurant ainsi le guidage en rotation de l'ensemble rotatif (ER1 ; ER2) ; caractérisée en ce que l'arbre (50) et la roue (60) constituent au moins en partie une pièce monobloc (70). 2. Motopompe (P1 ; P2) selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'arbre (50) et la roue (60) constituent intégralement une unique pièce monobloc (70). 3. Motopompe (P1 ; P2) selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que la roue (60) comporte une partie centrale (61), qui est située sur l'axe central (X1), appartient à la pièce monobloc (70), et est dépourvue de système de fixation. 4. Motopompe (P1 ; P2) selon la revendication 3, caractérisée en ce que la partie centrale (61) forme une hélice de gavage. 5. Motopompe (P1 ; P2) selon l'une des revendications 3 ou 4, caractérisée en ce que la partie centrale (61) inclut une prolongation des aubes (62) de la roue (60). 3057626 9 6. Motopompe (P1) selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce qu'elle comprend un unique palier (80) qui supporte l'arbre (50) radialement à l'axe central (X1) pour guider en rotation l'ensemble rotatif (ER1), et qui est situé entre le rotor (40) et la roue (60) suivant l'axe central (X1). 5 7. Motopompe (P2) selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce qu'elle comprend un palier avant (8) et un palier arrière (9) qui supportent l'arbre (50) radialement à l'axe central (X1) pour guider en rotation l'ensemble rotatif (ER2), le palier avant (8) étant situé entre le rotor (40) et la roue (60) suivant l'axe central 10 (X1). 8. Motopompe (P1 ; P2) selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que le moteur électrique (20) est construit selon la technologie de moteur synchrone avec aimants au rotor (40). 15 9. Motopompe (P1 ; P2) selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que le stator (30), comprenant un noyau électromagnétique (31) et un bobinage (32), présente une surface interne entièrement enveloppée dans un matériau non-métallique, en regard du rotor (40) et au contact du fluide (F) circulant dans 20 l'enveloppe moteur (12). 10. Motopompe (P1 ; P2) selon la revendication 9, caractérisée en ce que le stator (30) est noyé dans un enrobage de résine étanche (33), au moins le long de la surface interne. 25 11. Motopompe (P1 ; P2) selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que la motopompe (P1 ; P2) est une pompe centrifuge, le profil hydraulique de la roue (60) étant adapté à la transmission d'énergie par centrifugation du fluide (F). 30 12. Procédé de fabrication d'une motopompe (P1 ; P2) selon l'une des revendications 1 à 11, caractérisée en ce que l'arbre (50) et la roue (60) sont au moins en partie fabriqués sous forme d'une pièce monobloc (70), par exemple selon une technique de moulage en sable, en moule métallique ou à cire perdue, frittage, soudage, fabrication additive, ou une combinaison de plusieurs techniques. 35 3057626 10 13. Procédé de fabrication d'une motopompe (P1 ; P2) selon la revendication 12, caractérisé en ce qu'il comprend une opération de fabrication additive de la pièce monobloc (70). 14. Procédé de fabrication d'une motopompe (P1 ; P2) selon la revendication 12, 5 caractérisé en ce qu'il comprend une opération de fabrication additive d'au moins une partie d'un moule incluant une empreinte correspondant à la pièce monobloc (70), puis une opération de fabrication de la pièce monobloc (70) dans ce moule.