Brevet FR3074543A1 — publié le 20190607

Domaine de ('invention L'invention releve des systemes adaptes a transformer de l'energie electrique a partir d'energie mecanique. Elle s'inscrit dans le domaine des structures d'eoliennes a axe de rotation vertical, et concerne plus particulierement une Colienne a axe vertical comprenant alternateur presentant un agencement particulier. La presente invention rentre particulierement dans le cadre des Coliennes a axe de rotation vertical dites 0 de faibles dimensions », c'est-a-dire les Coliennes adaptees a generer une faible puissance electrique, par exemple, en dessous de trente mille voltamperes. Etat de l'art Les Coliennes a axe de rotation vertical comprennent generalement un rotor d'eolienne, Mini comme etant un ensemble mobile forme par des pales rigidement fixees a un arbre monte mobile en rotation dans une structure support fixe par rapport au sol. Le rotor d'eolienne est generalement guide en rotation par des paliers agences entre la structure support et l'arbre. En bout d'arbre, les Coliennes a axe de rotation vertical comprennent generalement un rotor d'alternateur fixe a l'arbre par un systeme d'accouplement elastique et guide en rotation par des paliers additionnels. Les paliers prennent generalement appui sur un stator d'alternateur rigidement fixe a la structure support de reolienne. Le systeme d'accouplement elastique permet d'une part, de reduire les vibrations dont sont sujettes les Coliennes a axe de rotation vertical de faible dimensions, notamment du fait de leur importante vitesse de rotation, et d'autres parts d'amortir la transmission de contraintes dues au couple genere lors de la rotation du rotor d'eolienne et de corriger les eventuels d6fauts d'alignement g6n6r6s lors du montage de reolienne. Cependant, ce systeme d'accouplement elastique genere une faiblesse structurelle aux contraintes mecaniques au sein du rotor de reolienne et constitue ainsi une piece d'usure qu'il est necessaire de remplacer a ('issue d'une certaine duree de fonctionnement de reolienne. En outre, ce systeme 2 d'accouplement elastique est susceptible de modifier le comportement dynamique de reolienne notamment en generant des problemes vibratoires en torsion du rotor de l'alternateur. Dans la conception des eoliennes a axe de rotation vertical de l'etat de 5 la technique, l'alternateur est egalement soumis a une fatigue mecanique en flexion dans la mesure au it rentre dans chaine de travail en flexion de l'arbre de reolienne, lors de sa rotation. II en resulte un risque important de deterioration de l'alternateur. Un autre probleme des eoliennes a axe de rotation vertical de l'etat de 10 la technique reside dans la sollicitation des paliers a des contraintes liees a la deformation de la structure porteuse de reolienne. Notamment, la structure porteuse peut etre soumise a des deformations dues a des contraintes thermiques engendrant contraction et/ou dilatation de ladite structure. En outre, la structure porteuse est soumise a des efforts de pousse generes par le vent, 15 susceptibles de generer d'importants moments de renversement de la structure. Exposé de l'invention La presente invention a pour objectif de palier les inconvenients 20 precites en proposant une eolienne congue de sorte que l'alternateur qu'elle comprend ne soit pas sujet a des phenomenes vibratoires susceptibles de le deteriorer, ou congue de sorte a au moins limiter ces phenomenes vibratoires. Un objectif de la presente invention est de limiter le nombre de paliers permettant le guidage en rotation des pieces mobiles de reolienne. 25 Un autre objectif de la presente invention est de proposer une eolienne de conception simple, facile a installer, c'est-a-dire sans necessiter de reglages complexes lors de son installation, notamment les reglages d'alignement, et ne presentant pas de point de faiblesse structurelle, c'est-a-dire, ne presentant pas de piece susceptible d'être endommage sous l'effet d'efforts repetes. 30 A cet effet, l'invention concerne une eolienne a axe de rotation vertical comprenant : 3 - un arbre s'etendant entre deux extremites longitudinales autour duquel sont fixes rigidement des pales, ledit arbre etant guide en rotation autour d'un mat fixe vertical par deux paliers, chacun disposes a l'une des extremites dudit arbre, 5 - un rotor d'alternateur guide en rotation par les paliers, comprenant une culasse rotor s'etendant entre deux extremites axiales, rigidement fixee en porte-a-faux a l'une des extremites de l'arbre par une de ses extremites axiale, et etant libre par son autre extremite axiale, - un stator d'alternateur comprenant une culasse stator s'etendant entre deux lo extremites axiales de sorte a definir un volume interne, liee mecaniquement avec le mat fixe en porte-a-faux par l'une de ses extremites axiales, l'autre extremite axiale formant une ouverture par laquelle est introduit le rotor dans le volume interne du stator de sorte que ledit rotor coopere magnetiquement avec le stator. 15 Le rotor et le stator sont donc agences l'un par rapport a l'autre de maniere antagoniste, l'extremite axiale de leur culasse respective, par laquelle ils sont fixes etant opposee l'une de l'autre. Grace a ces caracteristiques, le rotor est rigidement fixe a l'arbre de sorte qu'il n'est pas necessaire de prevoir de palier propre audit rotor pour 20 assurer son guidage en rotation. Ainsi, on s'affranchit egalement du besoin d'accouplement elastique pour solidariser le rotor avec l'arbre. En outre, le rotor et le stator etant fixes en porte-a-faux, ils sont exoneres de toute contrainte mecanique, a ('exception de contraintes de torsion liees au couple resistant de l'alternateur. Cette caracteristique presente 25 egalement l'avantage de permettre un ref roidissement important de l'alternateur. De plus, l'arbre etant guide en rotation autour d'un mat fixe, les paliers sont seulement soumis aux efforts dus a la rotation et au poids des elements mobiles autour du mat fixe, et ne sont pas soumis a des contraintes 30 mecaniques resultant de la deformation du mat fixe ou d'une structure porteuse dudit mat fixe. 4 Dans des modes particuliers de realisation, l'invention repond en outre aux caracteristiques suivantes, mises en oeuvre separement ou en chacune de leurs combinaison techniquement operantes. Dans des modes particuliers de realisation de l'invention, le stator est 5 lie mecaniquement au mat fixe par un flasque dit 0 premier flasque » fix6 a l'une des extremites axiales de la culasse stator dite 0 extremite axiale superieure » de sorte a obturer ladite extremite axiale superieure. Cette caracteristique permet de preserver le volume interne du stator de toute introduction d'eau, poussiere, sable, residus, debris ou autres corps lo etrangers indesirables. Dans des modes particuliers de realisation de l'invention, le rotor est rigidement fixe a l'arbre par un element de liaison supportant l'une des extremites axiale de la culasse rotor, dite 0 extremite axiale inferieure ». L'element de liaison comprend avantageusement des moyens d'ejection 15 d'eventuels corps etrangers introduits dans le rotor, lesdits moyens d'ejection etant sensibles a la vitesse de rotation du rotor. Cette caracteristique permet ('evacuation d'eventuels corps etrangers introduits dans le rotor, des que l'arbre est entraine en rotation. Dans des modes particuliers de realisation de l'invention ('element de 20 liaison comprend un flasque, dit 0 second flasque ». Les moyens d'ejection sont avantageusement formes par des orifices traversants pratiques dans le second flasque. Ces orifices sont par exemple angulairement repartis a la jonction entre une paroi de fond du second flasque, destinee a etre fixee a l'arbre, et 25 une paroi laterale exterieure, destinee a etre fixee au rotor, de sorte que lorsque l'arbre est entraine en rotation, tout corps etranger est soumis a une force centrifuge qui provoque son expulsion a travers au moins un desdits orifices. Dans des modes particuliers de realisation de l'invention, chaque pale 30 est liee a l'arbre par au moins un bras de liaison rigidement fix6 au second flasque par un organe de fixation. 5 Cette caracteristique permet de simplifier la conception de reolienne. En outre, grace a cette caracteristique, reolienne presente une resistance plus importante aux contraintes mecaniques. Dans des modes particuliers de realisation de l'invention, les organes 5 de fixation sont formes, a chacune des extremites longitudinales de l'arbre, par une paire de platines, lesdits paires etant respectivement adaptees a enserrer les bras de liaison. Presentation des figures 10 L'invention sera mieux comprise a la lecture de la description suivante, donnee a titre d'exemple nullement limitatif, et faite en se referant aux figures qui representent : -Figure 1 : une vue en perspective de reolienne selon l'invention, -Figure 2 : une vue de face de reolienne selon la figure 1, 15 -Figure 3 : une vue en coupe longitudinale de reolienne de la figure 1 selon les axes A-A et B-B, -Figure 4 : une vue en coupe transversale de reolienne de la figure 1 selon l'axe E-E, -Figure 5 : une vue en coupe transversale de reolienne de la figure 1 zo selon l'axe C-C, -Figure 6 : une vue en coupe transversale de reolienne de la figure 1 selon l'axe D-D, -Figure 7 : une vue de detail de la vue en coupe longitudinale selon l'axe A-A de la figure 3, 25 -Figure 8 : une vue en perspective d'une eolienne selon la figure 1 installee au sein d'une structure porteuse. Dans ces figures, des references numeriques identiques d'une figure a l'autre designent des elements identiques ou analogues. Par ailleurs, pour des raisons de clarte, les dessins ne sont pas a l'echelle, sauf mention contraire. 30 6 Description detainee de l'invention II y a lieu de noter que dans le present texte le terme 0 vertical » est Mini selon un sens qui est parallele a la direction de la pesanteur. En outre, les termes relatifs > 133, de forme tubulaire creuse, s'etendant entre deux extremites axiales. Le rotor 13 comprend par exemple un ensemble 7 d'aimants fixe de maniere connue de l'homme du métier a la culasse rotor 133. Sur les figures, ('ensemble d'aimants n'est pas represents pour des raisons de clarte. Le rotor 13 est rigidement fixe en porte-a-faux a l'extremite superieure de l'arbre 11 par le biais d'un element de liaison, par une des extremites axiale 5 de la culasse rotor 133 dite 0 extremite axiale inferieure ». Le rotor 13 est libre par l'autre extremite axiale de la culasse rotor 133 dite > 143, de forme tubulaire creuse s'etendant entre 25 deux extremites axiales de sorte a definir un volume interne entre ces deux extremites axiales. Le stator 14 comprend par exemple un ensemble de bobinage fix6 de maniere connue de l'homme du métier a la culasse stator 143. Sur les figures, ('ensemble de bobinage n'est pas represents pour des raisons de clarte. Le stator 14 est rigidement fixe en porte-a-faux au mat fixe 30 12, par ('une des extremites axiales de la culasse stator 143 dite 0 extremite axiale superieure », l'autre extremite axiale dite 0 extremite axiale inferieure >> de la culasse stator 143 etant libre. Avantageusement, tel que represents par 8 la figure 3, l'extremite axiale inferieure forme une ouverture par laquelle est introduit le rotor 13 dans le volume interne du stator 14 de sorte que ledit rotor 13 coopere magnetiquement avec le stator 14. Comme le montrent les figures 3 et 7, l'arbre 11 est aligne avec le mat 5 fixe 12 de telle sorte que les culasse rotor 133 et culasse stator 143 sont concentriques. Comme visible sur les figures 3 et 7, la fixation du stator 14 sur le mat fixe 12 est realisee par un flasque dit 0 premier flasque » 140 comprenant une portion tubulaire 141 par laquelle it est emmanche sur ledit mat fixe 12. La lo portion tubulaire 141 du premier flasque 140 est prolongee a l'une de ses extremites par une couronne 142 autour de la peripherie de laquelle la culasse stator 143 est fixee, par exemple, par vissage, comme le montre la figure 1. La couronne 142 est agencee de sorte a obturer l'extremite axiale superieure de la culasse stator 143 pour interdire toute introduction d'eau, poussiere, sable, 15 residus, debris ou autres corps etrangers indesirables dans le volume interne du stator 14. Des pales 15 s'etendant selon une direction sensiblement verticale sont reparties angulairement preferentiellement de fagon reguliere autour de l'arbre 11 et sont rigidement fixees audit arbre 11 par des bras de liaison 151. 20 Chaque bras de liaison 151 peut etre lie a l'arbre 11 de maniere sensiblement tangentielle, c'est-a-dire selon une configuration dans laquelle un bras de liaison 151 est lie a l'arbre 11 de sorte que l'axe longitudinal selon lequel ledit bras de liaison 151 s'etend n'intersecte pas l'axe longitudinal de l'arbre 11. Autrement dit, chaque bras de liaison 151 s'etend de fagon non radiale par 25 rapport a l'arbre 11. Cette caracteristique permet d'augmenter la resistance mecanique de reolienne 10. Les bras de liaison 151 sont fixes a l'arbre 11 par le biais d'organes de fixation lies mecaniquement a l'arbre 11 au niveau de chacune de ses extremites. Plus particulierement, les organes de fixation sont 30 preferentiellement fixes a l'arbre 11 de sorte a delimiter chacune des extremites superieure et inferieure de l'arbre 11, comme le montre la figure 3. Preferentiellement, comme represents par les figures 1, 2, 3 et 7, les organes 9 de fixation sont formes, a chacune desdites extremites de l'arbre 11, par une paire de platines adaptee a enserrer les bras de liaison 151 des pales 15. Ces paires de platines, appelees 0 paire superieure » 16 et 0 paire inferieure>, 17 presentent chacune une 0 platine superieure » 16a, 17a et une 0 platine 5 inferieure » 16b, 17b. Dans le mode de realisation decrit dans le present texte, reolienne 10 comprend trois pales 15, chaque bras de liaison 151 etant rigidement fixe aux platines superieure 16a, 17a et inferieur 16b, 17b des paires superieure 16 et inferieure 17 en deux points de fixation, comme illustre par les figures 1, 4 et 8, lo de sorte a augmenter encore la resistance aux contraintes mecaniques. L'arbre 11 presente a chacune de ses extremites une collerette, respectivement appelees 0 collerette superieure » 112 et 0 collerette inferieure » 113 dans la suite du texte, s'etendant radialement vers l'exterieure de l'arbre 11. Ces collerettes superieure 112 et inferieure 113 sont prevues 15 pour cooperer avec des brides, respectivement dites 0 bride superieure » 18 et > 18b, 19b de bride 18, 19 dans la suite du present texte. La figure 3 montre que la collerette inferieure 18b de la bride superieure 18 est prevue pour cooperer avec la collerette superieure 112 de l'arbre 11 pour lier mecaniquement la platine inferieure 16b de la paire superieure 16 audit arbre 11, et que la collerette 10 superieure 19a de la bride inferieure 19 est prevue pour cooperer avec la collerette inferieure 113 de l'arbre 11 pour lier mecaniquement la platine superieure 17a de la paire inferieure 17 audit arbre 11. L'eolienne 10 comprend une contre-platine 20 prevue pour cooperer avec la collerette inferieure 19b de la bride inferieure 19 de sorte a enserrer la 15 platine inferieure 17b de la paire inferieure 17. Ainsi, la contre-platine 20 est rigidement fixee a l'arbre 11. Cette contre-platine 20 presente avantageusement un orifice traversant par lequel elle regoit le mat fixe 12. Comme le montrent les figures 2 et 3, la contre-platine 20 presente un premier joint a !ewe 200 s'etendant sur la peripherie de ('orifice traversant de sorte a zo constituer une barriere etanche entre l'environnement exterieur et le volume forme entre le mat fixe 12 et l'arbre 11. Avantageusement, la bride inferieure 19 est agencee de sorte a prendre appui, par sa portion tubulaire creuse, sur le second palier 111, de sorte que les efforts generes par les pales tendant a entrainer l'arbre 11 en 25 rotation sont directement transmis aux organes de roulement, permettant ainsi de limiter les contraintes mecaniques. A ('oppose de la contre-platine 20, ('element de liaison fixant rigidement en porte-a-faux le rotor 13 a l'extremite superieure de l'arbre 11 peut avantageusement comprendre un flasque dit 0 second flasque » 21 fixe a la 30 bride superieure 18 de sorte a enserrer la platine superieure 16a de la paire superieure 16. Comme le montrent les figures 3 et 7, le second flasque 21 presente une forme de revolution ayant un axe de revolution destine a etre 11 confondu avec l'axe central vertical du mat fixe 12. Le second flasque 21 comprend avantageusement une gorge axiale circulaire s'etendant autour de l'axe de revolution, formee par une paroi de fond 210 prolongee par deux parois laterales en vis-a-vis l'une de l'autre, respectivement appelees ci-apres 5 0 paroi laterale exterieure » 211 et 0 paroi laterale interieure >, 212, tel qu'illustre par la figure 7. Comme le representent les figures 3 et 7, le second flasque 21 est fixe a la bride superieure 18 par la paroi de fond 210, la paroi laterale exterieure 211 etant prevue pour supporter l'extremite axiale inferieure de la culasse rotor 10 133 et la paroi laterale interieure 212 etant prevue pour prendre appui contre le premier palier 110. Ainsi, la longueur de porte-a-faux definie comme etant la distance, suivant l'axe de rotation de l'arbre 11, entre l'extremite axiale superieure de la culasse rotor 133 et le premier palier 110, est minimisee. On diminue ainsi les eventuels desequilibres lors de la rotation de reolienne et les 15 incertitudes dimensionnelles, donc les reglages d'alignement lors de ('installation de reolienne. Avantageusement, la paroi laterale interieure 212 presente un joint a !ewe a son extremite libre de sorte a constituer une barriere etanche entre l'environnement exterieur et le volume forme entre le mat fixe 12 et l'arbre 11. 20 Ce joint a !ewe combine au joint a !ewe 200 fixe a la contre-platine 20 permet de preserver le volume forme entre le mat fixe 12 et l'arbre 11 de toute intrusion d'elements non desirables. Le second flasque 21 comprend avantageusement, comme represents sur les figures 3 et 6, des moyens d'ejection destines a expulser d'eventuels 25 corps strangers introduits dans le rotor 13, lesdits moyens d'ejection etant sensibles a la vitesse de rotation du rotor 13. Sur les figures 3 et 6, les moyens d'ejection sont formes par des orifices traversants 213 pratiques par exemple a la jonction entre la paroi de fond 210 et la paroi laterale exterieure 211, de sorte que lorsque l'arbre 11 est entrains en rotation, tout corps stranger et plus 30 particulierement l'eau infiltree tel que decrit precedemment sont soumis a une force centrifuge qui provoque leur expulsion a travers au moins un desdits orifices 213. 12 Le mat fixe 12 est rigidement fixe, par chacune de ses extremites, a une structure porteuse, par exemple pylone ou structure de tour, comme le montre la figure 8. Le mat fixe 12 est donc destine a etre immobile en translation et en rotation par rapport a la structure porteuse. 5 Grace a la conception de reolienne precedemment decrite et notamment grace a l'agencement particulier du rotor et du stator, il est possible du superposer une pluralite d'eolienne selon l'invention unes au dessus des autres, en fixant simplement chaque mat fixe 12 avec le ou les mats fixes 12 de la ou des eoliennes adjacentes. Cette fixation peut etre realisee avec une piece lo de liaison rigidement fixee a la structure porteuse de maniere connue de l'homme du métier. Cette disposition presente egalement l'avantage selon lequel chaque eolienne fonctionne de maniere independante les unes par rapport aux autres ou l'une par rapport a l'autre. De maniere plus generale, il est a noter que les modes de mise en 15 oeuvre et de realisation de l'invention consideres ci-dessus ont ete decrits a titre d'exemples non limitatifs et que d'autres REVENDICATIONS1. Eolienne (10) a axe de rotation vertical caracterisee en ce qu'elle comprend : - un arbre (11) s'etendant entre deux extremites longitudinales autour duquel sont fixes rigidement des pales (15), ledit arbre (11) etant guide en rotation autour d'un mat fixe (12) vertical par deux paliers (110, 111), chacun disposes a l'une des extremites dudit arbre (11), - un rotor (13) d'alternateur guide en rotation par les paliers (110, 111), lo comprenant une culasse rotor (133) s'etendant entre deux extremites axiales, rigidement fix6e en porte-a-faux a l'une des extremites de l'arbre (11) par une de ses extremites axiale, et etant libre par son autre extremite axiale, - un stator (14) d'alternateur comprenant une culasse stator (143) s'etendant entre deux extremites axiales de sorte a definir un volume interne, liee 15 mecaniquement avec le mat fixe (12) en porte-a-faux par l'une de ses extremites axiales, l'autre extremite axiale formant une ouverture par laquelle est introduit le rotor (13) dans le volume interne du stator (14) de sorte que ledit rotor (13) coopere magnetiquement avec le stator (14). 20 2. Eolienne (10) a axe de rotation vertical selon la revendication 1, dans laquelle le stator (14) est lie mecaniquement au mat fixe (12) par un flasque, dit 0 premier flasque » (140), fixe a l'une des extremites axiales de la culasse stator (143), dite 0 extremite axiale superieure », de sorte a obturer ladite extremite axiale superieure. 25 3. Eolienne (10) a axe de rotation vertical selon l'une des revendications 1 ou 2, dans laquelle le rotor (13) est rigidement fixe a l'arbre (11) par un element de liaison supportant l'une des extremites axiale de la culasse rotor (133), dite 0 extremite axiale inferieure », ledit element de liaison 30 comprenant des moyens d'ejection d'un eventuels corps etrangers introduit dans le rotor (13), lesdits moyens d'ejection etant sensibles a la vitesse de rotation du rotor (13). 14 4. Eolienne (10) a axe de rotation vertical selon la revendication 3, dans laquelle ('element de liaison comprend un flasque, dit 0 second flasque » (21), les moyens d'ejection etant formes par des orifices traversants (213) 5 pratiques dans le second flasque (21). 5. Eolienne (10) a axe de rotation vertical selon la revendication 4, dans laquelle chaque pale (15) est liee a l'arbre par au moins un bras de liaison (151) rigidement fixe au second flasque (21) par un organe de fixation. 6. Eolienne (10) a axe de rotation vertical selon la revendication 5, dans laquelle les organes de fixation sont formes, a chacune des extremites longitudinales de l'arbre (11), par une paire (16,17) de platines (16a, 16b, 17a, 17b), lesdits paires (16, 17) etant respectivement adaptees a enserrer les bras de liaison (151).