Brevet FR3101208A1 — publié le 20210326

La présente invention concerne un dispositif de compression comprenant une machine électrique ayant un rotor à aimantation hybride comprenant un aimant permanent cylindrique (5) et un arbre creux (7) réalisé en un matériau à aimantation temporaire ou modulable. Figure 1 à publier Rotor à aimantation transitoire hybride La présente invention concerne le domaine des dispositifs de compression entraînés par une machine électrique, en particulier l’invention concerne un turbocompresseur entraîné par une machine électrique. Elle concerne notamment un dispositif pour comprimer un fluide gazeux, ici de l'air, par un compresseur, seul ou associé à une turbine pour former un turbocompresseur, pour ensuite l'envoyer vers tous appareils et plus particulièrement à l'admission d'un moteur à combustion interne. En effet, comme cela est largement connu, la puissance délivrée par un moteur à combustion interne est dépendante de la quantité d’air introduite dans la chambre de combustion de ce moteur, quantité d’air qui est elle-même proportionnelle à la densité de cet air. Ainsi, il est habituel d'augmenter cette quantité d'air au moyen d’une compression de l’air extérieur avant qu'il ne soit admis dans cette chambre de combustion lors d'un besoin d’une forte puissance. Cette opération, appelée suralimentation, peut être réalisée par tous moyens, tel qu'un compresseur seul entraîné électriquement par une machine électrique (compresseur électrifié), ou par un compresseur associé à une turbine et à une machine électrique pour former un turbocompresseur électrifié. Dans les deux cas précités, la machine électrique associée au compresseur peut être de différents types. L'un de ces types est une machine électrique à faible entrefer et bobinages proches du rotor qui permet un guidage optimal du flux magnétique et un rendement optimisé. Ce type de machine électrique présente l’avantage d’une certaine compacité, qui peut parfois devenir problématique pour son refroidissement et qui demande l’utilisation d’un système spécifique pour évacuer ses pertes. Afin de ne pas être intrusif sur l’entrée d’air du compresseur, ce type de machine électrique est classiquement positionnée au dos du compresseur dans le cas d’un compresseur électrifié, ou entre le compresseur et la turbine dans le cas d’un turbocompresseur électrifié, et cela malgré la présence d’un environnement thermique défavorable dans ce dernier car proche de la turbine. Généralement, la liaison entre le compresseur, la turbine et la machine électrique est rigide. Ce type de machine peut aussi être positionné côté compresseur mais à une distance relativement éloignée de l’entrée d’air afin de ne pas perturber cette dernière. La liaison entre le compresseur et la machine est alors rigide ou réalisée à l’aide d’un accouplement mécanique. Ce type de systèmes est mieux décrit dans les brevets US2014373532A, US2009056332A, US2010266430A, US2010247342A, US6449950B, US7360361, EP0874953A1 ou EP0912821A1. L'autre de ces types est une machine électrique à fort entrefer (appelée machine à « Air Gap »), dont l’entrefer peut parfois mesurer plusieurs centimètres afin de laisser passer le fluide de travail dans cet entrefer permettant ainsi une intégration au plus proche des systèmes de compression, dans un environnement thermique plus favorable. Cette disposition de machine électrique présente néanmoins le désavantage de perturber et limiter le passage du flux magnétique entre le rotor et le stator au travers du grand entrefer, ce qui contribue à limiter le rendement intrinsèque de la machine électrique ainsi que ses performances spécifiques (puissance massique et volumique). Les pertes élevées sur ce type de concept obligent aussi à développer un refroidissement spécifique pour évacuer les calories du rotor et du stator ou à limiter les performances spécifiques. L’homme du métier est amené à compenser cet inconvénient notamment en mettant en œuvre des courants de commande très élevés, ce qui augmentent la coût de l’onduleur et provoque des pertes dans le stator. Ce type de machine électrique est notamment décrit dans les brevets EP1995429A1, US2013169074A ou US2013043745A. Un troisième type de machine électrique est la machine à grille statorique, qui peut être positionnée en amont du compresseur, et pour laquelle l’air traverse le stator. La demande de brevet FR3074622A1 détaille plusieurs structures de rotor électrique et de montage du rotor sur l’arbre d’un turbocompresseur, en rapportant un rotor sur un arbre débouchant côté compresseur. Ce rotor est particulièrement intéressant pour les machines électriques à grille statorique. Ces structures sont intéressantes pour intégrer des rotors sur des turbocompresseurs déjà réalisés. Toutefois, ces structures sont la plupart du temps difficilement compatibles avec un procédé industriel de fabrication en grande série, étant donné les tolérances de fabrication et les opérations d’équilibrage nécessaires à réaliser sur le rotor pour arriver à un tel système. De plus, ces solutions peuvent nécessiter l’usinage d’un alésage au sein d’un aimant, ce qui est complexe et qui réduit les performances magnétiques de l’aimant. Alternativement, l’homme du métier peut également améliorer le montage en le simplifiant par l’utilisation d’un aimant plein. Une des problématiques de l’électrification des compresseurs concerne les couts de fabrication de la machine électrique et plus particulièrement du rotor. En effet, les contraintes dues au régime de rotation très élevé du turbocompresseur, d’environ 200.000 tours/min et plus, sont particulièrement éprouvantes pour la résistance mécanique de l’aimant du rotor, ce qui induit des couts importants pour fabriquer un dispositif qui permet de garantir la bonne tenue du matériau magnétique. Une autre problématique est la perte due aux forces de couplage magnétique entre le rotor et le stator (appelés pertes à vide), plus particulièrement lors des phases de roue libre, lorsque la machine électrique n’est pas activée. En effet, lors des phases de non utilisation de l’assistance de la machine électrique, l’aimant permanent contenu dans le rotor provoque une résistance à la libre rotation de l’axe du compresseur. Une solution à cette problématique est l’utilisation d’un matériau à magnétisation temporaire ou modulable. Dans le cas de la mise en œuvre d’un rotor réalisé uniquement ou principalement avec des matériaux à magnétisation temporaire ou modulable, il subsiste néanmoins un problème à surmonter, à savoir la difficulté de détecter le mouvement de rotation du rotor et plus particulièrement de détecter la position du rotor à cause de la magnétisation initiale du rotor inexistante ou trop faible pour être détectable et utilisable par l’onduleur. La présente invention surmonte ce problème en proposant un rotor hybride par l’introduction judicieuse d’un aimant permanent au sein d’un rotor réalisé dans un matériau à magnétisation temporaire ou modulable. Figures La figure 1 illustre un rotor de machine électrique selon un mode de réalisation de l’invention. La figure 1 illustre un rotor de machine électrique selon un mode de réalisation de l’invention. La figure 2 illustre un dispositif de compression entraîné par une machine électrique selon un mode de réalisation de l’invention. Dispositif de compression d’un fluide comprenant une machine électrique, ladite machine électrique comprenant un rotor et un stator, ledit dispositif de compression comprenant un arbre de compression (3) sur lequel est montée au moins une roue de compression (2), ledit rotor étant relié à une extrémité dudit arbre de compression (3), ledit rotor comprenant un aimant permanent cylindrique (5) et un arbre creux (7), ledit arbre creux (7) comportant une portion de frette (4) entourant radialement ledit aimant permanent cylindrique (5), caractérisé en ce que ledit aimant permanent cylindrique (5) est une pièce pleine coaxiale audit rotor, ledit arbre creux (7) est réalisé en un matériau à aimantation temporaire ou modulable (à modulation du flux). Dispositif de compression selon la revendication 1, dans lequel l’épaisseur de la frette (4) est supérieure au rayon de l’aimant permanent cylindrique (5). Dispositif de compression selon l’une des revendication précédentes, dans lequel ledit aimant permanent cylindrique (5) est réalisé à base de néodyme, NbFeBr, SmCo, Ferrite ou tout autre matériau magnétique dur. Dispositif de compression selon l’une des revendication précédentes, dans lequel ledit arbre creux (7) est réalisé dans un alliage type acier fer-chrome-cobalt, aluminium-nickel-chromme AlNiCo ou tout autre matériau magnétique souple. Dispositif de compression selon l’une des revendication précédentes, dans lequel l’arbre creux (7) comporte de façon intégrale une portion cylindrique annulaire (6) insérée dans ladite au moins une roue de compression (2), ladite portion cylindrique annulaire (6) reliant axialement l’arbre de compression (3) à ladite au moins une roue de compression (2). Dispositif de compression selon l’une des revendication précédentes, dans lequel le rotor comporte des moyens de manipulation (13). Dispositif de compression selon l’une des revendication précédentes, dans lequel le rotor a un diamètre extérieur inférieur ou égal au diamètre du nez de la roue de compression. Dispositif de compression selon l’une des revendication précédentes, dans lequel le dispositif de compression est un turbocompresseur associant une turbine et un compresseur, notamment pour un moteur à combustion interne. Dispositif de compression selon la revendication 8, dans lequel la machine électrique est agencée au niveau de la zone d‘admission du gaz dudit turbocompresseur. Dispositif de compression selon l’une des revendication précédentes, dans lequel la machine électrique est une machine à grille statorique. Dispositif de compression selon l’une des revendication précédentes, dans lequel la machine électrique est un générateur électrique. Procédé de mise en œuvre du dispositif selon l’une des revendications 1 à 11 dans lequel on réalise la magnétisation dudit arbre creux pour faire passer ledit rotor d’un état initial dans lequel le rotor est considéré inactif à un état de fonctionnement dans lequel le rotor est considéré actif. Procédé de mise en œuvre du dispositif selon l’une des revendications 1 à 11 dans lequel on réduit la magnétisation dudit arbre creux (7) pour faire passer ledit rotor d’un état de fonctionnement dans lequel le rotor est considéré actif à un état de initial dans lequel le rotor est considéré inactif. Procédé de mise en œuvre du dispositif selon les revendications 12 ou 13 dans lequel la magnétisation et la réduction de la magnétisation dudit arbre creux (7) sont réalisées par application d’une impulsion de courant au moyen d’un onduleur pilotant ladite machine électrique, ladite impulsion de courant ayant une amplitude supérieure aux impulsions de fonctionnement normal de la machine électrique. Procédé de mise en œuvre du dispositif selon la revendication précédente dans lequel le changement entre l’état actif et inactif est réalisé suivant les modes transitoires suivants : On choisit l’état actif lorsqu’on veut transmettre de la puissance par la machine électrique, dans ce mode actif on module ladite puissance par l’onduleur sur une plage entre un minimum et un maximum ; On choisit l’état inactif lorsqu’on veut réduire le couple magnétique entre le rotor et le stator.