Dispositif de centrage du rotor d'une machine tournante La présente invention concerne un dispositif de centrage du rotor d'une machine tournante.
On connaît déjà des dispositifs de centrage fai sant appel à un flux magnétique pour maintenir un rotor coaxial à un organe magnétique inducteur de centrage fixe. Cependant les différentes solutions proposées ne permettent pas d'obtenir un centrage rigoureux.
La présente invention vise à réaliser un disposi tif de centrage qui assure le maintien rigoureuse ment coaxial du rotor par rapport à l'axe de l'organe magnétique de centrage.
La présente invention a pour objet un dispositif de centrage du rotor d'une machine tournante, com prenant un organe magnétique inducteur de centrage, coaxial et adjacent au rotor, des moyens pour pro duire un flux magnétique dans cet organe magnéti que inducteur de centrage, lequel comporte, sur sa face transversale qui est voisine du rotor, des pièces polaires constituées par deux couronnes concentri ques, à savoir une couronne intérieure et une cou ronne extérieure, et un organe magnétique porté par la face transversale du rotor qui fait face audit organe magnétique inducteur de centrage, cet organe magnétique comportant deux couronnes concentri ques intérieure et extérieure disposées en regard des couronnes polaires correspondantes de l'organe magnétique inducteur de centrage,
caractérisé en ce que chacune des couronnes de l'organe magnétique inducteur de centrage et de l'organe magnétique du rotor est constituée par plusieurs nervures concen triques terminées par des arêtes vives, de manière que le flux magnétique produit dans l'organe magné tique inducteur de centrage se ferme par l'organe magnétique du rotor et assure le maintien du rotor centré sur l'axe de l'organe magnétique inducteur de centrage.
Pour équilibrer et compenser la force d'attrac tion axiale exercée par l'organe magnétique induc teur de centrage sur le rotor, on peut prévoir un organe magnétique inducteur auxiliaire exerçant sur ce rotor une force axiale opposée à celle exercée par l'organe magnétique inducteur de centrage.
Les flux magnétiques produits dans les circuits magnétiques inducteurs de centrage et auxiliaires peuvent être produits soit par des aimants perma nents, soit par des électro-aimants.
Le dispositif selon l'invention permet de suppri mer, dans une machine tournante, l'arbre portant le rotor ainsi que les paliers de centrage de cet arbre.
Le dispositif selon l'invention peut être notam ment utilisé pour transmettre un couple entre le rotor et un arbre menant ou mené.
Dans ce cas, la transmission du couple entre l'arbre et le rotor peut se faire à travers une paroi étanche, le rotor menant ou mené étant disposé dans une enceinte rigoureusement hermétique, de sorte qu'il n'est pas nécessaire de prévoir pour ce rotor des paliers, leur graissage, ni des dispositifs d'étan chéité sur l'arbre du rotor puisque celui-ci est supprimé.
D'autre part, dans toutes les formes d'exécution, la suppression de l'arbre portant le rotor et de ses paliers peut conduire à une réduction sensible du volume total de la machine, ce qui peut, dans cer tains cas, être un avantage appréciable.
On décrira ci-après, à titre d'exemple, diverses formes de réalisation de la présente invention en se référant au dessin annexé, dans lequel: La fig. 1 est une vue en coupe longitudinale d'un coupleur électromagnétique.
La fig. 2 est une demi-vue en élévation du rotor mené du coupleur suivant la fig. 1. La fig. 3 est une vue en coupe longitudinale d'un autre coupleur électromagnétique.
La fig. 4 est une demi-vue en élévation du rotor mené du coupleur suivant la fig. 3.
La fig. 5 est une vue en coupe longitudinale partielle, à plus grande échelle, du coupleur suivant la fig. 3, le rotor mené étant supposé être excentré par rapport au rotor menant.
La fig. 6 est une vue en perspective des rotors menant et mené et de l'organe inducteur fixe du coupleur suivant la fig. 3, ces éléments étant coupés par un plan diamétral.
Le coupleur électromagnétique représenté sur les fig. 1 et 2 comprend essentiellement un arbre mo teur 1, dont est solidaire un rotor menant 2, et un rotor mené flottant 3, dont est solidaire un organe de travail 4 de la machine entraînée. Dans l'exemple considéré, cet organe de travail est une roue de compresseur. Le rotor mené 3 et la roue de com presseur 4 sont disposés dans une enceinte herméti que 5 délimitée par une enveloppe 35 et séparée d'une enceinte 6, dans laquelle se trouve le rotor menant 2, par une cloison étanche 7.
L'arbre menant 1 est solidaire d'un collet de butée 8, qui transmet à un palier 9 les poussées axiales auxquelles est soumis l'arbre 1. Cet arbre 1 est d'autre part guidé par un second palier radial 10, les paliers 9 et 10 étant montés dans une enveloppe 11, dans laquelle est logé le rotor menant 2. L'enve loppe 11 porte un organe magnétique inducteur annulaire 12, à section en U, dans lequel est logé un enroulement inducteur fixe 13 produisant un flux magnétique ( servant à la transmission du couple entre le rotor menant 2 et le rotor mené 3.
Le rotor menant 2 présente un premier ensemble de dents 14, disposées suivant une couronne extérieure, et un second ensemble de dents 15 disposées sui vant une couronne intérieure. Les couronnes de dents extérieures 14 et intérieures 15 sont séparées par une entretoise annulaire en matière amagnéti- que 16.
Le rotor mené 3 comprend, de l'autre côté de la cloison étanche 7 et en regard du rotor menant 2, un premier organe magnétique annulaire 17 présen tant une couronne de dents extérieures 18 et une couronne de dents intérieures 19. Les couronnes de dents extérieures 18 et 14 d'une part, et intérieures 19 et 15 d'autre part, sont respectivement disposées en regard les unes des autres de chaque côté de la cloison étanche 7.
Le coupleur décrit à titre d'exemple étant du type synchrone, les dents 14 et 15 du rotor menant 2 sont en nombre égal au nombre de dents 18 et 19 du rotor mené 3. Il est évident que l'on peut envisa ger de la même façon de réaliser un coupleur asyn chrone en prévoyant des nombres de dents diffé rents sur les rotors menant et mené.
Le rotor mené 3 porte un second organe magné tique annulaire 21, coaxial au premier, cet organe magnétique 21 coopérant avec un organe inducteur magnétique de centrage 22. L'organe magnétique in ducteur de centrage 22 est porté par une partie 23 de l'enveloppe extérieure de la machine et comprend essentiellement deux anneaux en matière magnétique 24 et 25 réunis par une entretoise annulaire 26 en matière amagnétique, un enroulement inducteur an nulaire 27 étant logé entre les anneaux 24 et 25.
Ces anneaux 24 et 25 présentent respectivement, sur leurs faces transversales qui font face au rotor mené 3, des couronnes polaires extérieure 28 et inté rieure 29. La couronne polaire extérieure 28 est constituée par deux nervures circulaires présentant des arêtes vives, tandis que de la même manière la couronne polaire intérieure 29 est constituée par trois nervures circulaires à arêtes vives.
De la même façon, le second organe magnétique 21 du rotor mené 3 présente deux couronnes, à savoir une couronne extérieure 31 et une couronne intérieure 32. Ces couronnes 31 et 32 sont comme précédemment constituées respectivement par deux et trois nervures circulaires à arêtes vives. Les ner vures des couronnes 31 et 32 ont les mêmes diamè tres, les mêmes pas et la même répartition que les nervures des couronnes correspondantes 28 et 29 et leur font face.
Le centrage du rotor mené 3 est obtenu par l'ali mentation de l'enroulement inducteur 27, lequel produit un flux magnétique 4)1. Ce flux magnétique #)1 se ferme à travers les anneaux 24 et 25, le second organe magnétique 21 du rotor 3 et la partie 23 de l'enveloppe extérieure de la machine.
Le flux qDl est concentré dans les nervures constituant les différen tes couronnes extérieures 28 et 31 et intérieures 29 et 32 et assure de ce fait une mise en position très précise du rotor mené 3 par rapport à l'axe longi tudinal X-X de la machine, position pour laquelle la réluctance de l'ensemble du circuit magnétique de centrage est minimale.
Le nombre de nervures des couronnes intérieure et extérieure est différent car il est nécessaire que la section de passage offerte au flux magnétique soit constante tout le long du trajet de ce flux.
Le second organe magnétique 21 du rotor mené 3 présente en outre à sa périphérie une jupe cylin drique 33, qui repose par sa face transversale sur une surface d'appui annulaire plane 34 prévue dans l'enveloppe 35 abritant le rotor mené 3. Suivant d'autres variantes de réalisation, cette surface d'appui pourrait être conique ou sphérique.
Par suite des forces d'attraction axiales dues aux flux magnétiques q) et (P1, le rotor mené 3 exerce une pression sur la surface 34. Pour régler à volonté cette pression, on a prévu un organe magnétique inducteur auxiliaire 36 constitué par une cuirasse annulaire 37, à l'intérieur de laquelle est logé un enroulement inducteur 38 alimenté en courant conti nu ou redressé. Le rotor mené 3 porte d'autre part un anneau continu 39, en métal magnétique.
Le flux (P. engendré par l'organe magnétique inducteur auxiliaire 36 se ferme dans l'anneau continu 39, si bien que ce dernier est soumis à une force d'attrac tion axiale en direction de cet organe inducteur 36. Cette force d'attraction axiale peut donc être réglée à volonté, par variation de l'excitation de l'enroule ment inducteur 38, de manière à équilibrer en partie la pression exercée par le rotor mené 3 sur la surface d'appui 34.
Sur les fig. 3 à 6 est représenté un autre coupleur électromagnétique, dans lequel le flux magnétique produit par le circuit magnétique inducteur de cen trage sert également à la transmission du couple entre le rotor menant 42 et le rotor mené flottant 43. Dans cette forme de réalisation, les éléments similaires à ceux du coupleur des fig. 1 et 2 portent les mêmes nombres de référence.
Sur la fig. 3, l'arbre moteur 1 du coupleur porte un plateau 41, qui est claveté à une extrémité et sur lequel sont fixés deux anneaux rotoriques coaxiaux 44 et 45, en métal magnétique, réunis par une entretoise annulaire amagnétique 46. Les éléments 41, 44, 45 et 46 cons tituent le rotor menant 42 et dans l'espace annulaire compris entre les anneaux 44 et 45 est logé l'organe magnétique annulaire fixe 12, porté par l'enveloppe 11 de la machine, et comprenant à l'intérieur l'enrou lement inducteur 13.
Comme dans le premier exemple précédemment décrit, le rotor mené 43 est solidaire de l'organe de travail 4 de la machine et est disposé dans; une enceinte hermétique 5, laquelle est délimitée par une enveloppe 48 et une cloison étanche de séparation 47.
Le rotor mené 43 comprend un seul organe magnétique 49 constitué par un plateau annulaire, dont le diamètre est grand par rapport à la hauteur et sur lequel est fixé l'organe de travail de la machine.
L'organe magnétique 49 présente deux ensembles de dents extérieures 50 et intérieures 51 disposées suivant deux couronnes concentriques à l'axe longi tudinal Y-Y du rotor. Les dents 50 et 51 résultent du découpage, au moyen d'incisions radiales, de couronnes continues analogues aux couronnes exté rieure 31 et intérieure 32 du rotor mené 3 du cou pleur des fig. 1 et 2. Chaque dent 50 de la couronne extérieure est constituée par deux nervures concen triques, à arêtes vives, et, de même, chaque dent 51 de la couronne intérieure est constituée par trois nervures concentriques, également à arêtes vives.
Les dents extérieures 50 et intérieures 51 sont disposées par paires suivant des rayons formant entre eux un angle constant, la somme des longueurs des arcs que constituent les nervures d'une dent extérieure 50 étant égale à la somme des longueurs des arcs que constituent les nervures de la dent intérieure 51 disposée suivant le même rayon. On obtient ainsi une section constante pour le passage du flux magnéti que ( 3.
Le rotor menant 42 est constitué, de l'autre côté de la cloison étanche 47, de la même façon que le rotor mené 49. Les anneaux 44 et 45 sont prolon- gés par des dents polaires disposées respectivement suivant des couronnes extérieure et intérieure. Les dents extérieures 52 et intérieures 53 sont réalisées de la même façon que les dents correspondantes 50 et 51 du rotor mené 43.
Dans cette forme de réalisation, le flux magnétique 03 produit par l'enrou- lëment inducteur 13 se ferme à travers les anneaux rotoriques 44, 45 et l'organe magnétique 49, en étant concentré dans les nervures des dents intérieu res 53, 51 et extérieures 52, 50.
En fonctionnement, la position du rotor mené 43 est celle qui fournit la réluctance minimale du circuit magnétique, c'est-à-dire celle pour laquelle les arêtes des nervures des dents 50-53 sont disposées en regard les unes des autres. L'axe de rotation du rotor mené 43 est ainsi déterminé par la liaison magnétique avec le rotor menant 42, l'axe de ce rotor menant étant défini matériellement par les paliers 9 et 10.
D'autre part, la coïncidence respective des dents 50, 51 avec les dents 52, 53 définit la position de réluctance minimale, à laquelle correspond le couple de transmission synchrone qui est fonction, pour des dimensions données, de l'intensité d'excitation de l'enroulement inducteur 13.
On peut encore dire que le circuit magnétique ainsi constitué présente une réluctance<U>minim</U>ale lorsque trois conditions sont remplies à savoir 1. Coïncidence de l'axe Y-Y du rotor mené 43 avec l'axe X-X du rotor menant 42.
2. Disposition en regard les unes des autres, des deux côtés de la cloison 47, d'une part des dents 50 et 52 et d'autre part des dents 51 et 53.
3. Distance minimale a (fig. 6) entre les arêtes des dents en regard.
La paroi étanche 47 disposée entre les rotors menant et mené étant constituée en une matière amagnétique et mauvaise conductrice de l'électricité, dès que l'on alimente l'enroulement d'excitation 13, le flux magnétique (1)3 s'établit en empruntant les zones les plus perméables.
Pour que la réluctance du circuit magnétique soit minimale, il faut que les axes X-X du rotor menant 42 et Y-Y du rotor mené 43 cdincident. Si un écart e (fig. 5) tend à se pro duire entre les axes X-X et Y-Y, des forces de rappel magnétiques FO et Fl sollicitent respective ment les rotors 43 et 42 et tendent de toute façon à rétablir la coïncidence des axes X-X et Y-Y.
Comme dans la forme de réalisation des fig. 1 et 2, un organe magnétique inducteur auxiliaire 36 est prévu pour créer un flux magnétique ( 2 contre balançant l'attraction axiale exercée par le circuit magnétique inducteur de centrage sur le rotor mené 43.
Dans toutes les formes de réalisation, le rotor mené 3 ou 43 tourne en étant centré sur les paliers 9 et 10, mais sans liaison matérielle avec ceux-ci, le couple d'entraînement étant fonction du courant d'excitation dans l'enroulement inducteur 13. Le rotor mené 43 peut par conséquent tourner à l'intérieur d'une ambiance quelconque en étant com plètement isolé du milieu extérieur. Les paliers de centrage du rotor 43 sont en fait constitués par les paliers extérieurs de l'arbre moteur 1.
Dans une variante, les rôles des rotors peuvent être inversés, le rotor flottant étant alors le rotor d'une turbine et entraînant le rotor mené solidaire d'une générarice. De même, bien que l'on ait prévu, pour le dispositif de transmission du couple, un entre- fer plan, il est évident que l'on pourrait réaliser ce dispositif de transmission de la même façon au moyen d'un entrefer cylindrique.
Dans la forme de réalisation des figures 1 et 2, l'organe magnétique 17 portant les dents 18 et 19 pourrait être remplacé par un simple plateau continu recouvert d'une pellicule conductrice, l'entrainement se faisant alors par l'intermédiaire des courants de Foucault produits dans cette pellicule.
On peut prévoir, pour les nervures constituant les différentes dents et couronnes, des profils diffé rents, la condition essentielle à respecter étant que ces nervures soient terminées par des arêtes vives pour assurer une mise en position très précise des deux rotors l'un par rapport à l'autre.