FR2548477A1 - Moteur electrique immergeable en presence d'appareillages affectes par les bruits transmis par l'eau - Google Patents

Abstract

LA CARCASSE STATORIQUE 6 EST ENTOUREE PAR UNE CHEMISE RIGIDE 7 SUSPENDUE AUX FLASQUES RIGIDES 12A, 12B QUI PORTENT LES PALIERS 4A, 4B ET LA CARCASSE, ET L'INTERVALLE ANNULAIRE 9 ENTRE CETTE CHEMISE ET LA CARCASSE EST REMPLI D'UN GAZ. APPLICATION AU POSITIONNEMENT DYNAMIQUE D'UNE PLATE-FORME MARINE AVEC DETECTEURS D'ECARTS UTILISANT DES ONDES SONORES.

Description

Moteur électrique immergeable en présence d'appareillages affectés par les bruits transmis par liteau
L'invention concerne un moteur électrique immergeable en présence d'appareillages affectés par les bruits transmis par l'eau.

On sait que l'industrie pétrolière en mer utilise de plus en plus de moteurs électriques immergés pour la propulsion, le positionnement dynamique, ou 11 aide à la manoeuvre de remorqueurs, bateaux ravitailleurs, navires ou plateformes de forage, sous-marins et engins d'observation ou d'intervention, ou pour des équipements immergés (stations de pompage).

On constate également une utilisation croissante de procédés de mesures ou de transmissions faisant appel à la propagation des sons dans l'eau : Sonars, balises de navigation et de positionnement, mesures d'écarts de position pour positionnement dynamique, transmission acoustique de algnaux, voire de télévision sous-marines, etc...

Dans ces conditions le risque est apparu que les Bruits émis dans l'eau par les moteurs électriques parasitent dangereusement ces informations acoustiques.

Il est connu par ailleurs de réduire l'émission de bruits par un moteur électrique en le construisant de manière à éviter toute réson nanee de sa structure mécanique sous l'action des forces résultant de l'inter-action électromagnétique entre le rotor et le stator. Mais l'efficaeité de cette solution est trop faible pour un moteur immergé à vitesse constante, et disparait pratiquement si la vitesse doit varier.

C'est pourquoi l'inventeur a examiné la solution consistant à disposer un tel moteur dans un ecran acoustique l'entourant complètement. Cet écran devrait être sulsamment épais pour absorber les bruits produits en fonctionnement et empêcher leur propagation à l'extérieur. Son maintien en position à distance autour du reste du moteur devait entre réalisé par l'intermédiaire d'éléments de suspension facilement déformables de manière à éviter toute mise en vibration de l'écran par transmission solide.La nécessité d'éviter toute espèce de pont acoustique entre le moteur et l'écran qui l'enve- loppe complètement interdit tout remplissage liquide ou peu compressible de l'espace compris entre le moteur et l'enveloppe et pose des problèmes délicats de refroidissement, de liaisons entre le moteur et la structure qui le supporte, de liaison avec l'organe entraîné par le moteur et de joint d'étanchéité entre la sortie d'arbre et l'enveloppe. En conclusion, cette solution peut être efficace en ce sens qu'elle atténue effectivement l'émission de bruits gênants, mais elle présente l'inconvénient d'entratner un encombrement, un poids et un prix considérables ainsi que d'importantes difficultés de réalisation pour l'ensemble constitué par le moteur avec son écran.

La présente invention a pour but la réalisation d'un moteur électrique qui soit immergeable sans inconvénient en présence d'appareillages affectés par les bruits transmis par l'eau tout en présentant un encombrement, un poids et un cout de fabrication limités meme lorsqu'il slagit d'un moteur à vitesse et à puissance instantanée variables.

Elle a pour objet un moteur électrique immergeable en présence d'appareillages affectés par les bruits transmis par l'eau, ce moteur présentant une forme générale de révolution autour d'un axe qui définit une direction longitudinale avec un côté avant et un côté arrière, et des directions radiales le rencontrant à angle droit, ce moteur comportant - un rotor monté sur un arbre s'étendant selon cet axe, - un palier avant et un palier arrière pour supporter cet arbre à l'avant et à l'arrière de ce rotor, - un stator entourant coaxialement le rotor et interagissant électromagnétiquement avec celui-ci pour lui faire fournir une puissance motrice sur ledit arbre, - une carcasse statorique cylindrique entourant coaxialement le stator et s'étendant longitudinalement entre un bord avant et un bord arrière, cette carcasse étant suffisamment rigide pour supporter les efforts appliqués au stator par son interaction avec le rotor, - deux flasques d'extrémité avant et arrière s'étendant radialement et reliant rigidement le palier avant au bord avant de la carcasse et le palier arrière au bord arrière de la carcasse, respectivement, - et un écran acoustique pour arrêter les bruits engendrés par le moteur en fonctionnement, - une enceinte d'étanchéité étant constituée pour empêcher l'eau extérieure de penétrer dans le moteur, - ce moteur étant caractérisé par le fait que ledit écran acoustique est formé par une chemise d'isolation rigide constituée d'un matériau dur, cette chemise entourant coaxialement la carcasse statorique à distance de celle-ci, étant longitudinalement sensiblement coextensive à cette carcasse avec un bord avant et un bord arrière, et laissant les bords radialement extérieurs des flasques en contact au moins mécanique avec l'eau extérieure, - les deux bords de cette chemise étant reliés aux deux flasques par l'intermédiaire de deux éléments de suspension avant et arrière, respectivement, facilement déformables dans les directions radiales, tout en étant aptes à maintenir sensiblement la position de la chemise par rapport aux flasques, - les deux bords de cette chemise étant reliés aux deux flasques par deux joints d'étanchéité respectivement, pour que cette chemise constitue une seconde enceinte d'étanchéité délimintant un intervalle annulaire entre la carcasse statorique et cette chemise, - un gaz étant maintenu dans cet intervalle annulaire pour empêcher toute transmission de vibration par liquide à travers cet intervalle.

A l'aide des figures schématiques ci-jointes on va décrire ciaprès, à titre non limitatif, comment l'invention peut être mise en oeuvre. I1 doit être compris que les éléments décrits et représentés peuvent, sans sortir du cadre de l'invention, être remplacés par d'autres éléments assurant les mêmes fonctions techniques.

La figure 1 représente un diagramme d'efficacité de rayonnement acoustique d'un cylindre vibrant en fonction de la fréquence de vibration.

La figure 2 représente une vue en coupe transversale du stator d'un moteur électrique.

La figure 3 représente une vue en coupe axiale d'un moteur selon l'invention.

Pour bien comprendre l'efficacité inattendue des dispositions très simples prévues par la présente invention, il convient d'examiner les lois physique de l'émission des bruits par un solide dans un milieu homogène, les sources de bruit dans un moteur électrique, et comment l'invention a tiré avantage de ces lois et des caractéristiques de ces sources dans le cas d'un moteur immergeable.

Un moteur électrique en fonctionnement est le siège de vibrations qui sont susceptibles d'émettre des bruits.

Lorsque ce moteur est immergé dans un liquide, le bruit émis dans ce liquide peut être beaucoup plus intense qu'il ne serait dans l'air.

En effet, à une même vitesse de vibration de la paroi en contact avec le liquide correspond une variation de pression beaucoup plus grande dans le liquide, en raison de sa faible compressibilité, comparée à celle de l'air.

L'émission acoustique dtun moteur immergé dans un liquide est donc beaucoup plus difficile à limiter à une valeur acceptable.

Cependant l'efficacité de rayonnement acoustique d'une paroi vibrante est nulle ou très faible tant que les dimensions L de la paroi vibrante en contact avec le fluide sont d'un ordre de grandeur inférieur à la longueur d'onde du bruit dans le fluide à la fréquence considérée.

En d'autres termes, l'émission acoustique ne devient pleinement efficace qu'aux fréquences égales ou supérieures à :
fo = CL où fo est une fréquence repère,
C la vitesse du son dans le fluide (1 500 m/s environ dans l'eau),
et L une longueur caractéristique de la paroi vibrante.

La variation de l'éfficacité de rayonnement acoustique est par exemple représentée sur la figure 1 sur.laquelle cette efficacité est portée en ordonnée et la fréquence considérée est portée en abscisse.

A titre d'ordre de grandeur, si l'on considère un cylindre vibrant par dilatations et contractions radiales (cas de la figure 1), et que l'on prend pour longueur L le périmètre , un cylindre de 1 mètre de diamètre plongé dans l'eau ne devient fortement émissif que pour des fréquences supérieures à 1500 m/s : 3m = 500 Hz, environ.

Les vibrations dont un moteur peut être le siège, proviennent de diverses causes. Une première catégorie de causes résulte notamment de défauts d'équilibrage du rotor, de concentricité rotor-stator, et d'excentricité du rotor par rapport à l'axe de la rotation.

Ces défauts se traduisent par un mouvement en masse du rotor, puis de 11 ensemble du moteur, dont la fréquence fondamentale est égale à la vitesse de rotation. Cette fréquence relativement faible correspond à de grandes longueurs d'onde et ne peut dont etre émise de façon efficace par le moteur seul. De plus ces divers balourds peuvent être réduits par une fabrication soignée.Mais, en général, les structures auxquelles est fixé le moteur ont des dimensions suffisamment grandes pour avoir une efficacité de rayonnement acoustique à la fréquence considérée. il est alors utile, dans le cadre de l'invention, de fixer le moteur sur es structures par \'intermédiaire de supports élastiques classiques (silent blocs) afin de filtrer la transmission à ces structures des vibrations engendrées par les balourds
Une seconde catégorie de bruits résulte de la variation périodique des forces électromagnétiques d'attraction-réplllsion entre rotor et stator qui tiennent au fonctionnement même du moteur, puisque oelui- .3i comporte un certain nombre de poles.On peut réduire ces variations par des choix judiiew!. des paramètres géométriques du moteur (entre autres nombre et forme d'encoches,....) 3 il s'agira inévitablement de compromis qui ne pourront pss etre optimaux dans tous les cas de fonctionnement ni à plus forte raison à toutes les vitesses. Or, les nombreuses fréquences des vibrations correspondantes (qui sont un rlltiple des nombres d'encoches, de la fréquence du réseau, de la vitesse de rotation....) s'étendent de quelques cen- taines à plusieurs milliers de Herz.Elles sont donc supérieures à la fréquence fo mentionnée ci-dessus et par consequent susceptibles d'etEe émises par la paroi du moteur lui-meme avec une efficacité de rayonnement acoustique élevée.

Par ailleurs, il ne s'agit plus de vibrations en masse du rotor ou du stator, mais de déformations locales du stator et la suspension élastique de l'ensemble du moteur, évoquée ci-dessus n'est plus d'aucun secours vis-à-vis de ces déformations.

On peut plus précisément considérer la face extérieure de la carcasse statorique qui entoure le stator. Cette face presente au repos la forme d'un cylindre de révolution autour de l'axe du moteur.

En fonctionnement elle se déforme périodiquement selon divers modes de vibration. Pour chacun de ces modes la surface déformée reste symétrique par rapport à l'axe du moteur, c'est-à-dire qu'elle présente un certain nombre de renflements qui sont régulièrement répartis autour de l'axe et dont le nombre caractérise le mode de vibration considéré.

La figure 2 représente en trait tireté la surface déformée avec deux renflements, la carcasse non déformée étant représentée en 6.

Si on excepte le mode de vibration correspondant à une simple vibration radiale conservant constamment la forme cylindrique de révolution, il apparat que les renflements sont toujours séparés par des creux, de sorte que le volume de la carcasse ne change-pratiquement pas pendant les vibrations.

On peut enfin remarquer que l'amplitude des déformations est très faible, par exemple de l'ordre de 0,002 mm dans le cas d'un moteur classique fournissant une puissance de 100 kW et ayant un diamètre de carcasse de 70 centimètres.

De telles vibrations peuvent cependant provoquer le rayonnement de bruits qui peuvent atteindra 20 à 40 dB (référence 1 microbar) à quelques mètres de distance dans l'eau. Ce rayonnement peut être gênant et il constitue souvent la source principale de bruit.

Conformément à la figure 3 un moteur selon l'invention présente, comme les moteurs électriques habituels, une forme générale de révolution autour d'un axe 20 par rapport auquel sont définies de la manière habituelle des directions longitudinale et radiales, et il comporte les éléments suivants - un rotor 1 monté sur un arbre 18 étendant selon cet axe, - un palier avant 4A et un palier arrière 4B pour supporter cet arbre à l'avant et à l'arrière de ce rotor, - un stator 2 entourant coaxialement le rotor et interagissant électromagnétiquement avec celui-ci pour lui faire fournir une puissance motrice sur ledit arbre, - une carcasse statorique cylindrique 6 entourant coaxialement le stator, et s'étendant longitudinalement entre un bord avant un bord arrière, cette carcasse étant suffisamment rigide pour supporter les efforts appliqués au stator par son interaction avec le rotor, - et deux flasques d'extrémité avant 12A et arrière 12B s'étendant radialement et reliant rigidement le palier avant 4A au bord avant de la carcasse 6 et le palier arrière 4B au bord arrière de la carcasse 6, respectivement.

Conformément à l'invention un écran acoutique efficace est simplement formé par une chemise d'isolation rigide 7 constituée d'un matériau dur qui peut être sensiblement dépourvu d'amortissement interne. Cette chemise est cylindrique, et entoure coaxialement la carcasse statorique 6 à distance de celle-ci. Elle est longitudinalement sensiblement coextensive à omette carcasse avec un bord avant. et un bord arrière, et laisse tout en partiedes capots d'extrémités 14 et 16 et des bords radialement extérieurs des flasques en contact (au moins mécanique) avec l'eau extérieure.

Cette chemise est par exemple constituée d'acier avec une épaisseur de 20 mm. L'intervalle 9 entre elle est la carcasse présente une épaisseur radiale de quelques millimètres, par exemple.

Ses deux bords sont reliés aux deux flasques 12A, 12B par l'intermédiaire de deux éléments de suspension 8 avant et arrière, respectivement, facilement déformables dans les directions radiales, tout en étant aptes à maintenir sensiblement la position de la chemise par rapport aux flasques.

Ces éléments peuvent être réalisés sous la forme de blocs d'élastomère ou par une membrane métallique de faible raideur. Ils permettent par exemple un déplacement radial de 1 mm sous l'action d'une force de. quelques kilogrammes par centimètre de longueur de l'élément 8. Ils peuvent présenter une raideur longitudinale très supérieure.

Le fait que la chemise 7 est reliée par des liaisons souples aux flasques supportant des paliers et non pas directement à la carcasse 6 contenant le stator permet de bénéficier de la rigidité radiale de ces flasques et d'un éloigement de la liaison souple par rapport à la région vibrante.

Les deux bords de la chemise 7 sont de plus reliés aux deux flasques 12A, 12B par deux joints d'étanchéité 10 pour que cette chemise constitue une seconde enceinte d'étanchéité, délimitant un intervalle annulaire 9 autour de la carcasse 6.

Bien entendu les joints d'étanchéité pourraient être constitués par les éléments de suspension de la chemise.

Un gaz est maintenu dans l'intervalle annulaire 9 entre la carcasse statorique 6 et cette chemise 7 pour empêcher toute transmission de vibration par liquide à travers cet intervalle.

On entend ici par gaz un matériau très aisément compressible, même aux fréquences élevées, étant entendu que si le matériau utilisé n'est pas complètement gazeux il semble devoir l'être au moins en majeure partie.

On peut remarquer que le volume de gaz n'est pratiquement pas affecté par les vibrations.

Si le moteur est refroidi par circulation interne d'air ou de gaz, comme un moteur étanche industriel, cet air ou ce gaz peut circuler dans l'intervalle 9.

Si, comme c'est souvent le cas des moteur immergés, notamment de celui qui est décrit, le moteur est rempli d'un fluide diélectrique peu compressible, la carcasse 6 est reliée aux deux flasques de maniere étanche. De préférence le moteur comporte alors une tubulure de raccordement 22 reliée à l'intervalle annulaire 9 entre la carcasse statorique 6 et la chemise d'isolation 7 et traversant l'enceinte étanche 7, 14, 16 pour permettre depuis l'extérieur de cette enceinte de maintenir dans cet intervalle une pression supérieure, égale ou peu inférieure à celle de l'eau autour de cette enceinte.

Il a été indiqué ci-dessus que le bord extérieur des flasques peut être en contact avec l'eau. Il ne peut cependant pas rayonner du bruit de manière gênante. En effet, non seulement la rigidité des flasques diminue les déplacement radiaux de ce bord sous les efforts appliqués par la carcasse, mais encore ce bord a des dimensions trop faibles pour rayonner efficacement.

L'arbre 18 se prolonge au delà du palier avant 4A et sort de l'enceinte d'étanchéité 6, 14, 16 à travers un capot avant 14 faisant partie de cette enceinte, avec interposition d'une garniture d'étanchéité 3.

L'enceinte d'étanchéité comporte encore un capot arrière 16 délimitant un volume à l'arrière du flasque arrière.

Dans ce volume est notamment disposée une butée hydrodynamique 5 comportant des patins oscillants SA qui s'appuyent sur des surfaces fixes 5B solidaires du palier arrière 12B.

Selon une disposition préférée, les flasques avant 12A et arriere 19B sont suffisamment rigides pour ne pas vibrer de manière importante sous les efforts radiaux qui leurs sont appliqués par la carcasse statorique 6, et les capots avant 14 et arriere 16 sont fixés sur ces flasques pour être supportés sans recevoir de vibrations importantes susceptibles d'être rayonnées dans 1 1eau par leurs faces extérieures.

Les flasques sont par exemple constitués d'une paroi métallique épaisse de un à quelques eentamtPe9.

Selon ure autre dispo3ition parfois avantageuse, lorsque la rigidité des flasques est moindre, les capots avant 14 et arrière 16 sont co" titués d'un matériau viseoélantique présentant un amortissement interne pour absorber lténergie des vibrations transmise par ies flasques avant i2A et arrière 12B et empecher ainsi un rayonnement sensible de cette énergie dans l'eau extérieure.

Dans ce cas la garniture d'étanchéité 3 doit être portée par le flasque 4A, cette disposition n'étant cependant pas représentée.

De préférence encore le moteur comporte des tubulures 24, 26 traversant l'enceinte étanche 6, 14, 16 pour permettre de faire circuler le fluide de refroidissement et de le refroidir à l'extérieur de cette enceinte.

Il comporte encore des éléments de support extérieurs 28 permettant de supporter le moteur par l'intermédiaire de blocs de support élastiques 30 filtrant les vibrations. De préférence ces éléments de support extérieurs 28 sont fixés aux flasques 12A, 12B.

Il a déjà été indiqué que l'amplitude des déformations locales de la carcasse du stator est de l'ordre de quelques millièmes de millimètre aux fréquences susceptibles d'être émissives.

La liaison souple assurée par les éléments 8 peut donc s'accomoder d'une course très faible facilement compatible avec les joints d'étanchéité nécessaires pour contenir le gaz 9 au cas où la liaison souple n'assure pas elle-meme l'étanchéité. Cette faible course autorise également une raideur de la liaison souple très suffisante pour transmettre sans dommage les efforts généraux tels que le couple ou le poids du moteur dans le cas où le moteur est suspendu par l'intermédiaire de la chemise 7.

Au cas où des efforts exceptionnels seraient encourus de temps en temps, des butées peuvent être prévues pour limiter la déformation de la liaison souple. La déformation limite peut être très faible, de l'ordre de quelques dixièmes de millimètres.

Par ailleurs certaines parties de l'enveloppe du moteur, autres que la région du stator, et de dimensions suffisamment faible pour ne pas être émissives peuvent rester en contact direct avec l'eau extérieure et servir de surface d'échange pour le refroidissement du moteur.

Claims (7)

REVENDICATIONS

1/ Moteur électrique immergeable en présence d'appareillages affectés par les bruits transmis par l'eau, ce moteur présentant une forme générale de révolution autour d'un axe (20) qui définit une direction longitudinale avec un côté avant et un côté arrière, et des directions radiales le rencontrant à angle droit, ce moteur comportant - un rotor (1) monté sur un arbre (18) s'étendant selon cet axe, - un palier avant (4A) et un palier arrière (1in) pour supporter cet arbre à l'avant et à l'arrière de ce rotor, - un stator (2) entourant coaxialement le rotor et interagissant électromagnétiquement avec celui-ci pour lui faire fournir une puissance motrice sur ledit arbre, - une carcasse statorique cylindrique (6) entourant coaxialement le stator et s'étendant longitudinalement entre un bord avant et un bord arrière, cette carcasse étant suffisamment rigide pour supporter les efforts appliqués au stator par son interaction avec le rotor, - deux flasques d'extrémité avant (12A) et arrière (12B) s'étendant radialement et reliant rigidement le palier avant (4A) au bord avant de la carcasse et le palier arrière (4B) au bord arrière de la carcasse, respectivement, - et un écran acoustique pour arrêter les bruits engendrés par le moteur en fonctionnement, - une enceinte d'étanchéité (3, 14, 6, 16) étant constituée pour empêcher l'eau extérieure de penétrer dans le moteur, - ce moteur étant caractérisé par le fait que ledit écran acoustique est formé par une chemise d'isolation rigide (7) constituée d'un matériau dur, cette chemise entourant coaxialement la carcasse statorique (6) à distance de celle-ci, étant longitudinalement sensiblement coextensive à cette carcasse avec un bord avant et un bord arrière, et laissant tout ou partie des bords radialement extérieurs des flasques en contact au moins mécanique avec l'eau extérieure, - les deux bords de cette chemise (7) étant reliés aux deux flasques (12A, 12B) par l'intermédiaire de deux éléments de suspension (8) avant et arrière, respectivement, facilement déformables dans les directions radiales, tout en étant aptes à maintenir sensiblement la position de la chemise par rapport aux flasques, - les deux bords de cette chemise (7) étant reliés aux deux flasques (12A, 12B) par deux joints d'étanchéité (10) respectivement, pour que cette chemise constitue une seconde enceinte d'étanchéité, délimitant un intervalle annulaire (9) entre la carcasse statorique (6) et cette chemise (7), - un gaz étant maintenu dans cet intervalle annulaire (9) pour empêcher toute transmission de vibration par liquide à travers cet intervalle.

2/ Moteur selon la revendication 1, dans lequel ledit arbre (18) se prolonge au delà du palier avant (4A) et aort de ladite enceinte d'étanchéité (6, 14, 16) à travers un capot avant (111)-faisant partie de cette enceinte, avec interposition d'une garniture d'étanchéité (3), et dans lequel cette enceinte d'étanchéité comporte encore un capot arrière (16) délimitant un volume à l'arrière du flasque arrière, ce moteur étant caractérisé par le fait que les flasques avant (12A) et arrière (12B) sont suffisamment rigides pour ne pas vibrer de manière importante sous les efforts radiaux qui leurs sont appliqués par la carcasse statorique (6), - les capots avant (14) et arrière (16) étant fixés sur ces flasques pour être supportés sans recevoir de vibrations importantes susceptibles d'être rayonnées dans l'eau par leurs faces extérieures.

3/ Moteur selon la revendication 2, caractérisé par le fait que les capots avant (14) et arrière (16) sont constitués d'un matériau viscoélastique présentant un amortissement interne pour absorber 11 énergie des vibrations résiduelles transmises par les flasques avant (14) et arrière (16) et empêcher ainsi un rayonnement sensible de cette énergie dans l'eau extérieure.

4/ Moteur selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il comporte une tubulure de raccordement (22) reliée à l'intervalle annulaire entre la carcasse statorique (6) et la chemise d'isolation (7) et traversant l'enceinte étanche (6, 14 16) pour permettre depuis l'extérieur de cette enceinte de maintenir dans cet intervalle une pression au moins égale ou peu inférieure à celle de l'eau autour de cette enceinte.

5/ Moteur selon la revendication 1, contenant un fluide de refroidissement et éventuellement de lubrification, et caractérisé par le fait qutil comporte des tubulures (24, 26) traversant l'enceinte étanche (6, 14, 16) pour permettre de faire circuler le fluide de refroidissement et de le refroidir à l'extérieur de cette enceinte.

6/ Moteur selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il comporte des éléments de support extérieurs (28) permettant de supporter le moteur par l'intermédiaire de blocs de support élastiques (30) filtrant les vibrations.

7/ Moteur selon la revendication 6, caractérisé par le fait que les éléments de support extérieurs (28) sont fixés aux flasques (12A, 12B).