FR3001093A1 - Dispositif electrique pour le stockage d'electricite par volant d'inertie - Google Patents

Dispositif electrique pour le stockage d'electricite par volant d'inertie Download PDF

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Abstract

L'invention concerne un dispositif de stockage de l'énergie comprenant : - un rotor (1) formant volant d'inertie, - au moins un moteur / générateur électrique de type moteur / générateur de Lorentz comprenant le rotor (1), un stator (4) bobiné et au moins un aimant (5) fixé sur le rotor, - au moins un moyen de fermeture de flux magnétique, remarquable en ce que le moyen de fermeture de flux est monté mobile en rotation synchrone avec l'aimant (5) du moteur / générateur électrique.

Description

L'invention concerne un dispositif de stockage de l'énergie par volant d'inertie. Un dispositif de volant d'inertie est un dispositif permettant le stockage et la restitution d'énergie stockée sous forme cinétique dans une 5 masse animée d'un mouvement de rotation. De tels dispositifs sont particulièrement utilisés pour lisser et rendre plus régulier le régime de fonctionnement d'un système électrique, que les irrégularités soient dues à la source d'alimentation en énergie du système ou au récepteur utilisant l'énergie. 10 Ainsi, ils permettent d'emmagasiner un surplus d'énergie avant de le restituer lorsque le système en manque. Dans le cas d'un système électrique, notamment, de tels dispositifs peuvent par exemple être utilisés pour réguler la fréquence d'un réseau électrique, pour stabiliser les micro-réseaux ou les réseaux intelligents ou pour 15 éviter les interruptions afin de fournir une alimentation sans interruption. Par rapport aux dispositifs classiques de stockage de l'énergie, les dispositifs de volants d'inertie présentent des avantages comme une plus grande durée de vie notamment en termes de cycles de charges et de décharges, un temps de réponse court, et un coût de maintenance faible. 20 Un dispositif de volant d'inertie est généralement constitué d'un ensemble comprenant une roue suspendue et combinée à un moteur / générateur électrique dont le rotor est lié à ladite roue pour former le volant d'inertie. Cet ensemble est généralement placé dans une enceinte hermétique sous vide, et la roue est généralement maintenue en suspension dans un 25 champ magnétique et stabilisé au sens du document FR 2 882 203, cette configuration permet de limiter les pertes d'énergie par frottements mécaniques. De manière générale, il est particulièrement souhaitable de réduire au maximum les frottements existant de manière à diminuer les pertes 30 d'énergie et la pollution sonore qu'ils engendrent. Actuellement, les dispositifs de volant d'inertie ont une efficacité limitée dans la mesure où ils présentent une autodécharge importanteprincipalement due, d'une part, aux frottements ayant lieu au niveau du volant, et d'autre part, au fait qu'ils sont équipés de moteurs/générateur 35 assurant la conversion de l'énergie électrique en énergie cinétique et inversement dont le rendement est faible et dont le comportement peut avoir un impact négatif sur la stabilité de la rotation du volant. La stabilité du rotor est également un facteur important puisque toute instabilité du rotor doit être corrigée ou absorbée par les paliers de suspension du volant, ce qui entraîne également une perte d'énergie. À cette fin il convient que la machine électrique génère le moins possible de forces axiales ou radiales parasites susceptibles de déstabiliser le rotor. L'invention a pour but de remédier aux inconvénients précités, et notamment d'améliorer la stabilité et le rendement de tels dispositifs de volant 10 d'inertie, et consiste pour cela en un dispositif de stockage de l'énergie comprenant : - un rotor formant volant d'inertie, - au moins un moteur / générateur électrique de type moteur / générateur de Lorentz comprenant le rotor, un stator bobiné 15 et au moins un aimant fixé sur le volant d'inertie, - au moins un moyen de fermeture de flux magnétique, caractérisé en ce que le moyen de fermeture de flux est monté mobile en rotation synchrone avec l'aimant du moteur / générateur électrique. Ainsi, en assurant une rotation du moyen de fermeture de flux 20 synchrone avec le rotor, la fermeture de flux tourne en synchronisme avec le champ magnétique inducteur du rotor, la direction du champ magnétique inducteur est optimisée et l'intensité du champ selon des directions parasites est fortement réduite. En effet, en utilisant une fermeture de flux fixe, les variations du flux 25 magnétique inducteur entraînent dans celle-ci des variations correspondantes. Ces variations ne sont pas simultanées en raison de l'existence d'un cycle d'hystérésis du matériau constituant la fermeture de flux, et il a été constaté la formation d'un champ magnétique présentant des composantes parasites selon des directions non souhaitées. 30 De ce fait, lorsque le moteur électrique est alimenté et que le stator développe son champ magnétique tournant, la force motrice générée présente également des composantes parasites, notamment selon les directions radiale et axiale, qui déstabilisent le rotor, et donc le volant. Cela entraîne également une perte d'énergie principalement par 35 courants de Foucault. Il est alors possible d'utiliser des tôles feuilletées pour limiter cet effet.
En utilisant une fermeture de flux qui tourne en synchronisme avec le champ magnétique inducteur du rotor, conformément à l'invention, ladite fermeture de flux ne subit plus de variations du champ magnétique et est exposée toujours au même champ magnétique local.
Il en va de même lorsque le dispositif de stockage fonctionne en mode générateur ou en rotation libre. De cette manière, le moteur / générateur électrique présente peu de pertes à vide, c'est-à-dire lorsqu'il n'est pas sollicité mais que le rotor est en rotation, et peu de pertes en charge, c'est-à-dire lorsque des échanges d'énergie ont lieu entre le moteur / générateur électrique et l'extérieur pendant la charge ou la décharge du rotor formant volant d'inertie. Lorsque le rotor est en rotation sans que le moteur / générateur électrique ne soit sollicité, il n'y a pas de pertes dans la fermeture de flux puisque celle-ci tourne en synchronisme avec le champ inducteur des aimants 15 du rotor électrique. Lorsque le moteur / générateur électrique est sollicité en mode moteur ou en mode générateur, la densité de flux est fournie par les aimantsdu rotor et il n'y a pas de pertes d'énergie au niveau de l'inducteur pour créer la densité de flux. 20 Dès lors que le champ magnétique tournant créé par le stator du moteur / générateur électrique est synchrone avec les aimants et la fermeture de flux, il n'y a pas de pertes par courant de Foucault dans le bobinage du stator. Seules les harmoniques éventuelles sont susceptibles d'être à l'origine de pertes faibles dans la partie tournante. Au premier ordre les pertes sont 25 limitées aux pertes par effet Joule dans le stator. Un tel dispositif permet donc de limiter les pertes d'énergie au niveau du moteur / générateur électrique, le rendement du dispositif s'en trouve grandement accru. 30 Selon une caractéristique optionnelle de l'invention, le dispositif de stockage de l'énergie comprend plusieurs aimants fixés sur le rotor formant volant d'inertie, et disposés selon une configuration de « Klaus Halbach », et le stator est disposé autour en regard et à distance des aimants.
Avantageusement, une configuration de « Klaus Halbach » permet de générer un fort champ magnétique focalisé dans une direction et un sens maîtrisés.
Selon une caractéristique optionnelle de l'invention, le rotor comprend au moins un moyen de fermeture de flux fixé sur le rotor formant volant d'inertie, en regard des aimants, à distance du stator, et du côté opposé aux aimants par rapport au stator.
Selon une caractéristique optionnelle de l'invention, les aimants sont fixés sur une partie cylindrique du rotor formant volant d'inertie, le cas échéant, les moyens de fermeture de flux sont préférentiellement fixés sur une paroi épaisse du rotor formant volant d'inertie. Avantageusement, les moyens de fermeture de flux peuvent être 15 intégrés dans la paroi épaisse du rotor de sorte qu'ils ne soient pas protubérants par rapport à la paroi épaisse. De la même manière, les aimants peuvent être intégrés dans la partie cylindrique du rotor de sorte qu'ils ne soient pas protubérants par rapport à la partie cylindrique. 20 Selon une variante de réalisation préférée, le moyen de fermeture de flux est réalisé sous la forme d'une bande rapportée sur le volant d'inertie. Selon une caractéristique optionnelle de l'invention, le stator 25 comporte un bobinage multiphasé. Avantageusement, l'agencement des phases du stator peut être optimisé pour que la résultante des forces radiales du moteur / générateur électrique soient nulles ou auto-centreuses et que la résultante des forces axiales du moteur / générateur électrique soient nulles ou auto-centreuses. 30 Un tel agencement des phases du stator permet de donner au moteur / générateur électrique un comportement neutre quant à la stabilité de la rotation du rotor formant volant d'inertie. Selon une caractéristique optionnelle de l'invention, le bobinage du 35 stator comprend du fil de Litz.
Le fil de Litz, qui est un fil constitué de brins élémentaires de section très fine de l'ordre de 0.1 mm de diamètre, voire inférieur, permet une importante réduction des pertes provenant des courants de Foucault notamment quand le moteur / générateur électrique n'est pas sollicité.
Avantageusement, quand le moteur / générateur électrique est en mode moteur, les pertes au premier ordre sont limitées aux pertes Joule dans le stator. Avantageusement, quand le moteur / générateur électrique est en mode générateur, les pertes sont strictement limitées aux pertes Joule dans le 10 stator et aux pertes par courant de Foucault dans les brins des fils de Litz du stator. Avantageusement, le stator est bobiné de manière à optimiser le fonctionnement du moteur / générateur électrique en réduisant au maximum les forces parasites, c'est-à-dire les autres forces que la force de Lorentz. 15 Selon une caractéristique optionnelle de l'invention, les moyens de fermeture de flux sont réalisés à partir de fer doux. Le cycle d'hystérésis du fer doux est très étroit, cela permet de réduire les pertes. 20 Selon une caractéristique optionnelle de l'invention, le rotor formant volant d'inertie comprend deux moteurs / générateurs électriques de type moteur / générateur de Lorentz. De cette manière, cette configuration apporte une meilleure 25 efficacité et une meilleure compensation des forces, notamment des forces axiales, pouvant déstabiliser le rotor formant volant d'inertie. Avantageusement, l'utilisation de deux moteurs / générateurs électriques permet en outre d'accroître la sécurité du dispositif dans la mesure où dans une configuration donnée, si l'un des moteurs / générateurs 30 électriques n'est plus opérationnel, cela n'empêche pas l'autre de fournir de l'énergie au rotor ou d'en récupérer du rotor pour que le dispositif continue à remplir sa tâche de stockage et de décharge afin de maintenir la stabilité d'un réseau électrique ou éviter les interruptions afin de fournir une alimentation sans interruption. 35 Selon une caractéristique optionnelle de l'invention, les deux moteurs / générateurs électriques sont montés symétriquement de part et d'autre d'un plan médian du volant d'inertie.
Selon une caractéristique optionnelle de l'invention, les stators des deux moteurs / générateurs électriques sont connectés en série. On décrit à présent, à titre d'exemples non limitatifs, des modes de 10 réalisation possibles de l'invention en référence aux figures annexées ; sur l'ensemble des figures, des références identiques ou analogues désignent des organes ou ensembles d'organes identiques ou analogues : - la figure 1 est une vue schématique en coupe longitudinale d'un 15 rotor selon un premier mode de réalisation de la présente invention, - la figure 2 est une vue schématique en coupe transversale d'un rotor selon le premier mode de réalisation de la présente invention, 20 - la figure 3 est une vue schématique en coupe longitudinale d'un rotor selon un second mode de réalisation de la présente invention, - la figure 4 est une vue débobinée du bobinage du stator selon le second mode de réalisation de la présente invention, 25 - la figure 5 est une vue schématique en coupe longitudinale d'un rotor selon un troisième mode de réalisation de la présente invention, - la figure 6 est une vue en perspective d'aimants en configuration de « Klaus Halbach » utilisée pour un quatrième 30 mode de réalisation de la présente invention, - la figure 7 est une vue schématique en perspective d'une coupe longitudinale d'un rotor selon le quatrième mode de réalisation de la présente invention. 35 En référence aux figures 1 et 2, un dispositif de stockage de l'énergie comprend : un rotor 1 formant volant d'inertie comprenant une partie cylindrique 2 et une paroi épaisse 3 concentriques reliées fixement l'une à l'autre et à distance de manière à ne former qu'une seule pièce monolithique. La partie cylindrique 2 et la paroi épaisse 3 supportent une roue (non représentée) qui pourra, par exemple, être réalisée en matériau composite, notamment en fibres de carbone. un moteur / générateur électrique de type moteur / générateur de Lorentzcomprenant le rotor 1, un stator 4 et un aimant 5. L'aimant 5 est fixé sur la partie cylindrique 2 du rotor en matériau ferromagnétique, la paroi épaisse 3 est constituée d'un matériau ferromagnétique et est ainsi conçue pour être un moyen de fermeture de flux magnétique, le stator 4 est disposé entre la partie cylindrique 2 et la paroi épaisse 3. La paroi épaisse 3 de fermeture de flux est donc directement liée à la partie cylindrique 2 et entraînée du même mouvement de rotation.
De cette manière, la fermeture de flux est en rotation synchrone avec la partie cylindrique 2 portant les aimants inducteurs. Comme exposé précédemment, une telle configuration permet une annulation des pertes en énergie et des forces parasites susceptibles de déstabiliser la rotation du rotor 1 qui seraient générées en raison du cycle 25 d'hystérésis magnétique du matériau constituant la paroi épaisse 3. Ainsi, les pertes d'énergie sont limitées puisqu'il n'y a pas de pertes dans la fermeture de flux et les forces déstabilisant la rotation du rotor 1 sont annulées. 30 En référence aux figures 3 et 4, on retrouve la même configuration que dans les figures 1 et 2 à l'exception du stator 4 qui est bobiné en fils de Litz. Le stator 4 conserve toutefois le même agencement que dans les figures 1 et 2 par rapport à la partie cylindrique 2 et la paroi épaisse 3. 35 En plus de présenter une fermeture de flux magnétique tournant en synchronisme avec le champ généré par l'aimant 5 du moteur / générateur électrique et donc d'annuler les pertes dans la fermeture de flux magnétique, le dispositif tel qu'illustré sur les figures 3 et 4 présente un stator bobiné en fils de Litz permettant de réduire notablement les pertes dues au courant de Foucault.
En référence à la figure 5, le rotor 1 présente deux moteurs / générateurs électriques de type moteur / générateur de Lorentz disposés symétriquement par rapport au centre de la partie cylindrique 2 du rotor 1. La configuration des deux moteurs / générateurs est sensiblement la même que sur les figures précédentes, présentant donc deux aimants 5 (un 10 pour chaque moteur / générateur électrique) et deux stators 4. Préférentiellement, les stators 4a et 4b sont bobinés avec du fil de Litz. Le rotor 1 formant volant d'inertie est fabriqué de telle manière qu'une jante 6 relie fixement la partie cylindrique 2 à la paroi épaisse 3. 15 La jante 6 est conformée de manière à être très rigide au niveau de son rayon intérieur près de la partie cylindrique 2 afin de ne pas se décoller, et de manière à être souple au niveau de son rayon extérieur près de la paroi épaisse 3 de façon à bien suivre les déformations de la paroi épaisse 3. Plusieurs jantes 6 peuvent être utilisées réparties le long de la 20 partie cylindrique 2 et la paroi épaisse 3 pour assurer une liaison parfaite entre la partie cylindrique 2 et la paroi épaisse 3. Préférentiellement, le nombre de jantes 6 à utiliser est déterminé en fonction des modes de résonance de la roue dans la plage de vitesse du rotor 1 considérée. 25 Un tel mode de réalisation permet de réduire notablement les pertes en énergie, et de limiter l'autodécharge du rotor grâce à une réduction notable des pertes par courant de Foucault et par hystérésis, et une élimination des forces parasites déstabilisant la rotation du rotor 1. De plus, l'utilisation de deux moteurs / générateurs électriques de type moteur / générateur de Lorentz 30 permet d'accroître la stabilité, notamment axiale, de la rotation du rotor 1. En référence aux figures 6 et 7, le rotor 1 présente une configuration similaire à la configuration de la figure 5, à savoir deux moteurs / générateurs électriques de type moteur / générateur de Lorentz dont les stators 35 4 ne sont pas représentés.
Le mode de réalisation divulgué dans les figures 6 et 7 est différent de celui de la figure 5 en ce qu'il comprend des aimants disposés selon une configuration de « Klaus Halbach » sur la partie cylindrique 2 du rotor 1 pour former deux « cylindres de Halbach » 5 ou « cylindres magiques », et en ce que le rotor 1 est majoritairement fabriqué dans un matériau non-ferromagnétique. La fermeture de flux magnétique est assurée par deux anneaux 7 fabriquées en matériau ferromagnétique de type fer doux, chacune intégrée dans la structure de la paroi épaisse 3 du rotor 1 et disposée en regard d'un cylindre de Halbach.
Un tel mode de réalisation permet de réduire notablement les pertes en énergie, et de limiter l'autodécharge du rotor. Il va de soi que l'invention n'est pas limitée aux modes de 15 réalisation décrits ci-dessus à titre d'exemples mais qu'elle comprend tous les équivalents techniques et les variantes des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons possibles.

Claims (10)

  1. REVENDICATIONS1. Dispositif de stockage de l'énergie comprenant : un rotor (1) formant volant d'inertie, au moins un moteur / générateur électrique de type moteur I générateur de Lorentz comprenant le rotor (1), un stator (4) bobiné et au moins un aimant (5) fixé sur le rotor, au moins un moyen de fermeture de flux magnétique, caractérisé en ce que le moyen de fermeture de flux est monté mobile en rotation synchrone avec l'aimant (5) du moteur / générateur électrique.
  2. 2. Dispositif de stockage de l'énergie selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comprend plusieurs aimants (5) fixés sur le rotor (1) formant volant d'inertie, et disposés selon une configuration de « Klaus Halbach ».
  3. 3. Dispositif de stockage de l'énergie selon la revendication 2 caractérisé en ce que le moyen (7) de fermeture de fluxest fixé sur le rotor (1) formant volant d'inertie, en regard des aimants (5), et du côté opposé aux aimants (5) par rapport au stator (4).
  4. 4. Dispositif de stockage de l'énergie selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le moyen de fermeture de 20 flux est réalisé sous la forme d'une bande rapportée sur le volant d'inertie.
  5. 5. Dispositif de stockage de l'énergie selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le stator (4) comporte un bobinage multiphasé.
  6. 6. Dispositif de stockage de l'énergieselon l'une quelconque des 25 revendications précédentes caractérisé en ce que le bobinage du stator (4) comprend du fil de Litz.
  7. 7. Dispositif de stockage de l'énergie selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que les moyens (7) de fermeture de flux sont réalisés à partir de fer doux. 30
  8. 8. Dispositif de stockage de l'énergie selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il comprend deux moteurs / générateurs électriques de type moteur / générateur de Lorentz.
  9. 9. Dispositif de stockage de l'énergie selon la revendication 8 caractérisé en ce que les deux moteurs / générateurs électriques sont montés 35 symétriquement de part et d'autre d'un plan médian du volant d'inertie.
  10. 10. Dispositif de stockage de l'énergie selon l'une quelconque des revendications 8 et 9 caractérisé en ce que les stators (4) des deux moteurs I générateurs électriques sont connectés en série.
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