FR3016252A1 - Dispositif de transformation d'energie mecanique en energie electrique, notamment pour une eolienne - Google Patents

Dispositif de transformation d'energie mecanique en energie electrique, notamment pour une eolienne Download PDF

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Abstract

Le dispositif (10) de transformation comporte un générateur électrique (14) comprenant un rotor (16) et un stator (18), et un multiplicateur à train épicycloïdal (20), comprenant : un boîtier (22), muni d'une couronne intérieure dentée (24), le stator (18) du générateur électrique étant solidarisé à ce boîtier (22) ; un porte-satellites (26), solidarisé en rotation avec l'arbre d'entrée (12), comprenant des essieux (28) de support de satellite (30), chaque essieu de support (28) étant décalé radialement par rapport à un axe longitudinal (X) de l'arbre d'entrée (12) ; des satellites (30), chacun mobile en rotation autour d'un essieu de support (28), chaque satellite (30) présentant une surface extérieure dentée engrainant avec ladite couronne intérieure dentée (24) ; et un arbre de sortie (34), solidaire en rotation d'un pignon (36) engrainant avec chaque satellite (30), et solidaire en rotation du rotor (16) du générateur électrique (14).

Description

Dispositif de transformation d'énergie mécanique en énergie électrique, notamment pour une éolienne La présente invention concerne un dispositif de transformation de l'énergie mécanique d'un arbre d'entrée en énergie électrique. Un tel dispositif de transformation est par exemple destiné à équiper une éolienne. On connaît déjà, dans l'état de la technique, un tel dispositif de transformation, comportant un générateur électrique comprenant un rotor et un stator. Ledit rotor est alors généralement entraîné, directement ou indirectement, par l'arbre d'entrée.
Dans le cas d'une éolienne, l'arbre d'entrée est formé par un arbre d'éolienne muni de pales. Ainsi, l'arbre d'entrée est destiné à être entraîné en rotation par le vent par l'intermédiaire desdites pales. Comme indiqué précédemment, le rotor du générateur électrique est dans certains cas entraîné directement par l'arbre d'entrée. Dans ce cas, le dispositif de transformation présente une structure particulièrement simple. Toutefois, pour un fonctionnement satisfaisant, le générateur électrique doit alors présenter des dimensions relativement importantes, notamment un diamètre supérieur à 7 mètres et une masse supérieure à 150 tonnes pour un générateur dont la puissance est supérieure à 5 MW. Par ailleurs, dans d'autres cas, le rotor du générateur électrique est entraîné par l'arbre d'entrée par l'intermédiaire d'un multiplicateur de vitesse à plusieurs étages. Grâce à ce multiplicateur, il est possible d'utiliser un générateur électrique présentant des dimensions relativement faibles. Toutefois, un tel multiplicateur présente une structure particulièrement complexe, et présente un grand nombre de composants susceptibles de s'user, si bien que sa fiabilité est relativement faible. En outre, un tel multiplicateur présente une masse particulièrement importante. L'invention a notamment pour but de remédier aux inconvénients des dispositifs de transformation précités, en proposant un dispositif de transformation compact, notamment dont le générateur électrique présente un diamètre inférieur à 5 mètres, par exemple environ égal à 4 mètres, tout en conservant une fiabilité optimale.
A cet effet, l'invention a notamment pour objet un dispositif de transformation de l'énergie mécanique d'un arbre d'entrée en énergie électrique, comportant un générateur électrique comprenant un rotor et un stator, caractérisé en ce que le dispositif de transformation comporte un multiplicateur à train épicycloïdal, comprenant : - un boîtier, muni d'une couronne intérieure dentée, le stator du générateur électrique étant solidarisé à ce boîtier, - un porte-satellites, destiné à être solidarisé en rotation avec l'arbre d'entrée, comprenant au moins un essieu de support d'un satellite, ledit essieu de support étant décalé radialement par rapport à un axe longitudinal de l'arbre d'entrée, - au moins un satellite, mobile en rotation autour de l'essieu de support, ledit satellite présentant une surface extérieure dentée engrainant avec ladite couronne intérieure dentée, - un arbre de sortie, solidaire en rotation d'un pignon engrainant avec chaque satellite, et solidaire en rotation du rotor du générateur électrique. Le dispositif de transformation selon l'invention présente de nombreux avantages.
En particulier, le multiplicateur à train épicycloïdal permet de réduire les dimensions du générateur électrique par rapport au cas dans lequel le rotor est directement entraîné par l'arbre d'entrée. Un tel générateur électrique à dimensions réduites présente de meilleures performances électriques, notamment un meilleur rendement, qu'un générateur électrique à grandes dimensions de l'état de la technique. En outre, le générateur électrique à dimensions réduites présente un nombre réduit d'aimants sur son rotor, donc une masse en aimants réduites. Enfin, la fabrication et la logistique d'un tel générateur électrique sont facilitées, du fait que ce générateur présente des dimensions compatibles avec des moyens de fabrication à grande échelle et avec des moyens de transport routier.
Par ailleurs, le multiplicateur à train épicycloïdal selon l'invention présente un seul étage. Ainsi, contrairement à un dispositif de transformation comprenant un multiplicateur à plusieurs étages, le dispositif selon l'invention ne présente pas d'étage à haute vitesse, un tel étage à haute vitesse étant généralement peu fiable. En outre, le multiplicateur selon l'invention présente peu de composants susceptibles de s'user, et présente donc un meilleur rendement et une meilleure fiabilité. Enfin, la longueur de la chaîne cinématique entre l'arbre d'entrée et l'arbre de sortie est réduite par rapport à un dispositif comprenant un multiplicateur à plusieurs étages. Un tel multiplicateur à train épicycloïdal à un seul étage permet d'obtenir une architecture de multiplicateur dont l'arbre d'entrée et l'arbre de sortie sont coaxiaux, ce qui permet d'agencer le stator sur le boîtier, et d'agencer le rotor sur l'arbre de sortie. On réduit ainsi encore le nombre de composants constituant le dispositif de transformation, puisque le dispositif de transformation selon l'invention ne nécessite pas de paliers ou de roulements spécifiques pour le rotor du générateur. Un dispositif de transformation selon l'invention peut comporter en outre l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises seules ou selon toutes combinaisons techniquement envisageables. - Le dispositif de transformation comporte au moins un premier élément de guidage en rotation, notamment un palier ou un roulement, agencé radialement entre le boîtier et le porte-satellites pour guider le porte-satellites en rotation autour de l'axe longitudinal. - Le dispositif de transformation comporte au moins un deuxième élément de guidage en rotation, notamment un palier ou un roulement, agencé radialement entre le porte-satellites et l'arbre de sortie, pour guider l'arbre de sortie en rotation. - L'arbre de sortie présente un axe de rotation aligné avec ledit axe longitudinal de l'arbre d'entrée. - Le dispositif de transformation comporte des moyens de freinage du rotor. - Les moyens de freinage comportent un disque de frein, solidaire avec l'un parmi le rotor et le boîtier, et un ensemble d'étriers de frein propres à enserrer le disque de frein, solidaire avec l'autre parmi le rotor et le boîtier. - Le dispositif de transformation comporte un premier élément d'étanchéité, s'étendant radialement entre le boîtier et le porte-satellites, et un second élément d'étanchéité s'étendant radialement entre le boîtier et l'arbre de sortie, de sorte que le boîtier délimite, avec les premier et second éléments d'étanchéité, un espace étanche de logement pour ledit au moins un satellite. - Le stator s'étend autour du rotor. - Le rotor s'étend autour du stator. L'invention concerne également une éolienne, comprenant un arbre d'éolienne solidaire en rotation de pales, destiné à être entraînée en rotation par le vent par l'intermédiaire de ces pales, caractérisée en ce qu'elle comporte un dispositif de transformation tel que défini précédemment, ledit arbre d'éolienne formant l'arbre d'entrée du dispositif de transformation. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux figures annexées parmi lesquelles : - la figure 1 est une vue schématique et partielle en coupe d'un dispositif de transformation selon un premier exemple de mode de réalisation de l'invention ; - la figure 2 est une vue similaire à la figure 1 d'un dispositif de transformation selon un deuxième exemple de mode de réalisation de l'invention. On a représenté, sur la figure 1, un dispositif 10 de transformation d'énergie mécanique en énergie électrique.
Le dispositif de transformation 10 comporte un arbre d'entrée 12 mobile en rotation autour d'un axe longitudinal X. L'arbre d'entrée 12 est par exemple formé par un arbre d'éolienne. Un tel arbre d'éolienne est généralement solidaire en rotation de pales, si bien que l'arbre d'entrée 12 est destiné à être entraîné en rotation autour de l'axe longitudinal X par le vent, par l'intermédiaire desdites pales. Le dispositif de transformation 10 comporte un générateur électrique 14, comprenant un rotor 16 et un stator 18 de types classiques. Par exemple, le stator 18 comprend un bobinage, et le rotor 16 une pluralité d'aimants ou de bobines agencés en regard du bobinage du stator 18. Le rotor 16 et le stator 18 présentent des formes générales de révolution autour d'un axe commun. Le rotor 16 est entraîné en rotation par l'arbre d'entrée 12, par l'intermédiaire d'un multiplicateur à train épicycloïdal 20. Le multiplicateur 20 comprend un boîtier 22 fixe en rotation. Le boîtier 22 est muni d'une couronne intérieure dentée 24, de forme générale de révolution autour de l'axe longitudinal X. Cette couronne dentée 24 est dite intérieure, du fait que sa denture est tournée vers l'axe longitudinal X.
Le stator 18 du générateur électrique 14 est porté par le boîtier 22. A cet effet, le boîtier 22 comporte une extension 22A, de forme générale de révolution autour de l'axe du stator 18, ladite extension présentant une surface intérieure cylindrique, tournée vers cet axe du stator 18, ledit stator 18 étant fixé sur cette surface intérieure. Le multiplicateur 20 comporte par ailleurs un porte-satellites 26, solidaire en rotation avec l'arbre d'entrée 12. Le porte-satellites 26 est guidé en rotation autour de l'axe longitudinal X par deux premiers éléments 27 de guidage en rotation, agencés radialement entre le boîtier 22 et le porte-satellites 26. Plus particulièrement, le porte-satellites 26 comporte une première partie tubulaire 26A, présentant une surface intérieure solidaire de l'arbre d'entrée 12, et une surface extérieure portant l'un des premiers éléments de guidage 27. Le porte-satellites 26 comporte par ailleurs une seconde partie tubulaire 26B, présentant une surface intérieure, et une surface extérieure portant l'autre des premiers éléments de guidage 27. Le porte-satellites 26 comprend au moins un essieu 28 de support d'un satellite 30, ledit essieu de support 28 étant décalé radialement par rapport à l'axe longitudinal X de l'arbre d'entrée 12. Ainsi, lorsque l'arbre d'entrée 12, donc le porte-satellites 26, est en rotation autour de l'axe longitudinal X, chaque essieu de support 28 est également en rotation autour de cet axe longitudinal X. Par ailleurs, on notera que chaque essieu de support 28 est agencé, dans la direction de l'axe longitudinal X, entre les première 26A et seconde 26B parties tubulaires du porte-satellites 26.
Chaque satellite 30 est mobile en rotation autour de l'un respectif des essieux de support 28. Par exemple, chaque satellite 30 est guidé en rotation autour de son essieu de support 28 par des éléments de guidage 32, par exemple des roulements ou des paliers, agencés radialement entre cet essieu de support 28 et ce satellite 30. Chaque satellite 30 présente par ailleurs une surface extérieure dentée, complémentaire de la couronne intérieure dentée 24, chaque satellite 30 étant agencé de sorte que sa surface extérieure engraine avec ladite couronne intérieure 24. De manière classique, le porte-satellites 26 porte une pluralité de satellites 30, par exemple trois, quatre ou cinq satellites 30 répartis angulairement autour de l'axe longitudinal X. Le multiplicateur 20 comporte enfin un arbre de sortie 34, solidaire en rotation d'un pignon 36 engrenant avec chaque satellite 30. L'arbre de sortie 34 présente un axe de rotation aligné avec ledit axe longitudinal X de l'arbre d'entrée 12. L'arbre de sortie 34 est guidé en rotation par des deuxièmes éléments de guidage en rotation 38, notamment des roulements, ou des paliers, agencés radialement entre le porte-satellites 26 et cet arbre de sortie 34. Plus particulièrement, l'un des deuxièmes éléments de guidage 38 est porté par la surface intérieure de la première partie tubulaire 26A du porte-satellites 26, et l'autre des deuxièmes éléments de guidage 38 est porté par la surface intérieure de la seconde partie tubulaire 26B du porte-satellites 26. En variante, l'un des seconds éléments de guidage 38 est agencé radialement entre le boîtier 22 et l'arbre de sortie 34.
Le rotor 16 est solidaire en rotation de cet arbre de sortie 34, par exemple par l'intermédiaire d'un organe de support 36 de forme générale de révolution autour de l'axe de l'arbre de sortie 34. L'organe de support 36 est solidarisé à l'arbre de sortie 34 par tout moyen envisageable. Par exemple, l'organe de support 36 est solidarisé à l'arbre de sortie 34 par frettage, notamment au moyen d'une frette mécanique ou hydraulique propre à serrer une partie tubulaire de l'organe de support 36 sur l'arbre de sortie 34. L'organe de support 36 s'étendant radialement entre une zone annulaire radialement intérieure 36A, solidaire de l'arbre de sortie 34, et une zone annulaire radialement extérieure 36B, portant le rotor 16.
Le rotor 16 étant porté par l'arbre de sortie 34, il ne nécessite pas d'éléments de guidage en rotation spécifiques, le guidage en rotation étant celui de l'arbre de sortie 34. Avantageusement, le multiplicateur 20 comprend un premier élément d'étanchéité annulaire 40, s'étendant radialement entre le boîtier 22 et le porte-satellites 26 (notamment la première partie tubulaire 26A), et un second élément d'étanchéité annulaire 42 s'étendant radialement entre le boîtier 22 et l'arbre de sortie 34.
Ainsi, le boîtier 22 délimite, avec les premier 40 et second 42 éléments d'étanchéité, un espace étanche de logement pour chaque satellite 30, ainsi que pour les premiers 27 et seconds 38 éléments de guidage en rotation. Cet espace de logement peut ainsi être rempli d'un fluide de lubrification pour les satellites 30, pour les éléments de guidage en rotation 27, 38 et pour les engrenages. Avantageusement, le dispositif de transformation 10 comprend des moyens 44 de freinage du générateur électrique 14. Les moyens de freinage 44 comportent un disque de frein 46, solidaire en rotation de l'organe de support 36, donc du rotor 16, et un ensemble d'étriers de freins 48, comprenant des plaquettes de friction destinées à enserrer le disque de frein 46, chaque étrier 48 étant porté par le boîtier 22. Avantageusement, comme cela est représenté sur la figure 1, le boîtier 22 comprend des extensions 50, 52 destinées à entourer le générateur électrique 14, afin de protéger celui-ci.
Il est à noter que, dans cet exemple de mode de réalisation, le stator 18 s'étend autour du rotor 16. Toutefois, selon un deuxième exemple de mode de réalisation, représenté sur la figure 2, le rotor 16 s'étend autour du stator 18. Sur cette figure 2, les éléments analogues à ceux de la figure précédente sont désignés par des références identiques. Le dispositif de transformation 10 selon ce deuxième exemple de mode de réalisation est similaire à celui du premier exemple de mode de réalisation, à l'exception de la forme du boîtier 22 portant le stator 18, et a la forme de l'organe de support 36 qui est adaptée pour contourner le stator 18, afin de porter le rotor 16 en regard de ce stator 18.
On notera que l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation précédemment décrits, mais pourrait présenter diverses variantes sans sortir du cadre des revendications. En particulier, le dispositif de transformation pourrait présenter une forme différente de celle précédemment décrite.30

Claims (10)

  1. REVENDICATIONS1. Dispositif (10) de transformation de l'énergie mécanique d'un arbre d'entrée (12) en énergie électrique, comportant un générateur électrique (14) comprenant un rotor (16) et un stator (18), caractérisé en ce que le dispositif de transformation (10) comporte un multiplicateur à train épicycloïdal (20), comprenant : - un boîtier (22), muni d'une couronne intérieure dentée (24), le stator (18) du générateur électrique étant solidarisé à ce boîtier (22), - un porte-satellites (26), destiné à être solidarisé en rotation avec l'arbre d'entrée (12), comprenant au moins un essieu (28) de support d'un satellite (30), ledit essieu de support (28) étant décalé radialement par rapport à un axe longitudinal (X) de l'arbre d'entrée (12), - au moins un satellite (30), mobile en rotation autour de l'essieu de support (28), ledit satellite (30) présentant une surface extérieure dentée engrainant avec ladite couronne intérieure dentée (24), - un arbre de sortie (34), solidaire en rotation d'un pignon (36) engrainant avec chaque satellite (30), et solidaire en rotation du rotor (16) du générateur électrique (14).
  2. 2. Dispositif de transformation (10) selon la revendication 1, comprenant au moins un premier élément (27) de guidage en rotation, notamment un palier ou un roulement, agencé radialement entre le boîtier (22) et le porte-satellites (26) pour guider le porte- satellites (26) en rotation autour de l'axe longitudinal (X).
  3. 3. Dispositif de transformation (10) selon la revendication 1 ou 2, comprenant au moins un deuxième élément de guidage en rotation (38), notamment un palier ou un roulement, agencé radialement entre le porte-satellites (26) et l'arbre de sortie (34), pour guider l'arbre de sortie en rotation (34).
  4. 4. Dispositif de transformation (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'arbre de sortie (34) présente un axe de rotation aligné avec ledit axe longitudinal (X) de l'arbre d'entrée (12).
  5. 5. Dispositif de transformation (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, comportant des moyens (44) de freinage du rotor (16).
  6. 6. Dispositif de transformation (10) selon la revendication 5, dans lequel les moyens de freinage (44) comportent un disque de frein (46), solidaire avec l'un parmi le rotor (16) et le boîtier (22), et un ensemble d'étriers de frein (48) propres à enserrer le disque de frein (46), solidaire avec l'autre parmi le rotor (16) et le boîtier (22).
  7. 7. Dispositif de transformation (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant un premier élément d'étanchéité (40), s'étendant radialemententre le boîtier (22) et le porte-satellites (26), et un second élément d'étanchéité (42) s'étendant radialement entre le boîtier (22) et l'arbre de sortie (34), de sorte que le boîtier (22) délimite, avec les premier (40) et second (42) éléments d'étanchéité, un espace étanche de logement pour ledit au moins un satellite (30).
  8. 8. Dispositif de transformation (10) selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel le stator (18) s'étend autour du rotor (16).
  9. 9. Dispositif de transformation (10) selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel le rotor (16) s'étend autour du stator (18).
  10. 10. Eolienne, comprenant un arbre d'éolienne solidaire en rotation de pales, destiné à être entraîné en rotation par le vent par l'intermédiaire desdites pales, caractérisé en ce qu'elle comporte un dispositif de transformation (10) selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, ledit arbre d'éolienne formant l'arbre d'entrée (12) du dispositif de transformation (10).
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