FR3055754A1 - Rotor pour un moteur electrique a grande vitesse - Google Patents

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Patrice Bonnefoi
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Abstract

Le rotor comprend un élément de noyau de rotor cylindrique (34) ayant deux extrémités axiales opposées ; un élément de manchon tubulaire (35) entourant l'élément de noyau de rotor (34) ; et deux éléments de transfert de couple (41, 42) raccordés respectivement aux extrémités axiales de l'élément de noyau de rotor (34) et étant fixés à une surface interne de l'élément de manchon tubulaire (35), chaque élément de transfert de couple (41, 42) comportant une surface de butée venant en butée contre une face d'extrémité axiale respective de l'élément de noyau de rotor (34). Des géométries de transfert de couple sont prévues sur les faces d'extrémités axiales de l'élément de noyau de rotor (34) et sur les surfaces de butée des éléments de transfert de couple (41, 42) pour transférer un couple de l'élément de noyau de rotor (34) à l'élément de manchon tubulaire (35), et l'élément de manchon tubulaire (35) entoure l'élément de noyau de rotor (34) avec une distance radiale prédéterminée (D) lorsque le rotor n'est pas en rotation.

Description

© N° de publication : 3 055 754 (à n’utiliser que pour les commandes de reproduction)
©) N° d’enregistrement national : 16 58170 ® RÉPUBLIQUE FRANÇAISE
INSTITUT NATIONAL DE LA PROPRIÉTÉ INDUSTRIELLE
COURBEVOIE © Int Cl8 : H 02 K 1/22 (2017.01), H 02 K 1/28, F 04 D 29/18
DEMANDE DE BREVET D'INVENTION A1
©) Date de dépôt : 02.09.16. @ Demandeur(s) : DANFOSS SILICON POWER GMBH
©) Priorité : — DE.
@ Inventeur(s) : DAUSSIN ARNAUD et BONNEFOI
PATRICE.
(43) Date de mise à la disposition du public de la
demande : 09.03.18 Bulletin 18/10.
©) Liste des documents cités dans le rapport de
recherche préliminaire : Se reporter à la fin du
présent fascicule
(© Références à d’autres documents nationaux ® Titulaire(s) : DANFOSS SILICON POWER GMBH.
apparentés :
©) Demande(s) d’extension : ® Mandataire(s) : CABINET GERMAIN & MAUREAU.
ROTOR POUR UN MOTEUR ELECTRIQUE A GRANDE VITESSE.
FR 3 055 754 - A1 (bj) Le rotor comprend un élément de noyau de rotor cylindrique (34) ayant deux extrémités axiales opposées ; un élément de manchon tubulaire (35) entourant l'élément de noyau de rotor (34) ; et deux éléments de transfert de couple (41, 42) raccordés respectivement aux extrémités axiales de l'élément de noyau de rotor (34) et étant fixés à une surface interne de l'élément de manchon tubulaire (35), chaque élément de transfert de couple (41,42) comportant une surface de butée venant en butée contre une face d'extrémité axiale respective de l'élément de noyau de rotor (34). Des géométries de transfert de couple sont prévues sur les faces d'extrémités axiales de l'élément de noyau de rotor (34) et sur les surfaces de butée des éléments de transfert de couple (41, 42) pour transférer un couple de l'élément de noyau de rotor (34) à l'élément de manchon tubulaire (35), et l'élément de manchon tubulaire (35) entoure l'élément de noyau de rotor (34) avec une distance radiale prédéterminée (D) lorsque le rotor n'est pas en rotation.
Figure FR3055754A1_D0001
Figure FR3055754A1_D0002
Domaine de l’invention
La présente invention se rapporte à un rotor pour un moteur électrique à grande vitesse, et en particulier pour un turbocompresseur à grande vitesse.
Arrière-plan de l’invention
Le document EP0956634 divulgue un rotor pour un moteur électrique à grande vitesse d’un turbocompresseur, le rotor comprenant :
- un élément de noyau de rotor comportant des aimants permanents, l’élément de noyau de rotor étant cylindrique et ayant deux extrémités axiales opposées,
- un élément de manchon tubulaire entourant l’élément de noyau de rotor, et
- deux éléments de transfert de couple raccordés respectivement aux extrémités axiales de l’élément de noyau de rotor et étant fixés à une surface interne de l’élément de manchon tubulaire, chaque élément de transfert de couple comportant une surface de butée venant en butée contre une face d’extrémité axiale respective de l’élément de noyau de rotor.
L’assemblage dudit rotor consiste notamment à ajuster par contraction l’élément de manchon tubulaire sur l’élément de noyau de rotor et les éléments de transfert de couple. Un tel assemblage provoque une dilatation radiale de l’élément de manchon tubulaire, et crée ainsi des contraintes sur l’élément de manchon tubulaire.
En outre, lorsque le rotor est en rotation, l’élément de noyau de rotor se dilate également en raison de la rotation. Cela crée plus de contraintes sur l’élément de manchon tubulaire, même si l’élément de manchon tubulaire se dilate également avec la rotation.
Par ailleurs, lors du fonctionnement, le rotor devient chaud et la dilatation thermique de l’élément de noyau de rotor crée des contraintes supplémentaires sur l’élément de manchon tubulaire.
Par conséquent, en fonction du matériau de l’élément de manchon tubulaire, les contraintes de traction appliquées à ce dernier peuvent être supérieures à la résistance à fa traction du matériau d’élément de manchon tubulaire et peuvent ainsi provoquer des fissures sur l’élément de manchon tubulaire, ce qui peut nuire à l’efficacité ou à la durée de vie du moteur électrique.
Résumé de l’invention
L’objet de la présente invention est de fournir un rotor amélioré pour un moteur électrique à grande vitesse qui peut pallier aux inconvénients rencontrés dans des rotors de turbocompresseurs conventionnels.
Un autre objet de la présente invention est de fournir un rotor pour un moteur électrique à grande vitesse où les contraintes de traction se produisant dans l’élément de noyau de rotor et l’élément de manchon tubulaire pendant le fonctionnement sont maintenues dans les limites données par les matériaux appliqués afin d’éviter toute fissure de l’élément de manchon tubulaire.
Selon l’invention, un tel rotor comprend :
- un élément de noyau de rotor, également appelé élément de noyau à aimants permanents, étant cylindrique et ayant deux extrémités axiales opposées,
- un élément de manchon tubulaire entourant l’élément de noyau de rotor,
- deux éléments de transfert de couple raccordés respectivement aux extrémités axiales de l’élément de noyau de rotor et étant fixés à une surface interne de l’élément de manchon tubulaire, chaque élément de transfert de couple comportant une surface de butée venant en butée contre une face d’extrémité axiale respective de l’élément de noyau de rotor, caractérisé en ce que
- des géométries de transfert de couple sont prévues sur les faces d’extrémités axiales de l’élément de noyau de rotor et sur les surfaces de butée des éléments de transfert de couple pour transférer un couple de l’élément de noyau de rotor à l’élément de manchon tubulaire, et en ce que
- l’élément de manchon tubulaire entoure l’élément de noyau de rotor avec une distance radiale prédéterminée lorsque le rotor n’est pas en rotation.
En raison d’une telle configuration du rotor, au moins à basse température du rotor et en particulier au démarrage du moteur, l’élément de noyau de rotor n’entre pas en contact avec l’élément de manchon tubulaire et donc ne génère pas de contraintes sur l’élément de manchon tubulaire. En conséquence, au moins à basse température du rotor, les contraintes appliquées sur l’élément de manchon tubulaire sont uniquement limitées au niveau des éléments de transfert de couple. Par conséquent, le rotor selon la présente invention limite considérablement les risques d’apparition de fissures sur l’élément de manchon tubulaire.
Une telle configuration du rotor permet de choisir un matériau plus compatible avec le matériau d’élément de manchon tubulaire en termes de dilatation thermique pour fabriquer les éléments de transfert de couple.
Le rotor peut également comporter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises seules ou en combinaison.
Selon un mode de réalisation de l’invention, chacun des éléments de transfert de couple a une forme de disque et a un diamètre externe qui est supérieur à un diamètre externe de l’élément de noyau de rotor au moins lorsque le rotor n’est pas en rotation.
Selon un mode de réalisation de l’invention, chacun des éléments de transfert de couple a un diamètre externe qui est supérieur à un diamètre externe de l’élément de noyau de rotor.
Selon un mode de réalisation de l’invention, les éléments de transfert de couple ont le même diamètre externe.
Selon un mode de réalisation de l’invention, chaque élément de transfert de couple est raccordé par la colle à l’élément de noyau de rotor.
Selon un mode de réalisation de l’invention, les éléments de transfert de couple et l’élément de noyau de rotor sont disposés de manière coaxiale dans l’élément de manchon tubulaire.
Selon un mode de réalisation de l’invention, les géométries de transfert de couple comportent des saillies de transfert de couple et des évidements de transfert de couple, chaque saillie de transfert de couple coopérant avec un évidement de transfert de couple respectif pour transférer un couple de l’élément de noyau de rotor à l’élément de manchon tubulaire.
Selon un mode de réalisation de l’invention, au moins l’une des saillies de transfert de couple est prévue sur au moins l’une des faces d’extrémités axiales de l’élément de noyau de rotor ou sur au moins l’une des surfaces de butée des éléments de transfert de couple, et au moins l’un des évidements de transfert de couple est prévu sur au moins l’une des surfaces de butée des éléments de transfert de couple ou sur au moins l’une des faces d’extrémités axiales de l’élément de noyau de rotor.
Selon un mode de réalisation de l’invention, les saillies de transfert de couple et les évidements de transfert de couple ont des formes de coupes transversales rectangulaires, carrées, triangulaires ou circulaires. Les saillies de transfert de couple et les évidements de transfert de couple peuvent également avoir une forme de croix.
Selon un mode de réalisation de l’invention, chaque saillie de transfert de couple est une broche cylindrique ou conique.
Selon un mode de réalisation de l’invention, les saillies de transfert de couple et les évidements de transfert de couple comprennent des surfaces de transfert de couple.
Selon un mode de réalisation de l’invention, les saillies de transfert de couple et les évidements de transfert de couple ont une forme conique pour assurer une orientation coaxiale des éléments de transfert de couple et de l’élément de noyau de rotor.
Selon un mode de réalisation de l’invention, les saillies de transfert de couple s’étendent le long d’une direction d’extension qui coïncide avec l’axe longitudinal de l’élément de manchon tubulaire.
Selon un mode de réalisation de l’invention, les saillies de transfert de couple et les évidements de transfert de couple peuvent avoir des rainures radiales pour transmettre un couple et assurer une orientation coaxiale des éléments de transfert de couple et de l’élément de noyau de rotor tout en permettant une dilatation (thermique) radiale de l’élément de noyau de rotor supérieure à celle des éléments de transfert de couple.
Selon un mode de réalisation de l’invention, chaque élément de transfert de couple a un évidement de déformation formé dans son extrémité axiale opposée à l’élément de noyau de rotor, pour fournir des propriétés élastiques dudit élément de transfert de couple dans une direction radiale.
Selon un mode de réalisation de l’invention, l’évidement de déformation est annulaire ou circulaire.
Selon un mode de réalisation de l’invention, chacun des éléments de transfert de couple a un coefficient de dilatation thermique proche du ou supérieur au coefficient de dilatation thermique de l’élément de manchon tubulaire.
Selon un mode de réalisation de l’invention, chacun des éléments de transfert de couple a un coefficient de dilatation thermique proche dp ou inférieur au coefficient de dilatation thermique de l’élément de poyau de rotor.
Selon un mode de réalisation de l’invention, le coefficient de dilatation thermique des éléments de transfert de couple est compris entre 4.106/°C et 6.10~6/°C et par exemple d’environ 5.10'6/°C.
Selon un mode de réalisation de l’invention, le coefficient de dilatation thermique des éléments de transfert de couple est compris entre 11.10'6/°C et 13.10'®/°C et par exemple d’environ 12.10VC.
Selon un mode de réalisation de l’invention, le coefficient de dilatation thermique de l’élément de noyau de rotor est compris entre 11.10’6/°C et 13.10' 6/°C et par exemple d’environ 12.10‘6/°C.
Selon un mode de réalisation de l’invention, le coefficient de dilatation thermique de l’élément de manchon tubulaire est compris entre 4.10^0 et 6.106/°C et par exemple d’environ 5.10'6/°C.
Selon un mode de réalisation de l’invention, l’élément de noyau de rotor comprend des aimants permanents réalisés en un matériau de terres rares, tel que le néodyme ou le samarium cobalt.
Selon un mode de réalisation de l’invention, les éléments de transfert de couple sont réalisés en un matériau métallique de haute résistance, tel que des alliages de titane.
Selon un mode de réalisation de l’invention, l’élément de manchon tubulaire comprend des matériaux céramiques ou du carbure de tungstène.
Selon un mode de réalisation de l’invention, l’élément de manchon tubulaire est relié à un arbre d’entraînement d’une machine de compression. Par exemple, l’élément de manchon tubulaire pourrait être une partie intégrée dudit arbre d’entraînement.
Selon un mode de réalisation de l’invention, l’élément de manchon tubulaire est ajusté par contraction sur les éléments de transfert de couple, mais pas sur l’élément de noyau de rotor. Cette disposition permet de réduire au minimum la contrainte se produisant dans l’élément de manchon tubulaire.
L’ajustement par contraction est de préférence réalisé par refroidissement du sous-ensemble comprenant l’élément de noyau de rotor et les éléments de transfert de couple, par insertion du sous-ensemble froid dans l’élément de manchon tubulaire et par augmentation à nouveau de la température du sous-ensemble. En variante, l’élément de manchon tubulaire pourrait être chauffé, agencé autour du sous-ensemble et refroidi à nouveau.
Selon un mode de réalisation de l’invention, l’ajustement par contractipn entre l’élément de manchon tubulaire et chaque élément de transfert de couple est compris entre 5 et 10pm à 20°C et par exemple d’environ 7 pm à 20°C.
Selon un mode de réalisation de l’invention, l’ajustement par contraction entre l’élément de manchon tubulaire et chaque élément de transfert de couple est compris entre 20 et 25 pm à 200°C et par exemple d’environ 23 pm à 200°G.
Selon un mode de réalisation de l’invention, la distance radiale prédéterminée est déterminée de sorte qu’un jeu radial est défini entre l’élément de noyau de rotor et la surface interne de l’élément de manchon tubulaire quelle que soit la vitesse de rotation du rotor.
Selon un mode de réalisation de l’invention, la distance radiale prédéterminée est comprise entre 16 et 32pm à 20°C.
Selon un mode de réalisation de l’invention, le jeu radial est compris entre 0 et 16 pm à 200°C.
Selon un mode de réalisation de l’invention, la distance radiale prédéterminée est déterminée de sorte que l’élément de noyau de rotor coopère avec la surface interne de l’élément de manchon tubulaire et transfère directement un couple à l’élément de manchon tubulaire lorsque le rotor est en rotation et la température de l’élément de noyau de rotor dépasse une valeur de température prédéterminée.
Selon un mode de réalisation de l’invention, la valeur de température prédéterminée est comprise entre 120 et 220°C, et par exemple de 200°C.
Selon un mode de réalisation de l’invention, l’élément de manchon tubulaire, les éléments de transfert de couple et l’élément de noyau de rotor définissent au moins un passage d’écoulement de fluide. Une telle configuration du rotor permet de dissiper la chaleur provenant de l’élément de noyau de rotor au moyen d’un écoulement de fluide circulant à travers l’au moins un passage d’écoulement de fluide, et donc de réduire la température du rotor. Cette disposition améliore la fiabilité du rotor.
Selon un mode de réalisation de l’invention, l’au moins un passage d’écoulement de fluide s’étend à partir d’une face d’extrémité axiale de l’un des éléments de transfert de couple opposée à l’élément de noyau de rotor à une face d’extrémité axiale de l’autre des éléments de transfert de couple opposée à l’élément de noyau de rotor.
Selon un mode de réalisation de l’invention, l’au moins un passage d’écoulement de fluide s’étend parallèlement à l’axe longitudinal de l’élément de manchon tubulaire.
Selon un mode de réalisation de l’invention, l’élément de manchon tubulaire est agencé dans un entrefer défini entre l’élément de noyau de rotor et un stator d’un moteur électrique.
La présente invention se rapporte également à une machine de compression, telle qu’un compresseur centrifuge, comportant un rotor selon la présente invention.
Ces avantages et d’autres ressortiront de la lecture de la description suivante compte tenu du dessin ci-joint représentant, à titre d’exemples non limitatifs, plusieurs modes de réalisation d’un rotor selon l’invention.
Brève description des dessins
La description détaillée suivante de plusieurs modes de réalisation de l’invention est mieux comprise lorsqu’elle est lue conjointement avec les dessins annexés étant, toutefois, entendu que l’invention ne se limite pas aux modes de réalisation spécifiques divulgués.
La Figure 1 est une vue en coupe longitudinale d’un turbocompresseur centrifuge comportant un rotor selon un premier mode de réalisation de l’invention.
La Figure 2 est une vue en coupe longitudinale d'un arbre d’entraînement et du rotor de la figure 1.
La Figure 3 est une vue partielle en perspective du rotor de la figure 1.
La Figure 4 est une vue éclatée en perspective du rotor de la figure 1.
Les Figures 5a et 5b sont des vues schématiques en coupe longitudinale du rotor de la figure 1, respectivement, à 20°C et à 200°C.
Les Figure 6a et 6b sont des vues schématiques en coupe longitudinale d’un rotor selon un deuxième mode de réalisation de l’invention et respectivement à 20°C et à 200°C.
La Figure 7 est une vue partielle en perspective d’un rotor selon un troisième mode de réalisation de l’invention.
La Figure 8 est une vue en coupe longitudinale du rotor de la figure 7.
Les Figures 8 à 13 sont des vues en perspective des éléments de transfert de couple selon des quatrième, cinquième, sixième, septième et huitième modes de réalisation de l’invention.
Les Figures 14 et 15 sont des vues partielles en perspective d’un rotor selon un dixième mode de réalisation de l’invention.
La Figure 16 est une vue schématique en coupe longitudinale d’un rotor selon un onzième mode de réalisation de l’invention.
Description détaillée de l’invention
La Figure 1 représente un compresseur centrifuge 2 qui peut être par exemple un compresseur centrifuge à deux étages. Le compresseur centrifuge 2 comporte un boîtier hermétique 3, et un arbre d’entraînement 4 agencé en rotation dans le boîtier hermétique 3 et s’étendant le long d’un axe longitudinal A.
Comme le montre mieux la figure 2, l’arbre d’entraînement 4 comporte une partie de palier tubulaire ayant une première partie d'extrémité axiale 5a et une deuxième partie d’extrémité axiale 5b opposée à la première partie d’extrémité axiale 5a, une partie de rouet 6 agencée au niveau de la première partie d’extrémité axiale 5a de la partie de palier tubulaire 5, et une partie en forme de disque plat 7 également agencée au niveau de la première partie d’extrémité axiale 5a de la partie de palier tubulaire 5.
Selon le premier mode de réalisation de l’invention montré sur les figures 1 à 5, la partie de palier tubulaire 5, la partie de rouet 6 et la partie en forme de disque plat 7 sont des parties distinctes, et la partie de rouet 6 s’étend partiellement dans la partie de palier tubulaire 5 et est fermement reliée à la partie de palier tubulaire 5, par exemple par ajustement par pression ou par ajustement par contraction. Cependant, selon un autre mode de réalisation de l’invention, la partie de palier tubulaire 5, la partie de rouet 6 et la partie en forme de disque plat 7 pourraient être formées d’un seul tenant, c’est-à-dire en une seule pièce.
La partie de palier tubulaire 5 a une surface externe 8 coopérant avec un agencement de palier radial configuré pour supporter en rotation et radialement l’arbre d’entraînement 4. L’agencement de palier radial comporte au moins un palier radial 9, tel qu’un palier à manchon radial, situé dans le boîtier hermétique 3 et ayant une surface interne 11 coopérant avec la surface externe de la partie de palier tubulaire 5. Le ou chaque palier radial 9 peut être un palier radial fluide, et par exemple un palier radial à gaz. Selon le premier mode de réalisation, l’agencement de palier radial comporte une pluralité de paliers radiaux 9, par exemple deux, répartis sur toute la longueur axiale de la partie de palier tubulaire 5. Cependant, l’agencement de palier radial peut ne comporter qu’un seul palier radial 9 s’étendant le long de la partie de palier tubulaire 5.
La partie en forme de disque plat 7 a un diamètre externe supérieur au diamètre externe de la partie de palier tubulaire 5, et comporte une première face d’extrémité axiale 7a et une deuxième face d’extrémité axiale 7b opposée à la première face d’extrémité axiale 7a. Les première et deuxième faces d’extrémités axiales 7a, 7b sont configurées pour coopérer avec un agencement de palier axial, également appelé agencement de palier de butée, configuré pour limiter un mouvement axial de l’arbre d’entraînement 4 pendant le fonctionnement. Selon le premier mode de réalisation, l’agencement de palier axial comporte un premier élément de palier de butée annulaire 12 et un deuxième élément de palier de butée annulaire 13 situés dans le boîtier hermétique 3. Le premier élément de palier de butée annulaire 12 a une première surface de palier de butée 14 configurée pour coopérer avec la première face d’extrémité axiale 7a de la partie en forme de disque plat 7, et le deuxième élément de palier de butée annulaire 13 a une deuxième surface de palier de butée 15 configurée pour coopérer avec la deuxième face d’extrémité axiale 7b de la partie en forme de disque plat 7.
Selon le premier mode de réalisation, la partie en forme de disque plat 7 s’étend de manière coaxiale à la partie de palier tubulaire 5 et entoure la partie de rouet 6. En particulier, la partie en forme de disque plat 7 s’étend radialement vers l’extérieur à partir de la partie de rouet 6, et comporte une ouverture centrale 16 ayant un diamètre correspondant sensiblement au diamètre interne de la partie de palier tubulaire 5. Cependant, selon un autre mode de réalisation de l’invention, la partie de palier tubulaire 5 et la partie en forme de disque plat 7 pourraient être formées en une seule pièce, et la partie en forme de disque plat 7 pourrait s’étendre radialement vers l’extérieur à partir de la partie de palier tubulaire 5.
Selon le premier mode de réalisation, la partie de rouet 6 comprend une partie de montage 17 et une partie de fixation de rouet 18 chacune s’étendant le long de l’axe longitudinal A de l’arbre d’entraînement 4. La partie de montage 17 est partiellement agencée à l’intérieur de la partie de palier tubulaire 5, et ίο comporte une surface externe sensiblement cylindrique et configurée pour coopérer avec la surface interne de la partie de palier tubulaire 5. En outre, la partie de montage 17 de la partie de rouet 6 comporte un trou axial 19 s’étendant le long d’au moins une partie de la longueur de la partie de montage 17 et débouchant dans une face d’extrémité de la partie de montage 17 opposée à la partie de fixation de rouet 18.
Le compresseur centrifuge 2 comporte en outre un premier étage de compression 21 et un deuxième étage de compression 22 configurés pour comprimer un fluide frigorigène. Le premier étage de compression 21 comporte une entrée de fluide 23 et une sortie de fluide 24, tandis que le deuxième étage de compression 22 comprend une entrée de fluide 25 et une sortie de fluide 26, la sortie de fluide 24 du premier étage de compression 21 étant en communication fluidique avec l’entrée de fluide 25 du deuxième étage de compression 22.
Le boîtier hermétique 3 comporte donc une chambre basse pression située en amont du premier étage de compression 21, une chambre haute pression située en aval du deuxième étage de compression 22 et une chambre pression intermédiaire prévue entre la sortie de fluide 24 du premier étage de compression 21 et l’entrée de fluide 25 du deuxième étage de compression 22.
Les premier et deuxième étages de compression 21, 22 comportent respectivement un premier rouet 27 et un deuxième rouet 28. Les premier et deuxième rouets 27, 28 sont reliés à la partie de fixation de rouet 18. Selon le premier mode de réalisation, les premier et deuxième rouets 27, 28 sont prévus sur un élément de rouet 29 fixé à la partie de fixation de rouet 18, et sont agencés selon une configuration dos à dos, de sorte que les directions d’écoulement de fluide au niveau de l’entrée de fluide 24, 26 des premier et deuxième étages de compression 21,22 soient opposées l’une à l’autre.
Le compresseur centrifuge 2 comporte en outre un moteur électrique 31 agencé dans la chambre basse pression définie par le boîtier hermétique 3, et configuré pour entraîner en rotation l’arbre d’entraînement 4 autour de son axe longitudinal A. Le moteur électrique 31 comporte un stator 32 et un rotor 33.
Le rotor 33 comporte un élément de noyau de rotor 34 comprenant des aimants permanents réalisés en un matériau de terres rares, tel que le néodyme ou le samarium cobalt. L’élément de noyau de rotor 34 est cylindrique et a deux extrémités axiales opposées 34.1, 34.2. Le coefficient de dilatation thermique de l’élément de noyau de rotor peut être compris entre 11.10’6/°C et 13.106/°C et par exemple d’environ 12.10'6/°C.
Le rotor 33 comporte en outre un élément de manchon tubulaire 35 entourant l’élément de noyau de rotor 34. Le coefficient de dilatation thermique de l’élément de manchon tubulaire peut être compris entre 4.10’6/°C et 6.10'6/°C et par exemple d’environ δ.ΚΓθ/’Ο. L’élément de manchon tubulaire 35 peut par exemple comprendre des matériaux céramiques ou du carbure de tungstène.
Comme le montre mieux la figure 2, l’élément de manchon tubulaire 35 comprend une partie de montage 36 et une partie de fixation 37 chacune s’étendant le long de l’axe longitudinal A de l’arbre d’entraînement 4.
La partie de montage 36 est agencée à l’intérieur de la partie de palier tubulaire 5, et a une surface externe cylindrique configurée pour coopérer avec la surface interne de la partie de palier tubulaire 5. Avantageusement, la partie de montage 36 est fermement reliée à la partie de palier tubulaire 5, par exemple par ajustement par pression ou par ajustement par contraction. En outre, la partie de montage 36 comporte un trou axial 38 s’étendant le long d’au moins une partie de la longueur de la partie de montage 36 et débouchant dans une face d’extrémité de la partie de montage 36 opposée à la partie de fixation 37.
La partie de fixation 37 comporte un alésage axial 39 débouchant dans une face d’extrémité de la partie de fixation 37 opposée à la partie de montage 36, et dans lequel l’élément de noyau de rotor 34 est agencé. L’alésage axial 39 peut également déboucher dans le trou axial 38.
Le rotor 33 comporte également deux éléments de transfert de couple 41,42 respectivement raccordés aux extrémités axiales 34.1, 34.2 de l’élément de noyau de rotor 34 et étant fixés à une surface interne de l’élément de manchon tubulaire 35, et en particulier à une surface interne de la partie de fixation 37. Avantageusement, les éléments de transfert de couple 41, 42 et l’élément de noyau de rotor 34 sont disposés de manière coaxiale dans la partie de fixation 37 de l’élément de manchon tubulaire 35. Les éléments de transfert de couple 41,42 sont réalisés par exemple en un matériau métallique de haute résistance, tel que des alliages de titane.
Chaque élément de transfert de couple 41, 42 a une forme de disque et comporte une surface de butée 41.1, 42.1 venant en butée contre une face d’extrémité axiale respective 34.3, 34.4 de l’élément de noyau de rotor 34.
Avantageusement, les éléments de transfert de couple 41, 42 ont le même diamètre externe.
Selon le premier mode de réalisation de l’invention, chacun des éléments de transfert de couple 41, 42 a un coefficient de dilatation thermique proche du coefficient de dilatation thermique de l’élément de manchon tubulaire 35, et inférieur au coefficient de dilatation thermique de l’élément de noyau de rotor 34. Par exemple, le coefficient de dilatation thermique des éléments de transfert de couple 41, 42 est compris entre 4.10'6/°C et 6.106/°C et par exemple d’environ 5.1 OVC.
Avantageusement, l’élément de manchon tubulaire 35 est ajusté par contraction sur les éléments de transfert de couple 41, 42, mais pas sur l’élément de noyau de rotor 34. L’ajustement par contraction est de préférence réalisé par refroidissement du sous-ensemble comprenant l’élément de noyau de rotor 34 et les éléments de transfert de couple 41, 42, par insertion du sousensemble froid dans l’alésage axial 39 de la partie de fixation 37 et par augmentation à nouveau de la température du sous-ensemble. En variante, l’élément de manchon tubulaire 35 pourrait être chauffé, agencé autour du sous-ensemble et refroidi à nouveau. L’ajustement par contraction entre l’élément de manchon tubulaire 35 et chaque élément de transfert de couple 41, 42 peut être compris entre 5 et 10 pm à 20°C et, par exemple d’environ 7 pm à 20°C, et peut être compris entre 20 et 25 pm à 200°C et, par exemple d’environ 23 pm à 200°C. Cette dernière température peut être atteinte lors du fonctionnement du moteur à grande vitesse.
Le rotor 33 comporte en outre des géométries de transfert de couple prévues sur les faces d’extrémités axiales 34.3, 34.4 de l’élément de noyau de rotor 34 et sur les surfaces de butée 41.1, 42.1 des éléments de transfert de couple 41, 42 pour transférer un couple de l’élément de noyau de rotor 34 à l’élément de manchon tubulaire 35.
Selon le premier mode de réalisation, les géométries de transfert de couple comportent deux saillies de transfert de couple 43 prévues respectivement sur les surfaces de butée 41.1, 42.1 des éléments de transfert de couple 41, 42 et deux évidements de transfert de couple 44 prévus respectivement sur les faces d’extrémités axiales 34.3, 34.4 de l’élément de noyau de rotor 34. Chaque saillie de transfert de couple 43 coopère avec l’évidement de transfert de couple respectif 44 pour transférer un couple de l’élément de noyau de rotor 34 à l’élément de manchon tubulaire 35.
Selon le premier mode de réalisation, les saillies de transfert de couple 43 et les évidements de transfert de couple 44 sont centrés sur l’axe longitudinal de l’élément de manchon tubulaire 35, et ont des formes de coupes transversales carrées. Cependant, selon d’autres modes de réalisation de l’invention, les saillies de transfert de couple 43 et les évidements de transfert de couple 44 peuvent avoir toute autre forme. Par exemple, comme le montrent notamment les figures 9 à 11, les saillies de transfert de couple 43 et les évidements de transfert de couple 44 peuvent avoir des formes de coupes transversales rectangulaires, triangulaires ou circulaires. En outre, comme le montre la figure 12, les saillies de transfert de couple 43 et les évidements de transfert de couple 44 peuvent également avoir une forme de croix.
De plus, selon d’autres modes de réalisation de l’invention, par exemple comme le montrent les figures 10, 11 et 13, chacune des surfaces de butée 41.1, 42.1 des éléments de transfert de couple 41, 42 peut comporter une pluralité de saillies de transfert de couple 43, et chacune des faces d’extrémités axiales 34.3, 34.4 de l’élément de noyau de rotor 34 peut comporter une pluralité d’évidements de transfert de couple 44. Avantageusement, la pluralité de saillies de transfert de couple 43 et d’évidements de transfert de couple 44 sont répartis angulairement et, de préférence répartis angulairement de manière régulière, autour de l’axe longitudinal de l’élément de manchon tubulaire 35.
Comme le montre mieux la figure 5a, selon le premier mode de réalisation de l’invention, chacun des éléments de transfert de couple 41, 42 a un diamètre externe supérieur à un diamètre externe de l’élément de noyau de rotor 34 lorsque le rotor 33 n’est pas en rotation, de sorte que l’élément de manchon tubulaire 35 entoure l’élément de noyau de rotor 34 avec une distance radiale prédéterminée D lorsque le rotor 33 n’est pas en rotation. La distance radiale prédéterminée D est avantageusement comprise entre 0 et 16 pm à 20°C.
En particulier, la distance radiale prédéterminée D est déterminée de sorte que l’élément de noyau de rotor 34 coopère avec la surface interne de l’élément de manchon tubulaire 35 et transfère directement un couple à l’élément de manchon tubulaire 35 lorsque le rotor 33 est en rotation et la température de l’élément de noyau de rotor 34 dépasse une valeur de température prédéterminée (voir la figure 5b). La valeur de température prédéterminée est avantageusement comprise entre 120 et 220°C, et par 14 exemple de 200°C. Par conséquent, lorsque le rotor 33 est en rotation et tant que la température du rotor 33 est inférieure à la valeur de température prédéterminée, le couple est uniquement transféré de l’élément de noyau de rotor 34 à l’élément de manchon tubulaire 35 par les éléments de transfert de couple 41, 42, et lorsque la température du rotor 33 dépasse la valeur de température prédéterminée, le couple est en outre transféré directement de l’élément de noyau de rotor 34 à l’élément de manchon tubulaire 35.
Les Figures 6a, 6b représentent un autre mode de réalisation de l’Invention qui diffère du premier mode de réalisation essentiellement en ce que la distance radiale prédéterminée D est déterminée de sorte qu’un jeu radial C soit défini entre l’élément de noyau de rotor 34 et la surface interne de l’élément de manchon tubulaire 35 quelle que soit la température et la vitesse de rotation du rotor 33. Selon ledit mode de réalisation de l’invention, la distance radiale prédéterminée D est comprise entre 16 et 32 pm à 20°C, et le jeu radial C est compris entre 0 et 16 pm à 200°C. Avec ce mode de réalisation, même à des températures élevées de moteur, le couple est uniquement transféré de l’élément de noyau de rotor 34 à l’élément de manchon tubulaire 35 par l’intermédiaire des éléments de transfert de couple. Ainsi, la déformation et la contrainte dans l’élément de manchon tubulaire 35 sont réduites au minimum.
Selon ledit mode de réalisation de l’invention, chaque élément de transfert de couple 41,42 a un évidement de déformation 41.2, 42.2 formé dans son extrémité axiale opposée à l’élément de noyau de rotor 34, pour fournir des propriétés élastiques dudit élément de transfert de couple 41, 42 dans une direction radiale. Chaque évidement de déformation 41.2, 42.2 pourrait être par exemple annulaire ou circulaire.
En outre, selon ledit mode de réalisation de l’invention, le coefficient de dilatation thermique des éléments de transfert de couple 41, 42 est compris entre 11.10’6/°C et 13.10’6/°C et par exemple d’environ 12.10’6/°C.
Les Figures 7 et 8 représentent un autre mode de réalisation de l’invention qui diffère du premier mode de réalisation essentiellement en ce que l’élément de manchon tubulaire 35, les éléments de transfert de couple 41, 42 et l’élément de noyau de rotor 34 définissent un parmi plusieurs passages d’écoulement de fluide 45 s’étendant parallèlement à l’axe longitudinal de l’élément de manchon tubulaire 35 et à partir d’une face d’extrémité axiale de l’élément de transfert de couple 42 opposée à l’élément de noyau de rotor 34 à une face d’extrémité axiale de l’élément de transfert de couple 41 opposée à .15 l’élément de noyau de rotor 34. Le ou chaque passage d’écoulement de fluide 45 est partiellement défini par des méplats 46, 47 prévus sur la Surface périphérique des éléments de transfert de couple 41, 42 et sur la surface périphérique de l’élément de noyau de rotor 34.
Selon ledit mode de réalisation de l’invention, l’élément de manchon tubulaire 35 est une partie de l’arbre d’entraînement 4. Ainsi, selon ledit mode de réalisation, la partie de palier tubulaire 5 et l’élément de manchon tubulaire 35 sont formés d’un seul tenant, c’est-à-dire en une seule pièce.
Les Figures 14 et 15 représentent un autre mode de réalisation de 10 l’invention qui diffère du premier mode de réalisation essentiellement en ce que les géométries de transfert de couple 5 comportent deux évidements de transfert de couple 44 prévus respectivement sur les surfaces de butée 41.1, 42.1 des éléments de transfert de couple 41, 42 et deux saillies de transfert de couple 43 prévues respectivement sur les faces d’extrémités axiales 34.3, 34.4 de l’élément de noyau de rotor 34.
La Figure 16 représente un autre mode de réalisation de l’invention qui diffère du premier mode de réalisation essentiellement en ce que les saillies de transfert de couple 43 et les évidements de transfert de couple 44 ont une forme conique pour assurer une orientation coaxiale des éléments de transfert de couple 41,42 et de l’élément de noyau de rotor 34.
Bien entendu, l’invention ne se limite pas aux modes de réalisation décrits ci-dessus à titre d’exemples non limitatifs, mais au contraire, elle englobe tous les modes de réalisation de celle-ci.

Claims (16)

  1. REVENDICATIONS
    1. Rotor (33) pour un moteur électrique à grande vitesse (31), comprenant :
    - un élément de noyau de rotor (34) étant cylindrique et ayant deux extrémités axiales opposées (34.1, 34.2),
    - un élément de manchon tubulaire (35) entourant l’élément de noyau de rotor (34),
    - deux éléments de transfert de couple (41, 42) respectivement raccordés aux extrémités axiales (34.1, 34.2) de l’élément de noyau de rotor (34) et étant fixés à une surface interne de l’élément de manchon tubulaire (35), chaque élément de transfert de couple (41, 42) comportant une surface de butée (41.1,42.1) venant en butée contre une face d’extrémité axiale respective (34.3, 34.4) de l’élément de noyau de rotor (34), caractérisé en ce que
    - des géométries de transfert de couple sont prévues sur les faces d’extrémités axiales (34.3, 34.4) de l’élément de noyau de rotor (34) et sur les surfaces de butée (41.1, 42.1) des éléments de transfert de couple (41, 42) pour transférer un couple de l’élément de noyau de rotor (34) à l’élément de manchon tubulaire (35), et en ce que
    - l’élément de manchon tubulaire (35) entoure l’élément de noyau de rotor (34) avec une distance radiale prédéterminée (D) lorsque le rotor (33) n’est pas en rotation.
  2. 2. Rotor (33) selon la revendication 1, dans lequel chacun des éléments de transfert de couple (41, 42) a une forme de disque et a un diamètre externe qui est supérieur à un diamètre externe de l’élément de noyau de rotor (34) au moins lorsque le rotor (33) n’est pas en rotation.
  3. 3. Rotor (33) selon la revendication 1 ou 2, dans lequel les éléments de transfert de couple (41, 42) et l’élément de noyau de rotor (34) sont disposés de manière coaxiale dans l’élément de manchon tubulaire (35).
  4. 4. Rotor (33) selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel les géométries de transfert de couple comportent des saillies de transfert de couple (43) et des évidements de transfert de couple (44), chaque saillie de transfert de couple (43) coopérant avec un évidement de transfert de couple respectif (44) pour transférer un couple de l’élément de noyau de rotor (34) à l’élément de manchon tubulaire (35).
  5. 5. Rotor (33) selon la revendication 4, dans lequel au moins l’une des saillies de transfert de couple (43) est prévue sur au moins l’une des faces d’extrémités axiales (34.3, 34.4) de l’élément de noyau de rotor (34) ou sur au moins l’une des surfaces de butée (41.1, 42.1) des éléments de transfert de couple (41, 42), et au moins l’un des évidements de transfert de couple (44) est prévu sur au moins l’une des surfaces de butée (41.1, 42.1) des éléments de transfert de couple (41, 42) ou sur au moins l’une des faces d’extrémités axiales (34.3, 34.4) de l’élément de noyau de rotor (34).
  6. 6. Rotor (33) selon la revendication 4 ou 5, dans lequel les saillies de transfert de couple (43) et les évidements de transfert de couple (44) ont une forme conique pour assurer une orientation coaxiale des éléments de transfert de couple (41, 42) et de l’élément de noyau de rotor (34).
  7. 7. Rotor (33) selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel chaque élément de transfert de couple (41, 42) a un évidement de déformation (41.2, 42.2) formé dans son extrémité axiale opposée à l’élément de noyau de rotor (34), pour fournir des propriétés élastiques dudit élément de transfert de couple dans une direction radiale.
  8. 8. Rotor (33) selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel chacun des éléments de transfert de couple (41, 42) a un coefficient de dilatation thermique proche du ou supérieur au coefficient de dilatation thermique de l’élément de manchon tubulaire (35).
  9. 9. Rotor (33) selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel chacun des éléments de transfert de couple (41, 42) a un coefficient de dilatation thermique proche du ou inférieur au coefficient de dilatation thermique de l’élément de noyau de rotor (34).
  10. 10. Rotor (33) selon l’une quelconque des revendications 1 à 9, dans lequel l’élément de manchon tubulaire (35) est relié à un arbre d’entraînement (4) d’une machine de compression.
    • 18
  11. 11. Rotor (33) selon l’une quelconque des revendications 1 à 10, dans lequel l’élément de manchon tubulaire (35) est ajusté par contraction sur les éléments de transfert de couple (41, 42), mais pas sur l’élément de noyau de
    5 rotor (34).
  12. 12. Rotor (33) selon l’une quelconque des revendications 1 à 11, dans lequel la distance radiale prédéterminée (D) est déterminée de sorte qu’un jeu radial (C) est défini entre l’élément de noyau de rotor (34) et la surface interne
    10 de l’élément de manchon tubulaire (35) quelle que soit la vitesse de rotation du rotor (33).
  13. 13. Rotor selon l’une quelconque des revendications 1 à 11, dans lequel la distance radiale prédéterminée (D) est déterminée de sorte que l’élément de
  14. 15 noyau de rotor (34) coopère avec la surface interne de l’élément de manchon tubulaire (35) et transfère directement un couple à l’élément de manchon tubulaire (35) lorsque le rotor (33) est en rotation et la température de l’élément de noyau de rotor (34) dépasse une valeur de température prédéterminée.
  15. 20 14. Rotor (33) selon l’une quelconque des revendications 1 à 13, dans lequel l’élément de manchon tubulaire (35), les éléments de transfert de couple (41, 42) et l’élément de noyau de rotor (34) définissent au moins un passage d’écoulement de fluide (45).
  16. 25 15. Machine de compression (2) comportant un rotor (33) selon l’une quelconque des revendications 1 à 14.
    2/3
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