SUSTENTATION ET DE CENTRAGE DE SON ROTOR

La présente invention se rapporte à une machine tournante comportant un dispositif de sustentation et de centrage de son rotor. Plus particulièrement, l'invention se rapporte à un dispositif de sustentation et de centrage d'un volant d'inertie.

Un volant d' inertie correspond dans une machine tournante à une masse liée à la partie tournante appelée également rotor et répartie autour de l'axe de rotation du rotor permettant d'augmenter le moment d'inertie.

Le volant d'inertie permet le stockage et la restitution d'énergie cinétique.

Dans une première phase, le volant d'inertie est entraîné en rotation par un élément tournant appelé générateur et emmagasine de l'énergie cinétique.

Dans une seconde phase, lorsqu'il n'est plus entraîné en rotation, le volant d'inertie est apte à entraîner en rotation un élément tournant appelé récepteur et à restituer l'énergie cinétique emmagasinée.

L'énergie cinétique étant fonction de la masse et du carré de la vitesse, le volant d'inertie doit avoir un moment d'inertie et une vitesse de rotation élevés si on cherche à emmagasiner le plus d'énergie.

Selon un mode de réalisation, le volant a un axe de rotation sensiblement vertical et comprend un corps avec un diamètre conséquent prolongé à une extrémité par un arbre avec un diamètre plus réduit que celui du corps dont l'extrémité libre peut être reliée de manière alternée à un récepteur ou un générateur. Le volant d'inertie est guidé en rotation par rapport à un support fixe appelé stator grâce à au moins un palier. En complément, il est nécessaire de prévoir des moyens pour assurer la sustentation du volant d'inertie par rapport au stator. Pour des utilisations nécessitant des vitesses de rotation élevées, les paliers et les moyens de sustentation sont de type magnétique afin d'optimiser le rendement et de supprimer les pertes par frottement ou par échauf f ement. Un volant d'inertie est notamment décrit dans le document FR-2.356.044. Ce dernier décrit un rotor flottant par rapport à un stator. Pour assurer la sustentation, le rotor comprend au niveau de sa face inférieure un aimant permanent annulaire disposé en vis-à-vis d'un aimant permanent annulaire solidaire du stator et identique au premier. Ainsi, ces deux aimants permanents ont des champs magnétiques avec des directions alignées et parallèles à l'axe de rotation, avec des sens contraires afin de travailler en répulsion selon une direction parallèle à l'axe de rotation.

Pour assurer le centrage du rotor par rapport au stator, la partie du stator en regard du corps du rotor est divisée en deux niveaux, eux-mêmes divisés en différents secteurs comportant chacun un bobinage susceptible d'assurer des forces d'attraction radiales. En parallèle, le rotor comprend des rainures périphériques.

Le dispositif comprend des moyens pour détecter la position du rotor par rapport au stator et aptes à renseigner des moyens de contrôle permettant si nécessaire de corriger la position du rotor par rapport au stator grâce aux bobinages. A cet effet, le rotor comprend en partie inférieure une jupe dont la cavité coopère avec une portion cylindrique du stator. Le rotor comprend au niveau de la jupe deux aimants permanents (un au niveau du fond de la cavité et un autre sur la paroi latérale de la cavité) qui sont décalés par rapport à des bobines prévues au niveau du stator qui génèrent chacune un signal en fonction de la position du rotor par rapport au stator. Selon ce document, le dispositif de centrage est relativement complexe.

Aussi, la présente invention vise à proposer une machine tournante comportant un dispositif de sustentation et de centrage du rotor de conception simple et compacte.

A cet effet, l'invention a pour objet une machine tournante comportant un élément tournant appelé rotor apte à tourner selon un axe de rotation vertical par rapport à un élément fixe appelé stator, des moyens de sustentation de type magnétique pour maintenir ledit rotor par rapport au stator selon une direction parallèle à l'axe de rotation et des moyens de centrage dudit rotor par rapport au stator dans un plan perpendiculaire à l'axe de rotation, caractérisée en ce que les moyens de centrage comprennent, au niveau du rotor, un premier aimant annulaire concentrique à l'axe de rotation, et au niveau du stator, un second aimant annulaire concentrique à l'axe de rotation, les premier et second aimants étant agencés de manière à créer une répulsion avec une résultante selon une direction radiale et une résultante selon l'axe de rotation, et en ce que le rotor est pendulaire, le centre de gravité du rotor étant disposé sous le plan de sustentation qui correspond au plan perpendiculaire à l'axe de rotation, médian entre les faces en regard des aimants.

Ainsi, les moyens de centrage assurent également la sustentation du rotor.

Le rotor est de type pendulaire pour assurer une meilleure stabilité. En effet, le point d'action des forces de répulsions étant ainsi placé au dessus du centre de masse du rotor, le poids P et les forces de répulsion Ri et 2 agissent sous la forme d'un couple de rappel permettant, en cas de déstabilisation ponctuelle, de ramener le rotor dans sa position de rotation stable. Cette conjonction des forces en forces de rappel vers la position d'équilibre est illustrée figure 12. L'agencement des aimants et la position pendulaire du rotor créent ainsi un système mécanique évoluant dans un minimum local de potentiel de forces assurant la stabilité du rotor dans sa rotation. De préférence, les moyens pour générer un champ magnétique sont des aimants permanents ce qui permet d'obtenir un dispositif de sustentation et de centrage de type passif.

D'autres caractéristiques et avantages ressortiront de la description qui va suivre de l' invention, description donnée à titre d'exemple uniquement, en regard des dessins annexés sur lesquels :

- la figure 1 est une coupe selon un plan contenant l'axe de rotation d'une machine tournante selon l'invention,

- la figure 2 est une coupe selon un plan contenant l'axe de rotation illustrant un rotor d'une machine tournante selon l'invention seul,

- la figure 3 est une coupe selon un plan perpendiculaire à l'axe de rotation du rotor de la figure 2,

- la figure 4 est une coupe selon un plan contenant l'axe de rotation illustrant un stator d'une machine tournante selon l'invention seul,

- la figure 5 est une coupe selon un plan perpendiculaire à l'axe de rotation du stator de la figure 4, et

- les figures 6 à 9 sont des variantes simplifiées de machines tournantes selon l'invention.

- La figure 10 est un dispositif de centrage du volant d'inertie à basse vitesse permettant de contourner la limitation de la sustentation magnétique indiquée par le théorème d'Earnshaw.

- La figure 11 est un exemple d'organisation d'une solution de stockage de l'énergie par volant d'inertie selon l'invention, caractérisée par l'installation de plusieurs volants d'inertie dans une même enceinte appelée conteneur, déployable dans divers lieux en fonction des besoins.

Sur les différentes figures, on a représenté une machine tournante comportant un élément tournant 10 appelé rotor apte à tourner selon un axe de rotation 12 vertical par rapport à un élément fixe 14 appelé stator. Selon les applications, le rotor et le stator peuvent être d'un bloc ou constitués de plusieurs pièces assemblées.

Selon une application, le rotor forme un volant inertiel susceptible de stocker de l'énergie cinétique. Toutefois, l'invention n'est pas limitée à cette application et couvre toutes les machines tournantes comportant un axe de rotation vertical et susceptibles de fonctionner à des vitesses de rotation relativement élevées. Selon un mode de réalisation illustré sur les figures 1 à 6 et 8, le rotor 10 comprend un corps 16 surmonté par un arbre 18 dont le diamètre est inférieur à celui du corps 16 et un disque 20 relié à l'extrémité supérieure de l'arbre 18 et dont le diamètre est supérieur à celui de l'arbre.

Le corps 16, l'arbre 18 et le disque 20 sont liés cinématiquement. En variante, le corps peut être disposé au-dessus de l'arbre lui-même disposé au-dessus du disque.

Les formes du corps sont déterminées pour procurer un moment d'inertie par rapport à l'axe de rotation 12 important afin d'optimiser la quantité d'énergie cinétique stockée.

Le corps 16 comprend une surface supérieure 22 plane sensiblement perpendiculaire à l'axe de rotation 12.

Le disque 20 comprend au moins une surface inférieure 24 plane sensiblement perpendiculaire à l'axe de rotation 12 et donc sensiblement parallèle à la surface supérieure 22 du corps.

Le stator 14 comprend une portion cylindrique creuse 26 dans laquelle peut se loger au moins une partie de l'arbre 18 avec à son extrémité inférieure un disque 28 comportant un orifice central autorisant le passage de l'arbre 18. Ainsi, le disque 28 est intercalé entre le corps 16 et le disque 20 du rotor.

Avantageusement, le stator 14 est solidaire d'un carter 30 qui forme une cavité de forme adaptée pour loger le corps 16. Selon un autre mode de réalisation illustré sur la figure 7, le rotor 10 peut comprendre un corps 16 avec une cavité 32 au niveau de sa surface supérieure, de forme cylindrique et concentrique à l'axe de rotation 12, partiellement fermée par une paroi 34 comportant une ouverture 36 circulaire et concentrique à l'axe de rotation 12. En parallèle, le stator 14 comprend un arbre 38 qui pénètre dans la cavité 32 du rotor via l'ouverture 36 de la paroi 34 avec à son extrémité disposée dans la cavité un disque 40 avec un diamètre supérieur à l'arbre 38 qui comprend une surface en regard de la paroi 34.

Comme précédemment, le stator 14 peut être solidaire d'un carter 30 qui forme une cavité de forme adaptée pour loger le rotor 10.

bans une autre variante illustrée figures 9 et 12, le corps 16 du rotor peut avantageusement prendre la forme d'un cylindre creux fermé, dans sa partie supérieure par le disque supérieur 20 sous lequel est placé l'aimant annulaire 42 en rotation. Dans cette variante, l'arbre 18 n'a plus d'existence. Le stator est un arbre 90 surmonté d'un disque 91 disposé perpendiculairement à l'axe de rotation 12 et portant l'aimant annulaire statique 46.

La machine tournante comprend des moyens de sustentation pour maintenir le rotor 10 selon la direction parallèle à l'axe de rotation 12.

La machine tournante comprend des moyens de centrage du rotor par rapport au stator.

Selon l'invention, les moyens de centrage du rotor par rapport au stator assurent également au moins une partie de la fonction de sustentation. De préférence, les moyens de centrage assurent seuls la fonction de sustentation. Toutefois, des moyens de sustentation indépendants des moyens de centrage pourraient être envisagés pour renforcer l'effet de sustentation procuré par les moyens de centrage. Ces moyens de sustentation indépendants des moyens de centrage ne sont pas plus décrits car ils sont optionnels et peuvent être réalisés de la même manière que pour l'art antérieur.

Selon l'invention, le rotor 10 comprend au moins un premier aimant annulaire 42 concentrique à l'axe de rotation 12 et le stator 14 comprend au moins un second aimant annulaire 46 concentrique à l'axe de rotation, le premier aimant 42 et le second aimant 46 étant agencés de manière à créer une répulsion avec une résultante selon une direction radiale (perpendiculaire à l'axe de rotation) et une résultante selon l'axe de rotation 12. Cet agencement permet d'obtenir un centrage du rotor autour de l'axe de rotation 12.

Avantageusement, la force de répulsion générée par les aimants 42 et 46 est suffisante pour assurer la sustentation du rotor par rapport au stator. Le centre de gravité du rotor 10 est disposé sous le plan de sustentation qui correspond au plan perpendiculaire à l'axe de rotation, médian entre les faces en regard des aimants 42 et 46. Cet agencement permet d'obtenir un rotor en position pendulaire, ce qui combiné, à la sustentation procurée par l'effet répulsif des aimants 42 et 46, assure une plus grande stabilité du rotor. En effet, les forces de répulsion Ri et R2 des aimants et le poids P du rotor agissent, dans cette configuration, selon un couple de rappel, illustré figure 12, qui ramène le rotor dans une position stable correspondant à un potentiel minimum local.

De préférence, les aimants 42 et 46 sont de type permanents ce qui permet d'obtenir un système de centrage passif.

Selon un mode de réalisation illustré sur les figures 1 à 7 et 9, l'aimant 42 est susceptible de générer un champ magnétique avec une première direction 44 parallèle à l'axe de rotation et concentrique à l'axe de rotation 12 et l'aimant 46 est susceptible de générer un champ magnétique avec une seconde direction 48 parallèle à l'axe de rotation et concentrique à l'axe de rotation 12, les directions 44 et 48 étant décalées radialement (selon une direction perpendiculaire à l'axe de rotation 12). Les champs magnétiques générés respectivement par les aimants permanents 42 et 46 sont orientés en sens opposés de manière à obtenir un effet répulsif qui génère ou renforce l'effet de sustentation.

Selon un mode de réalisation, le rotor 10 comprend un aimant permanent 42 sous forme d'un anneau concentrique à l'axe de rotation 12 et qui est solidarisé à la face inférieure 24 du disque 20 du rotor. En complément, le stator comprend un aimant permanent 46 sous forme d'un anneau concentrique à l'axe de rotation 12 et qui est solidarisé à la face du disque 28 du stator orientée vers la face 24. Le fait de prévoir des champs magnétiques décalés selon la direction radiale permet d'obtenir un guidage dans un plan perpendiculaire à l'axe de rotation 12. Selon un autre mode de réalisation illustré sur la figure 8, les aimants 42 et 46 ne sont pas rapportés sur une surface, plane perpendiculaire à l'axe de rotation 12 mais chacun sur un tronc de cône de manière à ce que les champs magnétiques générés par les deux aimants ne soient pas parallèles avec l'axe de rotation 12 comme pour la variante précédente mais sécants avec ledit axe de rotation. Ce mode de réalisation augmente la répulsion radiale et améliore le centrage. Dans ce cas, les aimants 42 et 46 sont concentriques à l'axe de rotation. Cette disposition peut s'appliquer aux différentes variantes de disposition du rotor et du stator.

Selon les différents modes de réalisation, l'un des aimants a un diamètre extérieur compris entre les diamètres extérieur et intérieur de l'autre aimant. Selon les cas, les aimants 42 et 46 sont continus ou discontinus et peuvent être en plusieurs parties.

En variante, on pourrait remplacer les aimants permanents 42 et 46 par tous moyens susceptibles de générer des champs magnétiques possédant une composante selon l'axe de rotation 12 et une composante radiale, et concentriques audit axe de rotation 12 mais décalées selon la direction radiale. Les moyens 42 et 46 pour générer des champs magnétiques ne sont pas nécessairement rapportés sur les disques 20 et 28. Ainsi, ils peuvent être prévus au niveau de deux surfaces en regard l'une de l'autre , l'une étant rapportée au stator et l'autre au rotor.

Selon un mode de réalisation illustré sur les figures 1 à 4, des moyens 50 pour générer un champ magnétique selon une première direction parallèle à l'axe de rotation sont rapportés au niveau de la partie fixe du volant d'inertie et des moyens 52 pour générer au moins un second champ magnétique selon une direction parallèle à l'axe de rotation sont rapportés au niveau du rotor 10. Les moyens 32 sont des enroulements 54 disposés selon un cercle concentrique à l'axe de rotation 12, les enroulements 54 étant solidarisés au disque 24 du stator qui comprend au moins une ouverture 56 au droit des enroulements 54 pour laisser passer le champ magnétique.

En complément, les moyens 52 comprennent une première série d'aimants permanents 58 rapportés sur la face inférieure 24 du disque 20 du rotor et une seconde série d'aimants permanents 60 rapportés sur la face supérieure du corps 16 du rotor.

Les enroulements 54 disposés en anneau autour de l'axe de rotation 12 constituent des moyens pour assurer le transfert de l'énergie entre le rotor et le milieu extérieur. Ces éléments 50 à 60 de type magnétique permettent l'accélération du rotor en phase de mise en stockage et sa décélération en phase de restitution. Ainsi, les enroulements ne sont pas activés en phase de conservation de l'énergie par le rotor.

Pour l'application de la machine tournante à un dispositif de stockage de l'énergie, la machine tournante est utilisée pour transformer l'énergie électrique en énergie cinétique du rotor lors de la phase de charge, et inversement en phase de décharge. En minimisant les pertes par frottements, on peut ainsi conserver cette énergie pendant des durées de plusieurs heures. Pour une telle application, les équations mécaniques montrent que la densité d'énergie volumique de ce dispositif est indépendante des dimensions du rotor, mais seulement proportionnelle à la limite élastique de -traction du matériau utilisé pour ce rotor. De plus, pour une même quantité d'énergie stockée avec un rotor de dimensions données, la vitesse de rotation nécessaire pour atteindre cette énergie sera d'autant plus grande que la masse volumique du matériau du rotor sera faible. Ainsi, le compromis idéal pour une application de cette machine au stockage de l'énergie est un matériau ayant une haute limite élastique de traction et une masse volumique élevée. Ce compromis est permis par certains aciers à haute limite de traction, parmi lesquels les aciers maraging.

Pour une application de stockage de l'énergie, cette machine tournante doit être installée dans un équipement spécifique permettant d'optimiser les performances tout en respectant les caractéristiques techniques de chaque élément utilisé. Ainsi, la répulsion des aimants de sustentation ne peut permettre la lévitation du rotor que si celui-ci conserve une masse limitée. De ce fait, le rotor doit conserver des dimensions limitées, alors que l'installation industrielle d'un tel équipement requiert une quantité d'énergie stockable importante. La solution, présentée figure 11, vient donc de la constitution d'un conteneur 120, qui regroupe un nombre important de composants unitaires 121 réalisés sur la base de la machine tournante décrite ici. Cette solution permet une addition des puissances en phase de charge et de décharge, et la mise en commun, au niveau du conteneur, d'équipements complémentaires comme les onduleurs 122 (pour l'interface avec le réseau électrique) et les pompes à vides 123 (destinées à limitées les pertes par frottement de l'air sur le rotor). Elle facilite aussi l'installation d'une solution de stockage en limitant les coûts d'infrastructure. Le système de sustentation présenté dans ce document permet le maintien en lévitation magnétique du volant lorsque celui-ci est en rotation au dessus du stator. La partie tournante reste dans une position d'équilibre stable obtenue par la disposition des différentes forces (répulsion magnétique des aimants et poids) par rapport au centre de gravité de la masse en rotation. Le théorème d'Earnshaw précise qu'une telle position d'équilibre ne peut être trouvée en statique. L'équilibre obtenu par l'opposition des aimants, tel que présenté ici, ne peut donc pas fonctionner à l'arrêt ou à faible vitesse. Pour contourner cette limitation technique, un dispositif supplémentaire 92 adapté à la configuration présentée igure 9 peut être instaWé pour forcer le centrage lorsque le rotor tourne à faible vitesse. Le dit dispositif présenté ci-après et illustré figure 10 assure cette fonction. Il comprend un contact ponctuel entre le stator et le rotor apte à occuper deux états, un premier état lorsque la vitesse de rotation relative entre le rotor et la stator est inférieure à un seuil donné dans lequel il assure un contact entre le rotor et le stator et un second état lorsque la vitesse de rotation relative entre le rotor et le stator dépasse ledit seuil donné dans lequel il n'assure aucun contact entre le rotor et le stator.

Il s'agit d'un cy ndre 102 actionné en rotation par un moteur quart de tour à l'intérieur d'un autre cylindre 101, fixe, installé centré dans la partie haute du stator, au centre de l'aimant annulaire 46 du stator. Un système d'ergots 103 attachés au cylindre intérieur, et coulissant dans une glissière 104 pratiquée dans le cylindre extérieur 101 permet de transformer la rotation quart de tour du cylindre intérieur 102 en translation selon l'axe 12. Ce déplacement permet de créer un contact temporaire entre le stator et le rotor, contact nécessaire pour assurer le centrage du rotor tant que la vitesse de rotation du volant ne suffit pas à se placer dans les conditions du théorème d'Earnshaw. L'extrémité du dispositif comprend un pointeau conique 105 qui vient en contact avec un creux en forme de cône 106 placé à l'intérieur de l'aimant annulaire de sustentation 42 du rotor. Ce pointeau est placé à l'intérieur du cylindre intérieur 102 et laissé libre en rotation par rapport à ce cylindre au moyen d'un ensemble de roulements à billes 107 ά 108 placés entre le corps du pointeau et le cylindre intérieur pour servir de centreur 107 et de butée 108. Le positionnement vertical de ce pointeau est assuré par l'action conjointe du roulement à billes 108 placé entre la base du pointeau et le plateau de positionnement 110, et d'un ensemble de ressoris 109 placé entre le plateau de positionnement 110 et le cylindre intérieur 102. Ce plateau de positionnement 110 est laissé libre en translation verticale par rapport au cylindre intérieur dans la limite du débattement nécessaire pour assurer un amortissement des chocs et réduire l'usure du système. Un système de butées d'arrêt 111, placé sur la surface intérieure du cylindre 102, contrôle ce degré de liberté en limitant la translation du plateau entre deux valeurs prédéfinies.