FR2486730A1

FR2486730A1 - Very high revolution rate flywheel energy store - with rotor discs made of titanium alloy with carbon fibre material binding

Info

Publication number: FR2486730A1
Application number: FR8113454A
Authority: FR
Inventors: Hans Wiedemann
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1980-07-11
Filing date: 1981-07-08
Publication date: 1982-01-15
Also published as: FR2486730B3; DE3026339C2; DE3026339A1

Abstract

The metal body (1) of the rotor, consists of a shaft carrying one or more circular sections, in which, distributed equally around the same internal radius (e) are a number of cylindrical permanent magnets (2) pressed or otherwise fixed in holes (1a) to suit their diameter. The metal body is pref. of titanium alloy, bound with a fibre or thread material, with a modulus of elasticity of twice that of the titanium e.g. carbon on boron fibre. The binding (3) is laminated with epoxy resin and prevents the fracture of the outer ring of the disc due to the stress imposed by the rotating mass of the magnets (2). Thus the flywheel energy store is an extremely fast-rotating synchronous rotor with axial or radial magnets housed in a rotating body, producing axial or radial magnetic energy.

Description

Accumulateur d'énergie à volant
L'invention concerne un accumulateur d'énergie à volant avec, pour la conversion de l'énergie, un rotor à disques synchrone tournant extrêmement vite et un palier magnétique axial et/ou radial constitué par un corps de rotation tournant à une vitesse extrêmement élevée, pour la création de forcesmagnétiques agissant axialement et/ou radialement.Steering wheel energy storage
The invention relates to a flywheel energy accumulator with, for energy conversion, an extremely fast synchronous disc rotor and an axial and / or radial magnetic bearing constituted by a rotating body rotating at an extremely high speed. , for the creation of magnetic forces acting axially and / or radially.

On sait que les convertisseurs d'énergie de type connu (moteur electrique/génératrice) nécessitent la présence de transmissions intercalées entre le volant tournant à grande vitesse et le convertisseur d'énergie. Mais de telles transmissions provoquent des pertes d'énergie élevées et sont soumises à une usure mécanique. I1 en va également à peu près de même pour le support mécanique de ces types de dispositifs. En outre, les installations destinées au refroidissement et au graissage des parties susdites rendent difficile l'établissement d'un vide dans le carter de volant. Le DE-OS 2 430 141 traite de façon détaillée de ces problèmes, mais sans fournir un enseignement spécifique pour les résoudre dans la pratique.It is known that energy converters of known type (electric motor / generator) require the presence of transmissions inserted between the flywheel rotating at high speed and the energy converter. However, such transmissions cause high energy losses and are subject to mechanical wear. I1 is also about the same for the mechanical support of these types of devices. In addition, the facilities for cooling and lubrication of the aforementioned parts make it difficult to establish a vacuum in the flywheel housing. DE-OS 2,430,141 deals in detail with these problems, but without providing specific instruction for solving them in practice.

Dans le brevet allemand 2 558 422, il est décrit un accumulateur d'énergie à volant du type indiqué au début qui est à l'origine de la présente invention et lui fournit le problème qui en òrme'la base, à savoir à créer un accumulateur d'éneryie à volant du type indiqué au début qui permette une conversion d'énergie presque sans perte et offre la possibilité de réaliser une course sans contact du volant et du convertisseur d'énergie à l'intérieur du carter de volant dans lequel a été fait le vide.In German patent 2,558,422, a flywheel energy accumulator of the type indicated at the start is described which is at the origin of the present invention and provides it with the problem which forms the basis thereof, namely to create a flywheel energy accumulator of the type indicated at the beginning which allows almost lossless energy conversion and offers the possibility of making a contactless stroke of the flywheel and of the energy converter inside the flywheel housing in which a been vacuumed.

Ce problème est résolu de façon optimale et sûre grâce au fait que des aimants permanents cylindriques ou des aimants en fer doux avec bobine d'excitation sont enfoncés à pression dans des trous axiaux répartis uniformément sur la circonférence de disques en métal, ce(s) -disque(s) en métal étant muni(s) sur sa(leur) périphérie d'un enroulement, et le palier magnétique ou les paliers magnétiques étant munis d'enroulements en matériau composite renforcé par des fibres.This problem is solved in an optimal and safe way thanks to the fact that cylindrical permanent magnets or soft iron magnets with excitation coil are pressed into axial holes evenly distributed on the circumference of metal discs, this (s) -disc (s) of metal being provided (s) on its (their) periphery with a winding, and the magnetic bearing or magnetic bearings being provided with windings in composite material reinforced with fibers.

Les caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront d'ailleurs de la description qui va suivre de formes due réalisations choisies à titre d'exemples, en référence au dessin annexé dans lequel la figure 1 est une vue en coupe d'un rotor se présentant sous la forme d'un disque double à arbre creux ; la figure 2 est une coupe effectuée suivant la ligne I-I de la figure 1 ; la figure 3 est un modèle de calcul pour la détermination des courbes de contrainte dans l'exemple de réalisation représenté aux figures 1 et 2 ; la figure 4 est un autre modèle de calcul pour la détermination des courbes de contrainte dans l'exemple suivant les figures 1 et 2, avec utilisation d'une fibre de carbone à coefficient d'élasticité élevé (par exemple THORNEL 100) ; la figure 5 est une coupe longitudinale effectuée dans un disque double du rotor à disque synchrone en matériau composite renforcé par des fibres la figure 6 est une coupe transversale du rotor avec aimants excitateurs disposés en cercle ; la figure 7 est une vue en coupe du cercle primitif des aimants disposés dans le disque du rotor la figure 8 montre un exemple de réalisation vue en coupe transversale à travers un convertisseur d'énergie avec aimants de rotor à excitation séparée la figure 9 est une vue en coupe transversale d'un exemple de réalisation de rotor à disque synchrone la figure 10 est une vue en coupe transversale d'un palier magnétique la figure 11 est une coupe effectuée suivant la ligne II-II de la figure 10 la figure 12 est une vue en coupe transversale d'un palier magnétique combiné axial/radial ; la figure 13 est une vue en coupe transversale d'un palier magnétique axial ou de butée ; la figure 14 est une coupe effectuée suivant la ligne III-III de la figure 13 ; et la figure 15 est une vue en coupe transversale d'une autre forme de réalisation.The characteristics and advantages of the invention will become more apparent from the description which follows of forms due to embodiments chosen by way of examples, with reference to the appended drawing in which FIG. 1 is a sectional view of a rotor having in the form of a double disc with hollow shaft; Figure 2 is a section taken on the line I-I in Figure 1; FIG. 3 is a calculation model for determining the stress curves in the embodiment shown in FIGS. 1 and 2; FIG. 4 is another calculation model for determining the stress curves in the example according to FIGS. 1 and 2, using a carbon fiber with a high elasticity coefficient (for example THORNEL 100); Figure 5 is a longitudinal section taken in a double disc of the synchronous disc rotor made of fiber-reinforced composite material; Figure 6 is a cross section of the rotor with exciter magnets arranged in a circle; FIG. 7 is a sectional view of the pitch circle of the magnets arranged in the rotor disc. FIG. 8 shows an exemplary embodiment seen in cross section through an energy converter with rotor magnets with separate excitation. FIG. 9 is a cross-sectional view of an exemplary embodiment of a synchronous disc rotor FIG. 10 is a cross-sectional view of a magnetic bearing FIG. 11 is a section taken along the line II-II of FIG. 10 FIG. 12 is a cross-sectional view of a combined axial / radial magnetic bearing; Figure 13 is a cross-sectional view of an axial magnetic bearing or stop; Figure 14 is a section taken on the line III-III of Figure 13; and Figure 15 is a cross-sectional view of another embodiment.

Avec les types actuellement utilisés de moteurs et génératrices asynchrones, synchrones, à courant continu et à courant alternatif, le convertisseur d'énergie correspondant est soumis à des limites d'utilisation soit en ce qui concerne la puissance et le couple de rotation pour les régimes élevés et très élevés, soit en ce qui concerne le régime pour les puissances et couples de rotation élevés. La présente invention satisfait à l'obligation imposée au convertisseur d'énergie de développer des puissances élevées et d'être accouplé directement au volant en matériau renforcé par des fibres. Un élément caractéristique en ce sens est le fait que, pour des raisons de solidité, des aimants en fer doux cylindriques permanents ou à bobinages sont montés dans des trous correspondants d'un disque en métal, répartis uniformément et axialement sur la circonférence du disque.Les figures 1 à 7 montrent un mode de réalisation typique à aimants permanents. Le corps en métal du rotor est constitué par un arbre et un disque ou plusieurs disques. Dans l'exemple de réalisation représente, l'arbre porte deux disques. Des aimants permanents cylindriques 2 répartis uniformément au point de vue angulaire sur le cercle de rayon e sont fixés par enfoncement à force ou par collage dans des trous la. Le corps en métal 1 est de préférence fait en alliage à base de titane et il est entouré par enroulement d'un matériau de fibres ou de fils 3.With the currently used types of asynchronous, synchronous, direct current and alternating current motors and generators, the corresponding energy converter is subject to limits of use either with regard to the power and the torque for the revs high and very high, either with regard to the speed for high powers and torques. The present invention satisfies the obligation imposed on the energy converter to develop high powers and to be coupled directly to the flywheel of material reinforced with fibers. A characteristic element in this sense is the fact that, for reasons of solidity, permanent cylindrical or coiled soft iron magnets are mounted in corresponding holes of a metal disc, distributed uniformly and axially around the circumference of the disc. Figures 1 to 7 show a typical embodiment with permanent magnets. The metal body of the rotor consists of a shaft and a disc or several discs. In the embodiment shown, the tree carries two discs. Cylindrical permanent magnets 2 distributed uniformly from the angular point of view on the circle of radius e are fixed by force pressing or by gluing in holes la. The metal body 1 is preferably made of a titanium-based alloy and is surrounded by winding a material of fibers or wires 3.

Par rapport au matériau à base de titane, ces matériaux de bobinage ont un module d'élasticité deux fois plus grand, une résistance mecanique deux fois plus élevée et un poids spécifique inférieur à la moitié. Ces exigences correspondent par exemple aux matériaux composites renforcés par fibres de carbone et de carbonado, ainsi qu'aux matériaux composites renforcés par des filaments de bore.Compared to the titanium-based material, these winding materials have a modulus of elasticity twice as great, a mechanical resistance twice as high and a specific weight less than half. These requirements correspond, for example, to composite materials reinforced with carbon and carbonado fibers, as well as to composite materials reinforced with boron filaments.

Le bobinage en matériau composite 3 avec des fibres ou des filaments de renforcement est stratifié à l'aide de couches de résine époxy de liaison et empêche toute rupture de l'anneau extérieur du disque sous l'effet des contraintes provenant des masses en rotation des aimants 2. Un exemple de réalisation décrit précédemment a été représenté dans le modèle de calcul des figures 3 et 4.Les matériaux suivants et leurs paramètres principaux, etc . ont été pris comme base des calculs que présentent Ces modèles
Corps métallique 1 à base de titane (élément 4) avec
E = 1,125 x 106 daN/cm2
Y = 4, 5 g/cm3
Aimants (élément 5) avec
5 2 effectif 0,2 E titane x 2,25 x 105 daN/cm2
Y effectif = 7,14 g/cm3
Bobinage en matériau renforcé par fibres (élément 6) avec
E = 2,5 x 106 daN/cm2 Y = 1,78 cm3
Résistance à la rupture = 31 000 daN/cm2
Résine de liage de l'enroulement en matériau renforcé par fibres3 (élément 7) avec
E = 60 000 daN/cm2
Y = 1,2 g/cm3
Les éléments 8 jouent le rôle de couche de séparation et sont faits en résine époxy
E = 60 000 da/cm2 Y - 0
Pour les calculs, on a choisi un modèle selon les figures 1 et 2 avec les dimensions suivantes
Nombre de tours : n = 42 000 tours/min. The winding of composite material 3 with reinforcing fibers or filaments is laminated using layers of bonding epoxy resin and prevents any rupture of the outer ring of the disc under the effect of the stresses coming from the rotating masses of the magnets 2. An exemplary embodiment described above has been represented in the calculation model of FIGS. 3 and 4. The following materials and their main parameters, etc. were taken as the basis of the calculations presented by these models
Metallic body 1 based on titanium (element 4) with
E = 1.125 x 106 daN / cm2
Y = 4.5 g / cm3
Magnets (item 5) with
5 2 effective 0.2 E titanium x 2.25 x 105 daN / cm2
Effective Y = 7.14 g / cm3
Winding in fiber reinforced material (element 6) with
E = 2.5 x 106 daN / cm2 Y = 1.78 cm3
Breaking strength = 31,000 daN / cm2
Winding bonding resin of fiber-reinforced material3 (element 7) with
E = 60,000 daN / cm2
Y = 1.2 g / cm3
Elements 8 act as a separating layer and are made of epoxy resin
E = 60,000 da / cm2 Y - 0
For the calculations, a model was chosen according to Figures 1 and 2 with the following dimensions
Number of revolutions: n = 42,000 revolutions / min.

Rayon extérieur matériau à fibres : 150 mm
Rayon intérieur de l'arbre creux :b = 78,8 lmm
Rayon extérieur du disque en titane : c = 108,8 mm
Rayon de l'aimant : d = 18,9 mm
Rayon cercle primitif des aimants : e = 97,6 mm
S'il n'y avait pas de bobinage en matériau 3 renforcé par fibres (éléments 6 et 7 du modèle), les tensions critiques 9 dans le sens périphérique régnant dans les disques en titane dépasseraient de loin la tension de rupture 11 du disque en titane, comme le montre le calcul. En outre, les tensions dans le sens périphérique 12 et dans le sens radial 14 dans les aimants et entre aimant et disque risqueraient de dépasser les tensions à enfoncement à force des aimants dans leurs logements.Outer radius fiber material: 150 mm
Inner radius of the hollow shaft: b = 78.8 lmm
Outer radius of the titanium disc: c = 108.8 mm
Magnet radius: d = 18.9 mm
Primitive circle radius of the magnets: e = 97.6 mm
If there were no winding of fiber-reinforced material 3 (elements 6 and 7 of the model), the critical tensions 9 in the peripheral direction prevailing in the titanium discs would far exceed the breaking tension 11 of the disc in titanium, as shown in the calculation. In addition, the tensions in the peripheral direction 12 and in the radial direction 14 in the magnets and between the magnet and the disc would risk exceeding the forced-in voltages of the magnets in their housings.

L'enroulement 3 en matériau renforcé par fibres de carbonado, par exemple en TORAYCA 300A, abaisse d'environ 40 % la tension periphérique ou circonférentielle critique du disque en titane, en la ramenant des valeurs de la courbe 9 aux valeurs de la courbe 10 qui est située en dessous de la valeur de tension de rupture 11. Dans l'aimant 2, et entre l'aimant et le disque 1, les tensions circonférentielles 12 sont ramenées aux valeurs plus faibles de la courbe 13, et les tensions radiales 14 à celles de la courbe 15.Les tensions circonférentielles ou efforts de traction 16 dans les fibres de carbonado sont largement en dessous de leur -tension de rupture 17, et il en est de même pour les tensions circonférentielles
dans la résine époxy 18 ainsi que pour les tensions radiales 19 dans la zone d'effort à la compression non critique 20.The winding 3 made of material reinforced with carbonado fibers, for example TORAYCA 300A, lowers the critical peripheral or circumferential tension of the titanium disc by about 40%, reducing it from the values of curve 9 to the values of curve 10 which is located below the rupture tension value 11. In the magnet 2, and between the magnet and the disc 1, the circumferential tensions 12 are brought back to the lower values of the curve 13, and the radial tensions 14 to those of curve 15. The circumferential tensions or tensile forces 16 in the carbonado fibers are largely below their -tension of rupture 17, and it is the same for the circumferential tensions
in the epoxy resin 18 as well as for the radial tensions 19 in the non-critical compressive stress area 20.

On peut encore augmenter la performance des disques de rotor synchrone si, comme le montre la figure 4, on utilise une fibre de carbone dont le module d'élasticité est notablement plus élevé. On peut citer comme exemple d'une telle fibre, la fibre THORNEL 100 dont les caractéristiques sont les suivantes
6 2
E = 6,89 x 106 daN/cm y = 1,94 g/cm3
Tension de rupture = 34 000 daN/cm2
Les dimensions des disques de rotor ont été multipliées par le facteur 1,333 et sont donc devenues a = 200 mm b = 105 mm c = 145 mm d = 25,2 mm e = 130 mm
Toutes les autres valeurs, y compris le regime de rotation de 42 000 tours/minute, ont été prises dans l'exemple selon la figure 3.Ici aussi, la tension circonférentielle dans le disque ae titane se trouve en dessous de la tension de rupture du titane 22. La tension circonférentielle 24 et la ten sion radiale 23 dans l'aimant et dans la zone entre aimant et disque de titane restent dans des limites admissibles.The performance of the synchronous rotor discs can be further increased if, as shown in FIG. 4, a carbon fiber is used whose modulus of elasticity is notably higher. As an example of such a fiber, mention may be made of THORNEL 100 fiber, the characteristics of which are as follows
6 2
E = 6.89 x 106 daN / cm y = 1.94 g / cm3
Breaking tension = 34,000 daN / cm2
The dimensions of the rotor discs have been multiplied by the factor 1.333 and have therefore become a = 200 mm b = 105 mm c = 145 mm d = 25.2 mm e = 130 mm
All the other values, including the rotation speed of 42,000 revolutions / minute, were taken in the example according to FIG. 3. Here too, the circumferential tension in the titanium disc is below the breaking tension. of titanium 22. The circumferential tension 24 and the radial tension 23 in the magnet and in the zone between magnet and titanium disc remain within admissible limits.

L'empêchement de l'allongement du disque de titane par la valeur élevée du module d'élasticité des fibres de carbone, crée des tensions circonférentielles 25 élevées et une augmentation rapide des tensions circonférentielles par rapport au diamètre intérieur c du bobinage en fibres. La tension circonférentielle ou effort de traction maximal atteint la valeur de tension de rupture 26 des fibres choisies. L'effort de compression radiale 27 à l'intérieur de la résine augmente également de façon abrupte et provoque des tensions de compression 28 à l'intérieur de la resine dans le sens circonférentiel. Nëanmoins, les efforts de compression dans le sens radial 27 et dans le sens tangentiel 28 restent à l'intérieur des limites de la tension de rupture à la compression 29 de la résine époxy.The prevention of the elongation of the titanium disc by the high value of the modulus of elasticity of the carbon fibers creates high circumferential tensions and a rapid increase in the circumferential tensions relative to the internal diameter c of the fiber winding. The maximum circumferential tension or tensile force reaches the breaking tension value 26 of the fibers chosen. The radial compression force 27 inside the resin also increases abruptly and causes compression stresses 28 inside the resin in the circumferential direction. Nevertheless, the compression forces in the radial direction 27 and in the tangential direction 28 remain within the limits of the tensile strength at compression 29 of the epoxy resin.

La figure 5 représente une coupe longitudinale d'un mode de réalisation à deux disques du rotor proposé avec arbre creux et disques 1, ainsi qu'avec les aimants 2 et l'enroulement des disques au moyen de fibres de carbonado ou de filaments de bore 3. Les deux disques avec les aimants sont encadrés par les aimants excitateurs 30 en forme d'E. L'excitation des aimants s'effectue au moyen des bobines 31 (les lignes de champ magnétique sont marquées par la lettre B).FIG. 5 represents a longitudinal section of an embodiment with two discs of the proposed rotor with hollow shaft and discs 1, as well as with the magnets 2 and the winding of the discs by means of carbonado fibers or boron filaments 3. The two discs with the magnets are surrounded by the E-shaped exciter magnets 30. The magnets are excited by means of the coils 31 (the magnetic field lines are marked with the letter B).

La figure 6 est une vue en section transversale du rotor décrit ci-dessus aves ses aimants excitateurs 30 disposés uniformément au point de vue angulaire.Figure 6 is a cross-sectional view of the rotor described above with its exciting magnets 30 arranged uniformly from an angular point of view.

Les bobines 31 des aimants excitateurs sont parcourues par un courant triphasé avec ses trois phases R, S, T. Les douze aimants excitateurs forment trois groupes de quatre aimants qui sont raccordés symétriquement chacun à l'une des phases.The coils 31 of the exciting magnets are traversed by a three-phase current with its three phases R, S, T. The twelve exciting magnets form three groups of four magnets which are symmetrically connected to one of the phases.

Les exemples que montrent les figures 2 et 5 comportent douze aimants excitateurs et douze aimants dans le disque de rotor.The examples shown in Figures 2 and 5 include twelve exciting magnets and twelve magnets in the rotor disc.

Suivant les dimensions et formes des disques, on peut avoir des modes de réalisation comportant 6 ou 24 ou 48, etc paires d'aimants.Depending on the dimensions and shapes of the discs, there may be embodiments comprising 6 or 24 or 48, etc. pairs of magnets.

Les pièces 32 et 33 assurent le maintien en place et le centrage des aimants excitateurs 30. La figure 7 montre dans une coupe partielle suivant le cercle où sont disposés des aimants 2 montés dans le disque 1, la façon, bien connue en soi, dont travaillent un moteur électrique et un générateur synchrone.The parts 32 and 33 ensure the holding in place and the centering of the exciter magnets 30. FIG. 7 shows in a partial section along the circle where magnets 2 mounted on the disc 1 are arranged, the way, well known per se, of which work an electric motor and a synchronous generator.

On a représenté sur la figure 8 un convertisseur d'énergie suivant le principe de la présente invention comportant des aimants de rotor à excitation séparée ou indépendante. Au lieu d'aimants permanents 2, les aimants montés dans le disque sont des aimants en fer doux avec noyau 35 et bobine excitatrice 36. Le courant d'excitation pour les bobines 36 est fourni par un générateur 40 comportant un aimant de rotor 41 et un aimant d'excitation 42. Le générateur d'excitation 40 monté sur le bout d'arbre du corps de rotor 1 fonctionne suivant le même principe que le rotor en fonctionnement de générateur.FIG. 8 shows an energy converter according to the principle of the present invention comprising rotor magnets with separate or independent excitation. Instead of permanent magnets 2, the magnets mounted in the disc are soft iron magnets with core 35 and excitation coil 36. The excitation current for the coils 36 is supplied by a generator 40 comprising a rotor magnet 41 and an excitation magnet 42. The excitation generator 40 mounted on the shaft end of the rotor body 1 operates on the same principle as the rotor in generator operation.

Le courant alternatif d'excitation fourni par le générateur 40 est amené par le câble 43 au redresseur de courant 44.The alternating excitation current supplied by the generator 40 is brought by the cable 43 to the current rectifier 44.

Après redressement le courant d'excitation passant par le conducteur 39 est amené aux bobines 36.After rectification the excitation current passing through the conductor 39 is brought to the coils 36.

Sur la figure 9 est montré un exemple de réalisation dans lequel le corps métallique du rotor 1 est constitué par un disque plein 45 affectant la forme d'un disque hyperbolique.In FIG. 9 is shown an exemplary embodiment in which the metal body of the rotor 1 is constituted by a solid disc 45 having the shape of a hyperbolic disc.

Grâce à sa forme, ce disque présente une densité d'énergie élevée. Dans un tel disque, l'effort de traction radial est'égal à l'effort de traction tangentiel. Dans de tels disques 45, des aimants 2, repartis uniformément sur la circonférence, sont engages dans des logements et les disques portent un enroulement de fibres de carbone 3. Dans ces disques pleins hyperboliques 45, on utilise de façon particulièrement avantageuse pour le corps metallique 45 en liaison avec l'enroulement en fibres de carbone, outre les alliages de titane, des alliages d'aluminium à haute résistance.Thanks to its shape, this disc has a high energy density. In such a disc, the radial tensile force is equal to the tangential tensile force. In such discs 45, magnets 2, distributed uniformly around the circumference, are engaged in housings and the discs carry a winding of carbon fibers 3. In these solid hyperbolic discs 45, use is made in a particularly advantageous manner for the metallic body. 45 in conjunction with the carbon fiber winding, in addition to the titanium alloys, high-strength aluminum alloys.

Lorsque le disque plein hyperbolique est en acier, il faut que l'enroulement en matériau à fibres 3 soit fait avec des fibres de carbone ou bien avec des filaments de bore dont le module d'élasticité est égal au double de celui de 1 'acier. When the hyperbolic solid disc is made of steel, the winding of fiber material 3 must be made with carbon fibers or else with boron filaments whose modulus of elasticity is twice that of steel. .

Les éléments de rotor eux-mêmes doivent être montés dans des douilles 55 en matériau non-ferreux résistant aux pressions élevées afin d'éviter la formation d'un flux magnétique dans le disque en acier.The rotor elements themselves must be mounted in sockets 55 made of non-ferrous material resistant to high pressures in order to avoid the formation of a magnetic flux in the steel disc.

Deux disques avec l'aimant de stator en forme d'E 56 et avec l'enroulement 57 peuvent représenter aussi bien un ensemble convertisseur d'énergie que, simultanément, un ensemble accumulateur d'énergie, grâce à la capacité d'accumulation d'énergie élevée des disques pleins hyperboliques 45. L'assemblage des disques 45 est effectué au moyen des boulons 54 et des bagues de centrage et de passage de boulon 48 et 49. Les enroulements de fibres de carbone 50, 51 empêchent la rupture des bagues 48, 49. L'espace qui se trouve au dessus de ces bagues peut être utilisé pour une accumulation d'énergie supplémentaire, comme le représentent les enroulements de fibres de carbone 52, 53. Two discs with the E-shaped stator magnet 56 and with the winding 57 can represent both an energy converter assembly and, simultaneously, an energy storage assembly, thanks to the storage capacity of high energy of the hyperbolic solid disks 45. The assembly of the disks 45 is carried out by means of the bolts 54 and of the centering and bolt passage rings 48 and 49. The carbon fiber windings 50, 51 prevent the rings 48 from breaking , 49. The space above these rings can be used for additional energy storage, as shown by the carbon fiber windings 52, 53.

La figure 10 représente un palier magnétique. Le rotor de palier constitué par les pièces 60,61, 62, 63 tourne sans contact entre les aimants de stator 64, 65. Pour réduire au maximum les pertes par courant de Foucault, le rotor est constitué par les lamelles en fer 61 qui sont centrées par l'anneau ae titane 60 et sont séparées les unes des autres par les éléments isolants 62. Pour obtenir les forces magnétiques nécessaires ou bien pour maintenir également aussi faibles que possible les forces magnétiques, il est nécessaire que les lamelles 61 aient une surface de rotation grande en corres pondance. Les forces tangentielles apparaissant entre les lamelles dans le rotor tournant à grande vitesse, sont absorbées par l'enroulement 63 en fibres de carbone ou en filaments de bore. Figure 10 shows a magnetic bearing. The bearing rotor constituted by the parts 60, 61, 62, 63 rotates without contact between the stator magnets 64, 65. To reduce as much as possible the eddy current losses, the rotor consists of the iron strips 61 which are centered by the titanium ring 60 and are separated from each other by the insulating elements 62. In order to obtain the necessary magnetic forces or else to keep the magnetic forces as low as possible, the lamellae 61 must have a surface of great rotation in correspondence. The tangential forces appearing between the lamellae in the rotor rotating at high speed, are absorbed by the winding 63 made of carbon fibers or boron filaments.

La figure 11 est une vue en coupe du rotor représenté sur-la figure 10. On a représenté sur les figures 12 et 13 un palier magnétique combiné axial/radial, et respectivement un palier magnétique axial. Une caractéristique pour ces-modes de réalisation est l'enroulement constitué pa-r une mince bande de fer doux et une bande de matériau renforcé par fibres de carbone ou par filaments de bore qui sont enroulées ensemble sur la bague 66 et la bague 71. Ces dernières bandes isolent la bande de fer doux et, de plus, absorbent les forces tangentielles provenant des masses en rotation de la bande en fer doux et du matériau renforcé par fibres ou filaments.Figure 11 is a sectional view of the rotor shown in Figure 10. There is shown in Figures 12 and 13 a combined axial / radial magnetic bearing, and respectively an axial magnetic bearing. A characteristic for these-embodiments is the winding made up of a thin strip of soft iron and a strip of material reinforced with carbon fibers or with boron filaments which are wound together on the ring 66 and the ring 71. These latter strips isolate the strip of soft iron and, moreover, absorb the tangential forces originating from the rotating masses of the strip of soft iron and of the material reinforced by fibers or filaments.

Dans le palier combiné axial/radial, il y a deux enroulements de bande en fer doux 67 qui sont séparés par un enroulement ae matériau renforcé par fibres ou par un entrefer 69, de façon à faire obstacle à un flux magnétique allant d'un aimant 70 à un aimant 70 opposé.In the combined axial / radial bearing, there are two windings of soft iron strip 67 which are separated by a winding of fiber reinforced material or by a gap 69, so as to obstruct a magnetic flux going from a magnet 70 to an opposite magnet 70.

Dans le palier axial ou de butée,les disques-couvercles 74absorbent les contraintes de flexion provenant des forces magnétiques axiales. Afin d'absorber les couples de flexion et les contraintes provoquées par la rotation, les disques-couvercles en alliage à base de titane ont un contour extérieur hyperbolique.In the axial or thrust bearing, the cover discs 74 absorb the bending stresses coming from the axial magnetic forces. In order to absorb the bending torques and the stresses caused by rotation, the titanium-based alloy disc-covers have a hyperbolic outer contour.

On a représenté en outre, à la figure 14 l'induction B1 dans l'aimant 75 et l'induction B2 dans la bande en fer doux des enroulements 67 et 72.FIG. 14 also shows the induction B1 in the magnet 75 and the induction B2 in the soft iron strip of the windings 67 and 72.

La figure 15 montre l'application de l'invention à un dispositif convertisseur d'énergie se présentant sous la forme d'un volant en cylindre creux 81, la figure montrant également le montage du rotor 82 selon l'invention. L'aimant de stator en forme d'E 84 est monté dans un carter 91 muni d'ailettes de refroidissement. Un couvercle de fermeture 92 permet de guider le passage d'air de refroidissement ou de liquide-de refroi dissement dans les canaux annulaires 93. Les corps de rotation 81, 82 sont montés dans des paliers magnétiques sans contact 83. Les forces magnétiques radiales sont produites par les aimants 85. Grâce aux lamelles 83 et aux aimants d'excitation supplémentaires 86, le palier radial joue également le rôle de palier axial.FIG. 15 shows the application of the invention to an energy converter device in the form of a hollow cylinder flywheel 81, the figure also showing the mounting of the rotor 82 according to the invention. The E-shaped stator magnet 84 is mounted in a casing 91 provided with cooling fins. A closing cover 92 makes it possible to guide the passage of cooling air or coolant-coolant in the annular channels 93. The rotation bodies 81, 82 are mounted in non-contact magnetic bearings 83. The radial magnetic forces are produced by the magnets 85. Thanks to the blades 83 and to the additional excitation magnets 86, the radial bearing also plays the role of axial bearing.

Le carter cylindrique 89 qui sert de logement au volant en cylindre creux 81 tournant dans le vide est fait en alliage d'aluminium à résistance élevée et comporte des nervures monobloc afin de lui assurer une stabilité suffisante contre la pression extérieure malgré un poids aussi réduit que possible.The cylindrical casing 89 which serves as a housing for the hollow cylinder flywheel 81 rotating in a vacuum is made of high-strength aluminum alloy and has one-piece ribs in order to provide it with sufficient stability against external pressure despite a weight as low as possible.

Les paliers d'épaulement à billes 87 servent de supports de secours en cas de défaillance éventuelle des paliers métal liques. Les coussinets avec l'élément amortisseur élastique en caoutchouc doivent être calculés de telle sorte que le système se trouve presqu'exclusivement dans le régime de vitesse de rotation surcritique.The ball shoulder bearings 87 serve as emergency supports in the event of failure of the metal bearings. The bearings with the elastic rubber damping element must be designed so that the system is almost exclusively in the supercritical speed regime.

Le rendement extrêmement élevé que le convertisseur d'énergie possède aux régimes de vitesse de rotation très élevés lui ouvre de nouvelles possibilités d'utilisation aussi bien dans le secteur civil que dans le secteur militaire. En raison de leur rapport élevé énergie/poids et puissance/poids, les générateurs de chocs à haute performance réalisés suivant le principe propose par la présente invention peuvent trcuver une utilisation dans le domaine de la fusion nucléaireetdela technique des armes à rayon laser. En tant que système moteur pour véhicules, il est largement supérieur aux commandes d'entrainement par batteries en ce qui concerne la puissance compte tenu de l'absorption et de la restitution d'énergie. The extremely high efficiency that the energy converter has at very high speed revolutions opens up new possibilities for use in both the civilian and military sectors. Because of their high energy / weight and power / weight ratio, high performance shock generators produced according to the principle proposed by the present invention can find use in the field of nuclear fusion and the technique of laser beam weapons. As an engine system for vehicles, it is far superior to battery drive controls in terms of power given the absorption and return of energy.

Claims

RevendicationsClaims

1. Accumulateur d'énergie à volant comportant un rotor synchrone à disques tournant à vitesse extrêmement élevée destiné à la conversion de l'énergie et un palier magnétique axial et/ou radial constitué par un corps de rotation tournant à vitesse extrêmement élevée ayant pour rôle la création de forces magnétiques agissant axialement et/ou radialement, ca ractérisé en ce que des aimants permanents cylindriques (2) ou des aimants en fer doux (35) avec bobine d'excitation (36) sont enfoncés force dans des forages (la) axiaux répartis uniformk- ment sur la carconférence de disques en métal (1), le disque en métal ou les disques en métal (1) étant munis sur leur périphérie d'un enroulement (3) en matériau composite renforcé par des fibres, et le palier magnétique ou les paliers magnétiques (100, 101, 102) étant munis d'enroulements (63, 68, 73) en matériau composite renforcé par des fibres1. Flywheel energy accumulator comprising a synchronous disc rotor rotating at extremely high speed intended for energy conversion and an axial and / or radial magnetic bearing constituted by a rotating body rotating at extremely high speed having the role of the creation of magnetic forces acting axially and / or radially, ca charactérisé in that cylindrical permanent magnets (2) or soft iron magnets (35) with excitation coil (36) are forced into holes (la) axially distributed uniformly on the shape of metal discs (1), the metal disc or metal discs (1) being provided on their periphery with a winding (3) of fiber-reinforced composite material, and the magnetic bearing or the magnetic bearings (100, 101, 102) being provided with windings (63, 68, 73) of fiber-reinforced composite material

2. Accumulateur d'énergie selon la revendication 1, caractérisé en ce que le matériau du disque (1) du rotor à disques synchrone est constitué par des alliages de titane, et en ce que les enroulements (3) des disques sont faits en fibres de carbone ou en filaments de bore.2. Energy accumulator according to claim 1, characterized in that the material of the disc (1) of the synchronous disc rotor consists of titanium alloys, and in that the windings (3) of the discs are made of fibers. carbon or boron filaments.

3. Accumulateur d'énergie selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les disques (1) avec enroulement en matériau renforcé par des fibres (3) et avec aimants (2, 35) sont entourés par des aimants en fer doux (30) avec bobine d'excitation (31) en forme d'U ou de C lorsque le rotor synchrone est un rotor à un seul disque, et par des aimants en fer doux en forme d'E lorsque le rotor synchrone est un rotor à deux disques.3. Energy accumulator according to claim 1 or 2, characterized in that the discs (1) with winding in material reinforced by fibers (3) and with magnets (2, 35) are surrounded by soft iron magnets ( 30) with U-shaped or C-shaped excitation coil (31) when the synchronous rotor is a single disc rotor, and by E-shaped soft iron magnets when the synchronous rotor is a rotor two discs.

4. Accumulateur d'énergie selon une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que, lorsque le rotor synchrone à disques fonctionne en tant que moteur, il travaille comme rotor d'un moteur électrique synchrone, et, à l'aide de la synthèse de courant alternatif, il est produit dans les aimants d'excitation (39) par des transistors de puissance un champ magnétique tournant en synchronisme avec le rotor, tandis que, lorsque le dispositif fonctionne en tant que générateur, les aimants tournants (2, 35) engendrent une tension électrique dans les bobines (31) des aimants en fer doux (39).4. Energy accumulator according to any one of claims 1 to 3, characterized in that, when the synchronous disc rotor operates as a motor, it works as the rotor of a synchronous electric motor, and, using the synthesis of alternating current, there is produced in the excitation magnets (39) by power transistors a magnetic field rotating in synchronism with the rotor, while, when the device operates as a generator, the rotating magnets (2 , 35) generate an electrical voltage in the coils (31) of the soft iron magnets (39).

5. Accumulateur d'énergie selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le disque (1) du rotor est un disque plein (45) à contour hyperbolique.5. Energy accumulator according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the disc (1) of the rotor is a solid disc (45) with hyperbolic outline.

6. Accumulateur d'énergie selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que deux disques pleins (45) sont réunis de façon à former une paire de disques et sont reliés par les bagues de centrage de disques et de logement de boulons (48, 49) munies d'enroulements de matériau renforcé par fibres ou par filaments (50, 51).6. Energy accumulator according to any one of claims 1 to 5, characterized in that two solid discs (45) are joined so as to form a pair of discs and are connected by the disc centering rings and housing bolts (48, 49) provided with windings of fiber or filament reinforced material (50, 51).

7. Accumulateur d'énergie selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le corps de rotation du palier magnétique radial (100) est constitué par des lamelles de fer doux (61) qui sont disposées dans le sens radial autour d'une douille en matériau non-métallique (60) et sont reliées par des plaquettes (62) en feuille de fibres de verre ou de carbone pré-imprégnée à l'aide de résine époxy isolante.7. Energy accumulator according to any one of claims 1 to 6, characterized in that the body of rotation of the radial magnetic bearing (100) consists of soft iron strips (61) which are arranged in the radial direction. around a sleeve made of non-metallic material (60) and are connected by plates (62) made of glass fiber or carbon sheet prepreg using insulating epoxy resin.

8. Accumulateur d'énergie selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que, lorsque le dispositif comporte un palier magnétique combiné (101) axial et radial, une bande en feuillard de fer doux, avec une bande en fibres de carbone ou en filaments de bore et une colle de résine époxy est enroulée sur la douille en métal (66) en deux enroulements (67) identiques séparés par un entrefer ou par un enroulement en fibres ou filaments isolants (69), et est munie d'un enroulement final (68) formé par une bande de fibres de carbone ou de filaments de bore, et en ce que les deux enroulements (67) sont munis latéralement de phases symétriques pour obtenir la valeur et la direction voulues cie forces magnétiques. 8. Energy accumulator according to any one of claims 1 to 7, characterized in that, when the device comprises a combined magnetic bearing (101) axial and radial, a strip of soft iron strip, with a strip of fibers of carbon or boron filaments and an epoxy resin adhesive is wound on the metal sleeve (66) in two identical windings (67) separated by a gap or by a winding in insulating fibers or filaments (69), and is provided a final winding (68) formed by a strip of carbon fibers or boron filaments, and in that the two windings (67) are provided laterally with symmetrical phases to obtain the desired value and direction cie magnetic forces.

9. Accumulateur d'énergie selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que, lorsque le palier magnétique est un palier de butée ou axial (102), un enroulement (72) formé par une bande de fibres de carbone ou de filaments de bore munie d'une colle à la résine époxy est posé sur la douille (71) et est muni d'un enroulement final (73) formé par une bande des mêmes matériaux, des disques (74) à contour extérieur hyperbolique en alliage de titane étant collés sur les surfaces latérales à l'aide de résine époxy. 9. Energy accumulator according to any one of claims 1 to 8, characterized in that, when the magnetic bearing is a thrust or axial bearing (102), a winding (72) formed by a strip of carbon fibers or boron filaments provided with an epoxy resin adhesive is placed on the sleeve (71) and is provided with a final winding (73) formed by a strip of the same materials, discs (74) with hyperbolic outer contour made of titanium alloy being bonded to the side surfaces using epoxy resin.