Brevet FR2000781A1 — publié le 19690912

La présente invention concerne un dispositif pour refroidir la zone du collecteur et des balais des machines électriques et, plus particulièrement, un dispositif pour faire dévier un courant d'air froid tourbillonnant ayant une vitesse relativement élevée, le long des surfaces du collecteur et des balais, et pour évacuer une partie de l'air chaud. Le refroidissement des collecteurs et des balais des moteurs et génératrices est un problème qui se présente perio- diquement et dont la difficulté augmente. La conception moderne qui vise à la compacité des moteurs et génératrices aboutit à augmenter la densité de courant aux balais des machines à courant continu de sorte que le refroidissement des balais aussi bien que celui du collecteur est le problème thermique le plus critique et impose souvent des limites aux surcharges et aux échauffements tolorés. Les limites fixées des échauffements correspondant à des valeurs particulières des surcharges et des quantités de chaleur dégagée dépendent généralement de la conception particulière de chaque machine. Le refroidissement classique de la zone des balais et du collecteur des machines à courant continu, aussi bien que celui des ensembles à bagues collectrices des machines synchrones à courant alternatif, est basé sur la circulation de l'air qu'en traîne la rotation des pièces telles que le collecteur pour obtenir une auto-ventilation. Cependant, cette auto-ventilation produit habituellement une recirculation locale de l'air chauffé qui est maintenu le long de la surface du collecteur et des surfaces des balais, ce qui empêche un refroidissement efficace. Un autre procédé classique pour refroidir la zone du collecteur et des balais des machines électriques consiste en l'utilisation d'un ventilateur monté sur ltextremité de l'arbre de la machine au voisinage de l'ensemble collecteur-balais de façon à débiter un courant d'air de refroidissement orienté parallèlement à l'axe du collecteur. Dans l'utilisation d'un ventilateur, la difficulté réside dans le fait que le courant d'air froid n'est pas refoulé vers l'intérieur pour lécher les surfaces du collecteur et des balais mais qu'il passe plutôt le long de la surface intérieure de la carcasse entourant la machine électrique. I1 en résulte que l'air de refroidissement ne vient pas en contact effectif avec les surfaces chaudes du collecteur et des balais et que, par conséquent, il est relativement inefficace pour l'obtention du refroidissement désiré. De plus, si l'air de refroidissement entre en contact avec des surfaces autres que les surfaces chauffées de la zone collecteur-balais, il s'échauffe inutilement et ce phénomène n'est absolument pas souhaitable du fait que cet air se déplace ensuite longitudinalement entre le rotor et le stator jusqu'à l'autre extrémité de l'arbre de la machine, ce qui réalise un refroidissement inefficace de la zone rotor-stator de la machine. Par conséquent, la présente invention vise essentiellement à réaliser un perfectionnement au refroidissement de la zone collecteur-balais des machines électriques. L'invention vise également à évacuer une partie de l'air le plus chaud qui a été échauffé par les surfaces des balais et du collecteur de façon à réduire leurs températures et à réduire également la température de cet air de refroidissement qui continue à se déplacer longitudinalement entre le rotor et le stator de la machine pour les refroidir de façon plus efficace. En bref, la présente invention consiste en un dispositif pour refroidir la zone du collecteur et des balais, ou la zone des bagues collectrices, des machines électriques. Ce dispositif comprend un ensemble d'organes déflecteurs qui font dévier un courant tourbillonnaire d'air froid le long des surfaces du collecteur et des balais. Ce courant tourbillonnaire d'air froid est débité par un ventilateur fixé à une première extrémité de l'arbre de la machine et il est dirigé le long des surfaces extérieures de l'ensemble des balais dans le sens de rotation de la machine. Un certain nombre d'éléments déflecteurs agissent comme des chicanes entre les balais consécutifs et font dévier le courant tourbillonnaire d'air froid à une vitesse relativement élevée le long d'une première surface de chaque balai pour qu'il atteigne la surface du collecteur, pour qu'il circule le long de cette surface et, ensuite, pour qu'il circule, en s 'écartant du collecteur, le long d'une seconde surface d'un balai voisin. On peut prévoir de petites ouvertures ménagées dans la carcasse de la machine, qui entoure le ventilateur, l'ensemble collecteur-balais et l'ensemble rotor-stator, chaque ouverture étant située entre un élément déflecteur et la seconde surface du balai suivant de façon à évacuer une partie de l'air tourbillonnaire le plus chaud qui a été chauffé par les surfaces du collecteur et des balais, ce qui permet de du'ire leurs températures. Le reste de l'air tourbillonnaire chaud effectue le refroidissement de l'ensemble du rotor et du stator. L'invention sera mieux comprise dans son principe et son fonctionnement à l'aide de la description suivante d'une forme de réalisation donnée à titre d'exemple et en se référant au dessin annexé dans lequel La figure 1 est une vue latérale, avec coupe partielle, de la moitié supérieure d'une machine électrique mettant en oeuvre le dispositif de refroidissement suivant l'invention. La figure 2 est une représentation en perspective, avec coupe partielle suivant 2-2 de la figure 1. Si l'on se réfère maintenant à la figure 1, celleci illustre une partie de la moitié supérieure d'une machine électrique comprenant les détails du dispositif de refroidissement réalisé suivant la présente invention. La machine comprend un arbre tournant 3 sur lequel sont montés de façon convenable un rotor 4, un collecteur 5, un roulement à billes 6 et un ventilateur 7. I1 est à noter que le ventilateur 7 est monté sur une première extrémité de l'arbre 3, que le rotor 4 est monté à proximité de la seconde extrémité de cet arbre et que le collecteur 5 est monté entre le ventilateur et le rotor. L'utilisation d'un collecteur indique que la machine de la figure 1 est du type à courant continu, moteur ou génératrice, mais il est évident que la présente invention s'applique également aux machines synchrones à courant alternatif utilisant des ensembles à bagues collectrices qui sont également sujets à l'échauffement. Un stator 8, situé à une certaine distance radiale du rotor 4, est monté de façon à entourer ce dernier. Le stator 8 est monté sur un châssis convenable 9 relié à une carcasse ou enveloppe extérieure 10 qui entoure le stator, le collecteur et le ventilateur. La carcasse 10 est coaxiale à l'arbre 3 et s'étend sur la longueur de la machine électrique pour l'entourer suivant toute la longueur de l'arbre dans un but qui sera expliqué plus loin. Un certain nombre de balais 11 sont montes à poste fixe par rapport au collecteur 5 de façon à réaliser avec ce dernier les contacts glissants nécessaires. Dans la forme particulière de réalisation qui est illustrée en figures 1 et 2, une paire de balais est portée par chaque élément d'un porte balais 12, étant entendu que l'on peut utiliser dans la présente invention un ou plusieurs balais montés, le long du collecteur. Les balais sont décalés angulairement à la périphérie du collecteur, la figure 2 montrant un décalage des balais de 90 , étant entendu que l'on peut utiliser n'importe quel nombre de paires de balais comme il est classique dans la technique des machines élec- triques à courant continu. Le porte balais 12 n'est pas représente en figure 2 du fait qu'il est de conception classique. I1 est xisé solidement en position, grâce à un dispositif de liaison conven2= ble, sur un organe rigide 13, en forme de disque, porté par le roulement à billes 6. Les éléments décrits jusqu'ici constituent une machine électrique classique à courant continu dans laquelle le ventilàteur 7 dirige un courant d'air froid coaxialement au col- lecteur, depuis l'extrémité de l'arbre 3 correspondant au ventil teur jusqu'S son extrémité correspondant au rotor. Comme on l'a indiqué précédemment, le désavantage de ce type de refroidisse-enty consiste en ce que l'écoulement de l'air s'effectue le long de surface intérieure de la carcasse 10 et que seule une quantité minimale d'air de refroidissement vient en contact effectif avec les surfaces chaudes du collecteur et des balais, ce qui réalise un refroidissement tout à fait inefficace de ces pièces. La présente invention permet de faire dévier le courant d'air froid débité par le ventilateur 7 de façon à obtenir un contact direct de l'air avec les surfaces chauffées des balais et du collecteur. Cette déviation de l'air froid fournit une différence de température maximale entre le réfrigérant (l'air froid) et les surfaces chauffées de façon à réaliser le refroidissement le plus efficace. La présente invention permet également d'évacuer une partie de l'air le plus chaud, qui a é réchauffé par les surfaces du collecteur et des balais, de façon à aider au refroidissement de ces surfaces et à permettre égale- ment au reste de l'air, qui passe longitudinalement entre le roto et le stator ainsi qu'entre le stator et la carcasse, d'etre à UÇ température moins élevée, ce qui fournit également un refroidisse- ment plus efficace de ces régions de la machine. L'air froid débité par le ventilateur 7 est un courant tourbillonnaire d'air dirigé le long de la surface intérieure de la carcasse 10, dans la région qui est à proximité immédiat de sa sortie des pales 7a du ventilateur, comme l'illustrent les flèches d'écoulement de la figure 1 dont les pointes montrent le sens de l'écoulement. I1 est à noter que cet écoulement (ainsi que l'écoulement dévié qui sera décrit plus loin) continue à s'effec- tuer circonférentiellement à l'arbre 3 en progressant longitudinac lement par rapport à lui. A l'approche de la zone de l'ensemble des balais, le courant tourbillonnaire d'air froid continue à s'effectuer à la fois dans des directions longitudinales par rapport à l'arbre 3 et dans le sens de rotation de la machine, ce dernier correspondant au sens de rotation de 1' arbre représenté par la flèche 20 de la figure Z. Un ensemble d'organes déflecteurs du courant tourbillonnaire d'air froid, le faisant dévier vers le collecteur, comprend un certain nombre d'éléments déflecteurs équidistants 14, dont chacun est placé entre des balais consécutifs 11 répartis circonférentiellement, et s'étend longitudinalement par rapport au collecteur comme l'illustre plus clairement la figure 2. Les éléments déflecteurs 14 peuvent présenter n'importe quelle forme, une forme particulière que l'on a trouvée très utile étant celle d'une surface plane orientée sensiblement radialement et parallèle à l'axe longitudinal de l'arbre 3. Les éléments déflecteurs 14 sont placés chacun à proximité immédiate d'une première surface 21 d'une paire de balais et à une plus grande distance d'une seconde surface 22 de la paire suivante de balais. Les éléments déflecteurs peuvent être placés parallèlement à cette première surface 21 des balais ou bien converger avec elle. Le rapport des distances minimales entre d'une part un élément déflecteur et d'autre part la première et la seconde surfaces précédemment décrites d'un balai (ctest-à-dire au niveau du bord radialement le plus à l'intérieur de l'élément déflecteur) est de préférence de l'ordre de 2/1 à 5/1, mais il peut egalement avoir n'importe quelle valeur supérieure à 1. Les éléments déflecteurs 14 sont écartés de la surface du collecteur de façon que la distance radiale entre la surface de ce dernier et le bord le plus proche des éléments déflecteurs soit de l'ordre de 1/20 à 1/2 de la distance radiale entre la surface du collecteur et la surface interne de la carcasse 10. La largeur ou dimension longitudinale de chaque élément déflecteur est légèrement inférieure à la dimension longitudinale du collecteur. Les éléments déflecteurs 14 sont montés à poste fixe par rapport aux balais et dans une position radialement écartée du collecteur 5, sur un certain nombre de bras 16 qui s' éten- dent à partir de la base rigide 13 en forme de disque dans des directions qui s 'étendent à la fois radialement vers l'extérieur par rapport à l'arbre 3 et parallèlement à celui-ci. Chaque bras 16 porte un élément déflecteur 14 qui lui est relié d'une façon con venable. Les parties qui sont radialement les plus à l'extérieur des bras 16 sont reliées à la carcasse 10 de n'importe quelle fa çon convenable pour réaliser un support solide pour les éléments déflecteurs. Les ouvertures limitées par des parties, formant rayons 17, des bras 16 ménagent des passages de communication entre le ventilateur 7 et des conduits d'entré du courant d'air froid. I1 est à noter que l'on peut utiliser d'autres dispositifs pour monter les éléments déflecteurs 14 et que la présente invention ne se limite pas aux supports particuliers que l'on a décrits jus qu'ici; L'orientation des éléments déflecteurs, décrite précédemment et illustrée clairement en figure 2, transforme la composante tangentielle de l'air de refroidissement en une admission radiale qui est orientée par les conduits d'entrée dont les parois latérales sont les premières surfaces 21 des balais et les faces les plus proches des éléments déflecteurs 14. Une très petite partie de l'air total débité par le ventilateur 7 continue à se déplacer le long de la surface intérieure de la carcasse 10 et n'est pas dévié dans ces conduits d'entrée. La diminution de la distance entre la surface 21 et l'élément 14 en même temps que la diminution de la distance radiale par rapport au collecteur augmente la vitesse du courant tourbillonnaire d'air froid au cours de son passage entre ces éléments, lorsqu'il se dirige vers la surface du collecteur, à la fois dans la direction radiale, orientée vers l'arbre 3, et dans la direction axiale, comme l'indiquent les flèches du diagramme d'écoulement des figures 1 et 2. La rotation du collecteur 5 aide également à aspirer le courant d'air froid entre les bords libres des chicanes et la surface du collecteur. Ainsi, une majeure partie de l'air suit un trajet sensiblement en hélice c-'est-à-dire qu'il s'écoule à la fois longitudinalement et radialement par rapport à la surface du collecteur. Comme le montrent les flèches représentant l'écoulement des figures 1 et 2, l'air froid extérieur à la machine traverse le ventilateur 7 et il se déplace ensuite dans des directions à la fois longitudinales et radiales, orientées vers le collecteur, en passant par les conduits d'entrée (pour refroidir les surfaces 21 des balais). L'air se déplace ensuite le long de la surface du collecteur dans la région située entre cette surface et l'extrémi- té la plus proche des éléments déflecteurs (pour refroidir la surface du collecteur). L'air se déplace enfin dans des directions à la fois longitudinales et radiales, orientées vers l'extérieur, en s'écartant du collecteur par des conduits d'évacuation limités par les secondes surfaces 22 des balais suivants et par les faces les plus proches des éléments déflecteurs (pour refroidir les surfaces 22 des balais). L'air chaud s'écoulant par les conduits d'évacuation est distribué dans les espaces existants entre le rotor et le stator et il continue à se déplacer longitudinalement le long de ces éléments pour les refroidir. Cet air chaud traverse également le châssis ouvert 9 situé entre le stator 8 et la carcasse 10 et il y circule longitudinalement pour refroidir le stator. Finalement une partie de l'air tourbillonnaire le plus chaud est évacué par les ouvertures 15 ménagées dans la carcasse 10, si on utilise de telles ouvertures. Le nombre des ouvertures 15 est au moins égal au nombre des éléments déflecteurs 14, les ouvertures étant disposées avec des écartements angulaires uniformes autour de l'arbre 3 et étant placées entre les secondes surfaces 22 des balais et les éléments déflecteurs 14 de façon à évacuer une partie de l'air tourbillonnaire le plus chaud dirigé vers leextErieur par les conduits d'évacuation. A cause de la composante longitudinale du courant d'air existant dans l'ensemble collecteur-balais, le courant d'air le plus chaud se trouvant dans les conduits d'evacua- tion est orienté vers la carcasse 10 au niveau de l'extrémité du collecteur 5 la plus proche de l'ensemble rotor-stator. Pour cette raison, les ouvertures 15 sont de préférence ménagées dans la partie de la carcasse 10 correspondant approximativement à cette extrémité du collecteur 5. La longueur particulière du collecteur 5, la dimension des balais 11, la distance radiale entre la surface du collecteur et la carcasse 10, ainsi que la vitesse de rotation de l'arbre 3, sont les éléments principaux qui déterminent la position longitudinale exacte des ouvertures 15 de façon à ce qu'elles admettent une partie de l'air tourbillonnaire le plus chaud qui a été échauffé par les surfaces du collecteur et des balais. La dimension des ouvertures est déterminée par la quantité d'air nécessaire pour refroidir le stator, le rotor et le roulement à billes correspondant à l'arbre de sortie (non représenté) ainsi que par la résistance à 11 air offerte par le système et qui correspond le mieux aux possibilités pression-débit du ventilateur. Les ouvertures peuvent avoir n'importe quelle forme, telle qu'une forme rectangulaire, carrée ou circulaire, et peuvent éga lement être omises, si on le désire, en fonction des facteurs que l'on vient d'indiquer. A titre d'exemple de réalisation de la présente invention, les balais d'une génératrice à courant continu pour avion atteignaient avant l'utilisation de la présente invention, une température de 280 à 2850C pour une surcharge de 150 t ayant une durée de 3 minutes, la vitesse de l'arbre étant de 10.886 tours par minute. En mettant en oeuvre la présente invention, la température des balais était ramenée à 2500C. La température de la surface du collecteur ainsi que les températures du roulement cor- respondant à la sortie d'arbre et de l'enroulement d'induit (rotor) étaient également réduites d'une façon importante, ce qui indique que le courant réfrigérant avait également été augmenté d'une façon importante au-delà de l'ensemble collecteur-balais. La génératrice avait une puissance nominale de 9 kilowatts, une vitesse de 7.470 à 12.000 tours par minute, une longueur hors tout d'environ 280 mm et un diamètre extérieur de 140 mm. La longueur du collecteur, prise le long des balais, était d'environ 60 mm et son diamètre de 54 mm. Un ventilateur à quatre pales, combiné a le collecteur, produisait un débit d'air de 2 mètres cube par mr nute. Chaque élément déflecteur avait une longueur de 22 mm dansas le sens radial et une largeur de 44 mm dans le sens longitudinl et on avait laissé un espace de 6 mm entre la surface extérieur du collecteur et l'extrémité la plus proche des éléments déflecteurs. Chaque ouverture avait une longueur de 25 mm dans le sens circonférentiel et une largeur de 8 mm dans le sens longitudina D'après la description précédente, on peut se rez dre compte que la présente invention atteint les objectifs qu'elle s'était fixée en ce sens qu'elle rend disponible un dispositif déflecteur et d'évacuation permettant un refroidissement efficace de la zone collecteur-balais ou de la zone des bagues collectrices des machines électriques. Les éléments déflecteurs peuvent avoir une forme autre que la forme plane et peuvent être placés entre des balai consécutifs à n'importe quelle distance de ceux-ci, les distances particulières permettant d'obtenir le refroidissement le plus efficace étant déterminées par les dimensions de la machine élecu trique et par ses caractéristiques de fonctionnement. De plus, on peut modifier les dimensions, la forme et le nombre des ouverture res d'évacuation de l'air chaud ménagées dans la carcasse de la machine, si on utilise de telles ouvertures, en fonction des dimensions de la machine et de ses caractéristiques de fonctionnement. Finalement, on peut ajouter des chicanes radiales ou des éléments déflecteurs 14 pouvant avoir des formes telles que les ouvertures ne peuvent recevoir aucun courant d'air excepté celui provenant des conduits d'évacuation, ou bien telles que la totalité du courant d'air est orienté de façon à passer par les conduits d'entrée et d'évacuation. R E V E N D I C A T I O N S 1. Dispositif pour refroidir la zone du collecteur et des balais des machines électriques, caractérisé par lè fait qu'il comprend des moyens pour produire un courant tourbillonnaire d'air froid le long des surfaces extérieures de l'ensemble des balais d'une machine électrique, le tourbillonnement s'effectuant dans le sens de la rotation de la machine, et des organes déflecteurs du courant tourbillonnaire d'air froid qui le font passer le long d'une première surface des balais, l'amènent jusqu'à la surface du collecteur se trouvant entre des balais consécutifs, à une vitesse relativement élevée, et l'entratnent ensuite le long d'une seconde surface des balais suivants. 2. Dispositif suivant 1., caractérisé par le fait que les organes déflecteurs sont constitués d'éléments placés entre des balais consécutifs. 3. Dispositif suivant 1. ou 2., caractérisé par le fait que les éléments déflecteurs sont placés à proximité immédiate de la première surface des balais et à une plus grande distance de la seconde surface des balais suivants, grâce à quoi la faible distance, existant entre l'élément déflecteur et la première surface des balais, augmente la vitesse du courant tourbillonnaire d'air froid lors de son passage entre eux en direction de la surface du collecteur. 4. Dispositif suivant 2. ou 3., caractérisé par le fait que les éléments déflecteurs sont disposés parallèlement à l'axe du collecteur. 5. Dispositif suivant 4., caractérisé par le fait que les éléments déflecteurs sont montés suivant des directions radiales par rapport au collecteur et à une certaine distance de celui-ci de façon à ménager un passage pour l'air froid le Tong de sa surface, l'extrémité libre des éléments déflecteurs s'étendant entre les balais consécutifs et présentant une forme plane. 6. Dispositif suivant l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'il comprend en outre des organes supports permettant de maintenir les éléments déflecteurs dans une position fixe par rapport aux balais, et des moyens d'évacuation d'une partie de l'air chaud, qui a été échauffé par les surfaces des balais et du collecteur, pour contribuer à faire baisser leurs températures, les organes supports ménageant des passages de communication entre l'appareil débitant un courant d'air froid et les éléments déflecteurs. 7. Dispositif suivant 6., caractérisé par le fait que les moyens d'évacuation de l'air chaud sont constitués par un certain nombre d'ouvertures réalisées dans la carcasse de la machine électrique, sur laquelle sont montés les organes supports des éléments déflecteurs, une ouverture étant placée entre chaque élément déflecteur et la seconde surface associée des balais suivants de façon à évacuer une partie de l'air tourbillonnaire échauffé qui est évacué du collecteur entre l'élément déflecteur et la seconde surface des balais suivants. 8. Dispositif suivant 7., caractérisé par le fait que les ouvertures réalisées dans la carcasse sont petites, qu'elles sont uniformément réparties sur une rangée circulaire, qu'elles sont disposées à proximité de l'extrémité du collecteur qui est éloigné de l'appareil débitant de l'air froid, et en nombre égal au nombre des éléments déflecteurs. 9. Dispositif suivant l'une des revendications 6., 7., ou 8., caractérisé par le fait que les organes supports sont solidaires d'un organe rigide, en forme de disque, porté par l'arbre sur lequel est monté le collecteur, et un certain nombre de bras s'étendant à partir de ce disque, et constituant chacun un support pour l'élément déflecteur associé qui lui est relié. 10. Dispositif suivant 9., caractérisé par le fait que le disque support est séparé du collecteur dans le sens longitudinal et qu'il est placé entre ce dernier et l'appareil débitant de l'air froid, chacun des bras s'étendant, à partir du disque dans une direction s'écartant radialement de l'arbre et dans une direction parallèle à l'arbre, les parties des bras les plus éloignées radialement étant reliéesà la carcasse de la machine électrique. 11. Dispositif suivant 3., caractérisé par le fait que le rapport de la distance minimale entre chaque élément déflecteur et la seconde surface des balais suivants, à la distance entre l'élément déflecteur et la première surface des balais, est de l'ordre de 2/1 à 5/1. 12. Dispositif suivant 11., caractérisé par le fait que ce rapport a une valeur supérieure à 1.