Brevet FR2260890A1 — publié le 19750905

L'invention concerne le refroidissement des machines électriques. On sait que la puissance d'une machine électrique est limitée par ltechauf- fement de ses enroulements. En effet, la durée de vie de l'isolation électrique décroît lorsque la température augmente. I1 est donc intéressant, pour augmenter la puissance d'une machine électrique, d'améliorer les échanges thermiques entre ses parties actives où sont dissipées les pertes calorifiques, et le fluide de refroidissement. Dans un système de refroidissement par circulation d'air cette amélioration peut être obtenue par une augmentation sélective des vitesses d'air, mais cette augmentation se heurte notamment à des impératifs dimensionnels, et, de toute façon, ne s'obtient qu'au prix d'une augmentation de la puissance consommée, ce qui pénalise le système. On a donc cherché à remplacer, comme fluide de refroidissement, l'air par un fluide caloporteur plus efficace. L'utilisation de l'hydrogène dans les grosses machines électriques tournantes est bien connue, de même que la circulation d'eau dans les enroulements du rotor et du stator de ces machines. Hais ces deux procédés supposent une technologie poussée, notamment technologie des joints, et ils soulèvent notamment dea problèmes de sécurité dans le premier cas et des problèmes d'alimentation en eau et de régénération de cette eau dans le deuxième cas. Dans le système selon l'invention, l'eau est utilisée, mais en faible quantité, et, au lieu de la substituer a l'air comme fluide de refroidissement, c'est un brouillard d'eau qui sert d'agent de refroidissement. L'invention a, ainsi, pour objet un procédé de refroidissement d'une machine électrique tournante par circulation d'un fluide de refroidissement dans la machine, caractérisé en ce que ce fluide de refroidissement est constitué, au moins partiellement, par un mélange de gaz et de gouttelettes d'eau. Ce mélange de gaz et de gouttelettes d'eau est avantageusement effectué à l'intérieur de la machine par injection d'eau en plusieurs points d'un circuit de circulation de gaz. Dans les systèmes habituels de refroidissement par gaz, ce gaz s'échauffe en absorbant des calories que lui cèdent les pièces à refroidir. Si l'on pulvérise de l'eau dans ce gaz, tout ou partie de cette eau se vaporise jusqu'à ce que le gaz soit saturé. L'échauffement du gaz est moindre que dans le cas classique, car l'eau, en se vaporisant, absorbe une grande quantité de chaleur. Par ailleurs, les coefficients d'échange superficiels d'une pièce soumise à une circulation de gaz humide sont meilleurs, à vitesse égale, que ceux de la même pièce soumise à une circulation de gaz sec. Le gain global est donc double, du fait que le fluide caloporteur s'échauffe moins et du fait que le transfert de chaleur de la pièce a refroidir vers le fluide caloporteur est meilleur. On peut, ainsi, pour un morne débit de gaz, soit diminuer l'échauffement de la pièce en -conservant la puissance à dissiper, soit augmenter la puissance à échauffement égal. En se réferant aux deux figures schématiques ci-jointes, on va décrire deux exemples de mise en oeuvre de l'invention qui sont donnés à titre non limitatif et qui permettront de faire ressortir d'autres caractéristiques de l'invention. Ces deux figures représentent chacune une coupe axiale d'une machine électrique tournante, la figure 1 dans le cas d'une machine "ouverte et la figure 2 dans le cas d'une machine "fermée". Dans le premier cas, selon la figure 1, de l'air de refroidissement est puisé en dehors de la machine et entre dans celle-ci par des orifices 1, suivant les flèches 2, sous l'action d'un ou de plusieurs ventilateurs 3. Cet air circule dans la machine en enlevant de la chaleur aux parties actives de la machine et retourne à l'extérieur par un orifice 4 suivant les flèches 5. A l'intérieur de la machine1 une partie de l'air, suivant les flèches 6, passe dans des conduits radiaux 7 ménagés dans le circuit magnétique du rotor et du stator, tandis qu'unie autre partie de l'air, guidée par des capots 8, circule, suivant les flèches 9, autour des têtes d'enroulement statorique 10.A proximité de ces têtes d'enroulement 10, à l'intérieur de l'espace délimité par les capots 8, on a disposé des pulvérisateurs 11 d'une eau de refroidissement arrivant de l'extérieur par des canalisations 12. Des pulvérisateurs peuvent être disposés en d'autres points du circuit de circulation d'air. Ces pulvérisateurs mélangent des gouttelettes d'eau à l'air de refroidissement. A la sortie de la machine, l'air humide retourne à l'atmosphère. Ainsi, le circuit d'eau est ouvert tout comme le circuit d'air. Dans le deuxième cas, selon la figure 2, on évite que l'intérieur de la machine ne soit endommagé par une atmosphère sale, corrosive, abrasive... Pour cela, les parties actives sont enfermées dans une enceinte étanche 13 équipée d'un échangeur thermique 14. De l'air "intérieur" circule en circuit fermé sur les parties actives à refroidir d'une manière analogue à celle décrite à l'aide de la figure 1 et va céder des calories sur une des faces de l'échangeur 14. L'autre face de l'échangeur 14 est léchée par un fluide de refroidissement extérieur (air ou eau) circulant suivant les flèches 15 en circuit ouvert. Dans le système selon l'invention, la machine électrique dispose, sur son circuit intérieur, d'un bac 16 formant réserve d'eau, dans lequel une pompe 17 puise pour alimenter les pulvérisateurs 11 situés en divers points de la machine. Après avoir refroidi les parties actives de la machine, la vapeur d'eau se condense sur ltechangeur 14 et retourne au bac 16. Comme l'étanchéité de la machine n'est pas absolue, des appoints. permettent de compenser les légères pertes d'eau, mais la consommation reste faible. On a supposé dans le cas de la figure 2 que le gaz intérieur était de l'air, mais il pourrait aussi être par exemple du gaz carbonique, de l'azote, de l'hydrogène, de l'hexafluorure de soufre... Pour certains types de machines électriques (machines à collecteur et balais), la pulvérisation d'eau présente un avantage supplémentaire en améliorant la conutation. Il est à noter que les améliorations apportées aux systèmes d'isolation ces dernières années (étanchéité durable) permettent d'accepter la présence d'une forte humidité dans la machine électrique. REVENDICATIONS 1/ Procédé de refroidissement d'une machine électrique par circulation d'un fluide de refroidissement dans la machine, caractérisé en ce que ce fluide de refroidissement est constitué, au moins partiellement, par un mélange d'un gaz et de gouttelettes d'eau. 2/ Procédé de refroidissement selon la revendication 1, caractérisé en ce que le mélange de gaz et de gouttelettes d'eau est effectué à l'intérieur de la machine électrique par injection d'eau en plusieurs points (11) d'un circuit de circulation de gaz (2, 9, 5). 3/ Procédé de refroidissement selon la revendication 2, appliqué à une machine electrique tournante, caractérisé en ce que des points d'injections d'eau (11) sont situés dans la région des têtes d'enroulement statorique de la machine (10). 4/ Procédé de refroidissement selon la revendication 2 ou la revendication 3, dans lequel un gaz intérieur circule en circuit fermé à l'intérieur de la machine et vient se refroidir sur des échangeurs de chaleur parcourus par un fluide extérieur, caractérisé en ce que l'eau injectée est récupérée (16) après condensation sur lesdits échangeurs de chaleur (14) et réinjectée (11) dans le circuit ferme de gaz, de manière à circuler également en circuit fermé.