Brevet FR2278188A1 — publié le 19760206

La présente invention se réfère au refroidissement des machines électriques comportant des bobinages en partie contenus dans des encoches. Elle vise plus particulièrement, mais non uniquement, le cas des machines tournantes, moteurs ou génératrices0 On sait que de telles machines comprennent en principe un noyau magnétique fixe (stator) et un noyau magnétique mobile (rotor) dont au au moins présente des encoches dans lesquelles sont logés les parties reotilignes de bobines d'enroulements oes parties se trou vant réunies, de par la disposition classique des bobinages de ces machines, par des portions situées de part et d'autre du noyau coneidéré, extérieurement aux encoches et appelées communément "têtes de bobines". Une fraction importante des pertes inévitables dans de telles machines apparat dans les bobines et provoque l'échauffe- ment de celles-ci. la chaleur engendrée dans les têtes est aisément évacuée par une ventilation appropriée, mais par contre, en ce qui concerne la partie des bobines logée dans les encoches, ltémacua- tion des calories est en général moins efficace; elle sseffectue par conductrice entre les conducteurs constituant les bobines et les tales du noyau magnétique, à travers les isolants d'encoche, le noyau étant refroidi par ventilation directe ou à travers la carcas- se de la machine On aboutit ainsi à dea gradients de température entre les parties constitutives de la machin qui se traduisent en fait par une limitation de puissance susceptible d'être demandée normalement à la machine considérée. I1 est d'autre part connu d'assurer le refroidissement de certains organes dans des machines de tous genres, électriques ou RU- tres, en utilisant à cet effet des dispositifs de transfert de chaleur comprenant un élément évaporateur disposé au voisinage immédiat de l'organe à refroidir et un élément condenseur placé en un point plus ou moins éloigné où l'évacuation de la chaleur est facile, ces deux éléments convenablement reliés l'un à l'autre, étant chargés d'un liquide volatil Ce dernier s'évapore sous l'effet de la chaleur dégagée par l'organe à refroidir et sa vapeur va se condenser dans le condenseur en lui cédant cette chaleur qu'on évacue par des moyens appropriés (ventilation, circulation d'eau, etc...).De tels dispositifs, couramment appelés NCaloducsN, fonctionnent de façon parfaitement satisfaisante, mais leur application aux machines électriques usuelles est très difficile en raison de leurs dimensions ui ne permettent pas de loger l'évaporateur au plus près des enroulements ou bobinages que renfermant les encochas, Tont au plus peut on disposer de tels évaporateurs dans deslogements prévus dans les circuits magnétiques pour permettre d'abaisser la température de ceux-ci et faciliter par conséquent dans une certaine me sure le trans- fert de chaleur entre les bobines et ces circuits.Toutefois, dans de très grosses machines, l'on a pu tirer parti des propriétés des "aaLoducsn en utilisant les conducteurs eux-mêmes, convenablement prévus tubulaires à cet effet, mais une telle disposition est d'application très limitée. La présente invention vise à permettre de réaliser un dispositif de refroidissement par transfert de chaleur du genre dit "Caloduc", dans lequel l'évaporateur soit suffisamment mince et de dimensions suffisamment faibles pour pouvoir être logé dans une encoche de circuit magnétique, au contact direct de la paroi et des bobines sans que la section disponible dans les encoches pour loger ces bobines s'en trouve réduite de façon inadmissible, L'invention vise encore à réaliser un tel évaporateur de façon telle qu'en dépit de sa forme aplatie, il puisse résister normalement aux efforts d'écrasement qui surviennent, d'une part au cours de l'opération de bobinage proprement dite et d'autre part en cours de fonctionnement à cause des écarts de dilatation entre les conducteurs logés dans l'encoche et l'encoche elle-même, et aussi à cause de la force centrifuge, lorsque l'évaporateur est inséré dans une encoche du rotor d'une machine tournante. Le dispositif suivant l'invention est essentiellement remarquable en ce qu'il comprend en combinaison t - un évaporateur plat de faible épaisseur, propre à entre logé dans une encoche de machine électrique usuelle, entre une paroi de cette encoche et le bobinage, de façon à absorber efficacement la chaleur engendrée au sein de celui-ci, ltespace intérieur de cet évaporateur étant divisé, par une cloison perforée, en deux enceintes dont la première, située du cEtd du bobinage, renferme un matériau cellulaire constituant un réseau de canaux capillaires communiquant entre eux et avec l'extérieur;; - un canal de liaison divisé, par une cloison longitudinale substantiellement non perforée, en deux enceintes dont la première- re renferme un matériau cellulaire à canaux capillaires commund- cants, analogue à celui de l'évaporateur, la première et la seconde enceinte dudit canal se trouvant en communication sans solution de r.ontinuiD.d repectivement avea la première et avec la seconde encela te de l'ésaporateur ;; - et un condenseur, dont l'espacs intérieur est au moins en partie divisé, par une cloison perforée, en deux enceintes dont la première renferme un matériau cellulaire à canaux capillaires communicants analogue à celui de l'évaporateur, la première et la seconde enceinte de ce condenseur communiquant sans solution de continuité respectivement avec la première et la seconde enceinte du canal de liaison. On comprend que, dans un tel dispositif, le liquide de transfert de chaleur qui sourd du matériau cellulaire de l'évaporateur se transforme dans celui-ci, par suite de 1' élévation de température, en vapeur qui emplit la seconde enceinte de cet évaporateur et, de là, tout le volume disponible le long de la seconde enceinte du canal de liaison vers la seconde enceinte du condenseur eù, sui- vsit le principe de la paroi froide, elle se transforme de nouveau en liquide, lequel traverse la cloison perforée de ce condenseur et s'infiltre dans le matériau cellulaire que renferme ce dernier pour revenir par capillarité dans l'évaporateur le long de la première enceinte du canal0 Les changements d'état du fluide et la circulation du liquide et de sa vapeur, aptes à assurer l'évacuation des calories de l'évaporateur vers le condenseur se trouvent ainsi rém- lisés. Suivant une autre caractéristique de l'invention, la cloison perforée de l'évaporateur est réalisée sous forme ondulée, les on- dulations allant d'une grande face à l'autre de façon à former des entretoises de renfort à l'encontre des efforts d'écrasement. On peut établir de mole manière la paroi perforée du condenseur0 Le dessin annexé, donné à titre d'exemple, permettra de lieux comprendre l'invention, ls caractéristiques qu'elle présente et les avantages qu'ellè est susceptible de procurer. Fig. 1 est une demi-coupe longitudinale d'un stator de machine électrique comportant application de l'intentionS Fig. 2 en est une coupe transversale à grande échelle perpendiculairement à une encoche. Fig. 3 est une coupe transversale à grande échelle de l'évaporateur associé à l'encoohe représentée en fig. 2. Fig. 4 est une vue semblable à celle de fig. 2, lais mon- trant une variante dans la disposition de l'évaporateur. Fig. 5 et 6 sont des coupe s partielles montrant des variantes dans la forme de la cloison ondulée de l'6vaportateur. Fig. 7 est une coupe transversale du canal de liaison reliant l'évaporateur au condenseur0 Figo 8 est une vue en élévation avec arrachement de l'évaporateur montrant le détail de son extrémité de raccordement au ca nal de liaison0 Fig. 9 en est une vue de côte avec coupe suivant IX-IX (fig. 8). Fig. 10 est une vue en élévation du condenseur. Fig. 11 en est une coupe longitudinale. Fig. 12 est une variante des fig. 2 et 4 montrant une disposition dans laquelle 11 évaporateur fait office de avale de fermetu- re d'encoches La demi-coupe de fig. 1 correspond à la moitié inférieure du stator d'une machine électrique tournante, par exemple d'un moteur asynchrone à cage d'écureuil, cette indication n'étant nullement limitative. On y distingue le noyau ou circuit magnétique 1, constitué d'un empilage de tôles appropriées disposées perpendiculairement à l'axe de la machine.Ce circuit présente du cSté de son alésage intérieur (bord supérieur, sur la figure) des encoches 1a dans chacune desquelles est logée une fraction d'un bobinage dont les par ties situées hors du fer, qui vont d'une encoche à une autre, sont figurées par les tettes de bobines 2. Chaque encoche la renferme en outre un évaporateur 3. Comme montré fig. 2, cet évaporateur 3 est construit sous forme extra-plate et disposé contre l'une des parois latérales de encoche la considérée, de manière à se trouver en de bonnes conditions d'échange thermique avec les tles du noyau 1 et les conducteurs 4 du bobinage logés dans cette encoche.L'évapora- teur 3 est fait d'un métal amagnétique et l'on a interposé une min- ce feuille isolante 5 entre lui et les tales afin d'éviter qu'il ne court-circuite ces dernières. D'autre part en vue de réduire les pertes par courants de Foucault, on l'a préférablement construit en un métal ou aLliage présentant une résistivité élevée. Bien entendu, l'on pourrait également utiliser pour la fabrication de l'évaporateur 3 toute matière non métallique bonne conductrice de la chaleur, mais mauvaise conductrice de l'électricité. Comme montré fige 3, l'évaporateur 3 comprend une enveloppe extérieure ou bottier 6 à l'intérieur duquel est disposée une cloison ondulée 7 dont les ondulations se trouvent en contact avec les deux grandes faces du bottier. Cette cloison 7, qui est perforée d'un grand nombre de trous de petit diamètre, au moins dans sa partie non en contact avec le bottier, divise l'espace intérieur de celui-ci en deux enceintes référencées 8 et 9. L'enceinte 8 renfer- me un bourrage fait d'un matériau cellulaire à cellules ouvertes qui y déterminent un réseau de canaux capillaires communiquant entre eux et avec ltextérieur9 ce bourrage étant imprégné d'un liquide volatils L'enceinte 9 est au contraire libre.On peut noter qu'en fig0 2 c'est l'enceinte 8 qui se trouve au plus près du bobinage 4 de manière que la chaleur provenant de celui-ci puisse être aisément transférée au liquide imbibant le matériau cellulaire et puisse pro voquer ainsi l'évaporation de ce liquide, la vapeur produite pouvant librement occuper l'enceinte 9. Cependant, la disposition inverse ne contrarie pas les phénomènes décrits précédemment. Les deux enceintes 8 et 9 sont mises en communication par un canal 10 (fige 1) avec un condenseur extérieur 11 en vue d'assurer la circulation en sens inverse de la vapeur et du liquide, le tout à la façon qu'on décrira ci-après. On a représenté en fig. 4 une variante dans la disposition de l'évaportateur 3 à l'intérieur de encoche la. Cet évaporateur est ici prévu de moindre largeur de façon à pouvoir se loger dans le fond de l'encoche avec son enceinte 8 tournée vers les conducteurs 4. On conçoit que le fonctionnement reste inchangé. Figo 5 et 6 indiquent deux variantes dans la réalisation de la cloison perforée 7. En fig. 5 les sommets des ondulations sont apla tirs. En fig. 6 les ondulations ont été prévues rectangulaires0 Le canal de liaison 10 (fig. 7), supposé de section circulaire; est muni d'une cloison longitudinale 12, non perforée, qui le divise en deux enceintes 13 et 14, la première étant remplie d'un matériau cellulaire à cellules capillaires communicantes semblable à celui que contient l'enceinte 8 de l'évaporateur 3.Ces deux enceintes 13 et 14 sont en comnunication directe avec, respectivement, les enceintes 8 et 9 de ce dernier. Â cet effet, et comme indiqué figo 8 et 9j on a conformé l'extrémité correspondante du bottier de l'évaporateur (partie référencée A en fig0 1, 8 et 9) de façon à passer progressivement de la section rectangulaire aplatie de l'évaporateur 3 à la section circulaire du canal de liaison 100 Dans cette partie A, les ondulations de la cloison 7 vues dans le sens évaporateur vers canal de liaison" vont en diminuant de hauteur jusqu'à disparattre, ladite cloison devenant plate pour se raccorder à la cloison 12 du canal, La partie A se trouve normalement en dehors de l'encoche (fig. 1), de sorte que la cloison 7 doit de préférence n'être plus perforée dans cette zone. Le condenseur 11 est constitué par un corps plat semblable à celui de ltévaporateur, sauf que l'une au moins de ses grandes faces peut etre munie d'ailettes 15 propres à assurer son refroidissement dans l'air ambiants On y retrouve ainsi un bottier mince 19, qui peut être fait à partir d'un matériau bon conducteur de la chaleur0 Dans ce bottier est disposée une cloison perforée 16, plane ou ondulée comme celle de ltévaporateur s'il est nécessaire, par exem ple, d'accrottre la résistance mécanique du condenseur, qui divise partiellement son espace intérieur en deux enceintes 17 et 18 la première renfermant un garnissage d'un matériau cellulaire à cellules ouvertes analogue à celui de l'évaporateur.En fig. Il on a représenté la coupe faite dans un plan perpendiculaire à la cloison 16 supposée plane, ce qui permet de distinguer les deux enceintes 17 et 18. On retrouve à l'une des extrémités de ce condenseur une partie B semblable à la partie A de fig. 8 et 9, cette partie B permettant de mettre en communication sans solution de continuité les deux enceintes 17 et 18 avec celles, respectivement 13 et 14 du canal de liaison0 Le condenseur il est orienté de manière que son enceinte 17 puisse collecter par effet capillaire le liquide résultant de la condensation, ce qui implique simplement qu'une fraction au moins de cette enceinte se trouve, dans le cas du montage sur une partie fixe de la machine, dans la partie basse du bottier. Be fonctionnement résulte des explications qui précèdent. Dans 11 évaporateur, qui reçoit la chaleur provenant du bobinage 4, le liquide s'évapore en absorbant des calories. La vapeur ainsi produite emplit tout l'espace qui lui est offert t d'abord l'enceinte 9, puis l'enceinte 14 du canal de liaison et enfin l'enceinte 18 du condenseur où, le bottier 19 faisant office de paroi froide, elle se condense, cédant ainsi de la chaleur au bottier 19 lequel la dissipe par sa surface extérieure et par les ailettes 15. Le liquide de condensation ruiselle le long des parois du condenseur 11, traverse si nécessaire la cloison 16, s'accumule dans la partie basse du condenseur et imbibe le matériau cellulaire contenu dans l'enceinte 17o De là, il arrive par capillarité dans l'enceinte 13 du canal pour revenir à l'enceinte 8 de l'évaporateur d'où il était parti sous forme de vapeur. Le cycle decirculation du fluide se trouve ainsi refermé. Grâce à la présence de la cloison ondulée 7, qui constitue en quelque sorte une entretoise mécanique entre les deux grandes faces du bottier 6 de l'évaporateur 3 et qu'on prévoit suffisamment résie- tante à cet effet, ce dernier peut être réalisé sous forme extra- plate sans aucun risque d'6crasement BOUS l'effet des contraintes dues à l'opération de bobinage proprement dite,et en cours de fonctionnement, aux dilatations différentes des divers éléments Jurta- posés, ou encore aux efforts centrifuges en cas de montage dans une encoche du rotor. Il est ainsi possible de disposer un tel évapora- teur dans une encoche de machine électrique de type usuel sans réduire de façon inadmissible la section disponible pour loger le bobinage.Par ailleurs, la présence du matériau cellulaire assure la circulation du liquide entre le condenseur et l'évaporateur. Il doit d'ailleurs entre entendu que la description qui préoède n'a été donnée qu'à titre d'exemple et qu'elle ne limite nullement le domine de l'invention dont on ne sortirait pas en remplaçant les détaile d'exécution décrits par tous autres équivalente. C'eut ainsi qu'on pourrait envisager de disposer dans une mOme encoche telle que ia plusieurs évaporateurs concurremment, de façon à Sa, pisser tout ou partie des parois de celle-ci, y compris oCté entre- fer, auquel cas (fig. 12) l'évaporateur pourrait également faire office de cale de fermeture d'encoche et réduire par conséquent ie façon sensible, voire annuler la perte de section utile d'encoche. On pourrait envisager aussi de noyer des évaporateurs au milieu des conducteurs 4, en prenant les préoantions nécessaires pour assurer l'isolement, ou encore d'en disposer entre les couches lorsque le bobinage est du type à plusieurs couches. La forme de section du canal de liaison 10 peut être quelconque. La cloison du condenseur pourrait ne pas titre ondulée et n'être perforée que dans la partie où s'accumule le liquide de condensation. Bien que prévue plus particulièrement pour les machines électriques tournantes, l'inven- tion peut stappliquer à tous les appareils posant les mêmes problà- mes ou des problèmes analogues, par exemple aux régulateurs de tension à induit orientable, aux moteurs-couple, aux transformatenrs, etc... - REVENDICAfIONS - 1. Dispositif de refroidissement pour machines électriques, du genre utilisant un liquide volatil propre à s'évaporer dans un évs- porateur qui reçoit la chaleur des organes à refroidir, sa vapeur se condensant dans un condenseur convenablement refroidi et le liquide de condensation étant recyclé vers l'évaporateur, caractérisé en ce qu'il comprend en combinaison t - un évaporateur plat de faible épaisseur propre à être logé dans une encoche de la machine électrique considérée, de façon à absorber efficacement la chaleur engendrée au sein de celle -ci, l'espace intérieur de cet évaporateur étant divisés par une cloison perforée, en deux enceintes dont le première renferme un matériau cellulaire constituant un réseau de canaux capillaires communiquant entre eux et avec 11 extérieur; - un canal de liaison divisé, par une cloison longitudinale substantiellement non perforée, en deux enceintes dont la première renferme un matériau cellulaire à canaux capillaires communicants analogue à celui de ltévaporateur, la première et la seconde enceinte dudit canal étant en communication sans solution de continuité respectivement avec la première et avec la seconde enceinte de l2évapora- teur;; - et un condenseur dont l'espace intérieur est lui aussi divisé, par une cloison perforée, en deux enceintes dont la première renferme un matériau cellulaire à canaux capillaires conunicants analogue à celui de ltévaporateur, la première et la seconde enceinte de ce condenseur comnuniquant respectivement avec la première et la seconde enceinte du canal de liaison. 2. Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la cloison perforée située à l'intérieur de l'évaporateur comporte des ondulations dont les sommets sont au contact des grandes faces de cet évaporateur, de manière que ladite cloison constitue une en tretoise de renfort à l'encontre des efforts d'écrasement. 3. Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'évaporateur est fait en un matériau amagnétique à forte résistivité électrique, mais bon conducteur de la chaleur. 4. Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que itévaporateur est disposé dans l'encoche de façon que son enceinte renfermant le matériau cellulaire soit tournée vers le bobinage et son autre enceinte vers une paroi de l'encoche. 5. Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que évaporateurs sont disposés concurremment dans chaque encoche de la machine 6o Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'évaporateur est noyé dans les conducteurs du bobinage logés dans l'encoche. 70 Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que ltévaporateur est logé entre le bobinage et l'ouverture de l'encoche et fait office de cale de fermeture d'encoches