Brevet FR2497019A1 — publié le 19820625

Le présente invention concerne une machine électrique tournant à grande vitesse, du type refroidie par un liquide et avec vide partiel dans l'entrefer, comprenant des moyens pour faire circuler un liquide de refroidissement dans un circuit de refroidissement de la machine et des moyens pour créer un vide partiel dans l'entrefer de la machine. Les performances sans cesse accrues de l'électronique dans le domaine des alimentations à fréquence variable et élevée ont pour conséquence un intérêt nouveau pour des machines électriques tournantes capables non seulement d'entraîner, sans intermédiaire, n'importe quelle machine réceptrice quelles que soient sa puissance et sa vitesse, mais encore de réaliser cet entraînement avec un meilleur bilan énergétique et une plus grande souplesse d'exploitation (voir la Revue Générale de l'Electri- cité, tome 88, nO 5 de mai 1979). Malheureusement, les grandes vitesses périphériques des rotors de ces machines électriques posent -un certain nombre de problèmes. I1 y a d'abord les pertes élevées engendrées dans l'entrefer. Ces pertes sont d'une part d'origine magnétique à cause des fréquences très élevées dues aux pulsations de denture, d'autre part d'origine aérodynamique par suite du frottement de l'air entre le rotor et le stator. Ces pertes peuvent atteindre des valeurs importantes et leur concentration dans l'entrefer rend très souvent leur évacuation difficile. I1 y a également le bruit qui va croissant avec la vitesse. I1 y a aussi les pertes par frottement dans les paliers qui augmentent également avec la vitesse. Aux pertes susmentuonnées, s' ajoutent encore les pertes par effet Joule. Dans le cas de certaines machines synchrones homopolaires, qui sont les mieux adaptées aux grandes vitesses de rotation, l'évacuation des pertes dans les enroulements statoriques est contrariée par la présence d'un circuit magnétique de forte épaisseur. Diverses solutions ont déjà été proposées pour résoudre les problèmes susmentionnés. C'est ainsi que pour réduire les pertes aérodynamiques, il est connu, én particulier dans le cas des machines à pâles saillants ou des machines homopolaires, d'entourer le rotor de la machine d'un manchon ou d'une large frette de façon 9 rendre sa surface périphérique aussi lisse que possible (voir par exemple le brevet français nO 78/23.720 publié sous le numéro 2.433.255).Pour réduire les pertes aérodynamiques, il est également connu de créer un vide partiel à l'intérieur de la machine ou à l'intérieur d'une enveloppe cylindrique fixe, en matièreamagnétique qui est logée dans l'entrefer, le vide partiel étant habituellement entretenu au moyen d'une pompe à vide (voir par exemple la revue "Brown Boveri" nO 8 - 1969, page 377, figure 7., et 378, fin du paragraphe 1). Pour évacuer les pertes engendrées dans les enroulements du stator et/ou du rotor, les pertes engendrées dans les circuits magnétiques et les pertes par frottement dans les paliers, il est connu de faire circuler un agent réfrigérant, par exemple de l'eau, dans des conducteurs creux du stator et éventuellement du rotor et/ou dans une enceinte entourant la carcasse, les flasques d'extrémité et les paliers de la machine et/ou dans des canaux prévus dans ces éléments ou dans les circuits magnétiques (voir par exemple la revue "Brown Boveri" précitée et les brevets français n" 1.445.339, 1.477.717, 1.498.765, 1.540.666, 1.541.875 et 1.547.811).Le brevet français 1.477.717 précité montre aussi comment réduire le bruit en plaçant la machine avec sa ou ses enceintes réfrigérantes dans un caisson enveloppant plus ou moins complètement la machine, en un matériau évitant la propagation des vibrations sonores vers le milieu extérieur. La présente invention a pour but de fournir, dans une machine électrique tournant à grande vitesse, du type refroidie par un liquide et avec vide partiel dans l'entrefer, des moyens extrêmement simples et peu couteux pour créer et entretenir le vide partiel dans l'entrefer. A cet effet, la machine selon la présente invention est caractérisée en ce que les moyens de création du vide partiel comprennent une trompe à liquide qui est raccordée au circuit de refroidissement de façon à etre traversée par le liquide de refroidissement, lequel agit comme fluide de pompage d'air. On décrira maintenant, à titre d'exemple purement indicatif et nullement limitatif, une forme d'exécution de la présente invention en faisant référence aux dessins annexés dans lesquels La figure 1 représente, en coupe axiale, une machine électrique synchrone homopolaire avec son équipement de refroidissement par un liquide et ses moyens de création d'un vide partiel. La figure 2 montre une variante de la machine représentée sur la figure 1. La machine représentée sur le dessin comprend un rotor 1 constitue par un cylindre massif en acier. Dans le cas d'un rotor bipolaire, deux rainures interpolaires longitudinales sont creusées dans le cylindre 1 de manière à former deux piles 2 et 3 diamétralement opposés. Pour éviter que les deux pâles 2 et 3 et les rainures interpolaires ntengen drent des pertes aérodynamiques trop élevées lorsque le rotor tourne à grande vitesse, il est prévu, aux extrémités axiales des les 2 et 3, deux couronnes 4 et 5 ayant une dimension dans le sens radial correspondant sensiblement à la dimension radiale des pâles 2 et 3 et, sur la périphérie, un manchon cylindrique 6 ayant une épaisseur compatible avec l'entrefer de la machine.Les couronnes 4 et 5 et le manchon 6 sont réalisés en une matière amagnétique, légère et à .haute résistance mécanique, par exemple en une résine dans laquelle sont noyées des fibres de verre, de bore, de carbone ou autre matériau similaire de renforcement. On obtient ainsi un rotor ayant une surface périphérique et des surfaces d'extrémités lisses. On notera qu'on peut se passer des couronnes 4 et 5 si les deux rainures interpolaires sont usinées dans le cylindre massif sans déboucher axialement ni à une extrémité nià l'autre. Le stator 7 de la machine comprend un circuit magnétique feuilleté 8 qui est fixé à l'intérieur d'une carcasse cylindrique 9 et qui est muni d'encoches contenant les conducteurs dtun enroulement principal 11. La carcasse 9 est obturée à ses extrémités par deux flasques annulaires 12 et 13 auxquels sont respectivement fixés-les paliers 14 et 15 dans lesquels tourne l'arbre 16 de la machine. Un enroulement fixe d'excitation 17 est disposé à l'intérieur de la carcasse 9 au voisinage de chacun des deux flasque 12 et 13. Le circuit magnétique 8 et les enroulements il et 17 sont noyés, ensemble ou séparément, dans une masse de résine chargée 18 de manière que le stator 7 présente une surface interne lisse et de manière à réduire le volume d'air à l'intérieur de la machine.Egalement afin de réduire le volume d'air à l'intérieur de la machine, chacun des deux flasques d'extrémité 12 et 13 comporte une partie cylindrique creuse, respectivement 12a et 13a, qui s'étend axialement vers l'intérieur de la machine et dont le profil intérieur épouse le profil extérieur de l'extrémité correspondante du rotor 1 avec juste le jeu nécessaire pour permettre la rotation dudit rOtor. La masse 18 de résine entoure étroitement la partie 13a du flasque 13, tandis qu'elle est espacée radialement de la partie 12a du flasque 12, au moins à certains endroits de la périphérie de cette partie 12a, afin de ménager des passages longitudinaux ou un espace annulaire 19 dont on verra l'utilité plus loin. La carcasse 9, les flasques d'extrémité 12 et 13 et les paliers 14 et 15 sont assemblés avec interposition entre eux de joints d'étanchéité, comme montré sur la figure, de manière à former une machine du type fermé étanche aux gaz. Une pompe 21 et un réservoir 22 pour un liquide de refroidissement 23, par exemple de l'eau, sont montés à une extrémité dela machine. Comme montré sur la figure , la pompe 21 et le réservoir 22 peuvent avantageusement avoir un carter commun 24, de forme générale cylindrique, fixé coaxialement à l'une des extrémités de la machine. Le carter 24 comporte une première chambre 25, formant réservoir pour le liquide de refroidissement 23, et une deuxième chambre 26, formant chambre de pompe, qui est en communication avec la chambre 25 et dans laquelle tourne le rotor 27 de la pompe 21. Une enveloppe 28, réalisée sous la forme de deux demicoquilles assemblées l'une à l'autre de manière étanche aux liquides,entoure complètement la machine, à l'exception de l'extrémité de sortie 29 de l'arbre 16. De préférence, l'enveloppe 28 entoure aussi la majeure partie du carter 24. L'orifice de refoulement de la pompe 21 est relié à un tube 31 de distribution du liquide de refroidissement, qui s'étend longitudinalement dans l'espace annulaire entre l'enveloppe 28 et la carcasse 9 de la machine. Un autre tube 32 s'étend longitudinalement dans ledit espace annulaire à un emplacement diamétralement opposé à celui du tube de distribution 31 et est reliée au réservoir 22 afin de collecter le liquide refroidissement et de le ramener audit réservoir. Les tubes 31 et 32 sont percés d'une série de trous dirigés vers la carcasse 9 de la machine. Pour compenser les pertes de charge et assurer une distribution uniforme du liquide de refroidissement sur toute la longueur de la carcasse 9, au moins les trous du tube 31 ont des sections de passage qui vont en augmentant du c8té gauche vers le coté droit de la figure. La pompe 21 comporte un autre orifice- de- refoulement qui est relié pâr un tube 33 à l'orifice d'entrée de liquide d'une trompe à liquide 34, par exemple une trompe à eau classique du commerce, qui est aussi logée dans l'enveloppe 28 et dont l'orifice de sortie du mélange liquide-air est relié au réservoir 22. L'orifice d'aspiration d'air de la trompe à liquide 34 est relié par un tube 35 à un collecteur annulaire 36, qui est fixé au flasque d'extrémité 12 ou fait partie intégrante de celui-ci et qui communique avec l'espace 19 et l'entrefer de la machine par plusieurs passages 37 percés dans le flasque 12. Comme montré sur la figure, le rotor 27 de la pompe 21 est calé sur l'arbre 16 de la machine de façon à être entraîné en rotation par eelui--ci. Cette solution est avantageuse parcelle que la machine et la pompe constituent alors un ensemble autonome et aussi parce que les besoins en débit et en pression du liquide de refroidissement sont à peu près proportionnels à la vitesse de rotation de la machine. Toutefois, dans certains -cas, .il peut être préférable de recourir- à une pompe entraînée par un moteur indépendant, par exemple un moteur électrique. Lorsqu'on utilise un moteur électrique, celui-ci peut être un moteur électrique à vitesse constante alimenté par le réseau 50 ou 60 Hz, ou un moteur électrique à vitesse variable alimenté à la même fréquence que la machine de telle façon que sa vitesse de rotation soit proportionnelle à celle de la machine. L'étanchéité au liquide entre la pompe 21 et le palier 14 est assurée par un joint tournant 38 placé sur l'arbre d'entraînement de la pompe. Le diamètre de cet arbre est nettement plus petit que celui de l'arbre 16 de la machine au niveau du palier 14, afin de diminuer sa vitesse périphérique et, par suite, de réduire l'usure du joint tournant 38. Avec le dispositif de refroidissement décrit ci-dessus, le liquide de refroidissement 23, par exemple de l'eau, est puisé dans le réservoir 22 par la pompe 21 et refoulé dans le tube de distribution 31 placé à la partie inférieure de la machine. L'eau de refroidissement se répand dans le volume disponible entre l'enveloppe 28 et la machine proprement dite afin de la refroidir. L'eau est ensuite collectée par le tube de retour 32 qui l'achemine jusqu'au réservoir 22. La pompe 21 refoule aussi l'eau sous pression dans le tube 33. L'eau traverse la trompe à eau 34 en aspirant l'air à l'intérieur de la machine à travers le passage 19, les passages 37, le collecteur 36 et le tube 35. L'eau mélangée à l'air retourne au réservoir 22 d'où l'air peut s'échapper vers l'extérieur par un orifice d'évent 39. Le réservoir 22 peut être un simple réservoir en tôle si les pertes à évacuer le permettent, mais il peut être pourvu d'ailettes externes de refroidissement en cas de nécessité. On peut également faire participer l'enveloppe 28 à l'éva- cuation des pertes en la réalisant en tôle ondulée ou en mu nissant sa surface extérieure d'ailettes pour augmenter la surface d'échange thermique. On peut encore accroître les échanges thermiques en ventilant les ondulations ou les ailettes de l'enveloppe 28 au moyen d'un ventilateur monté sur l'extrémité de sortie 29 de l'arbre 16 et entouré d'un capot de guidage d'air. On notera que l'enveloppe 28 et le liquide de refroidissement qu'elle contient contribuent non seulement au refroidissement de la machine proprement dite, mais constituent également un caisson d'isolation phonique. Dans ce qui précède, on a décrit une machine du type fermée, complètement immergée dans le liquide de refroidissement. Il va cependant de soi que le circuit de refroidissement peut être réalisé de toute autre façon connue. C'est ainsi que, au lieu d'immerger complètement la machine dans le liquide de refroidissement, celui-ci peut être amené à circuler dans des canaux prévus dans la carcasse, dans le circuit magnétique du stator, dans les flasques d'extrémité, entre les conducteurs de l'enroulement ou dans les conducteurs eux-mêmes s'ils sont creux, ainsi que cela est bien connu. Les divers canaux parcourus par le liquide de refroidissement peuvent être raccordés en série, en parallèle ou en série-parallèle suivant les nécessités d'équilibrer les pertes de charge pour assurer le débit de liquide nécessaire au refroidissement de chaque partie de la machine. Dans les machines de forte puissance, des canaux de refroidissement, parcourus par le liquide de refroidissement, peuvent aussi être prévus de façon connue dans le rotor. En outre, bien que dans la description qui précède il soit fait plus particulièrement référence à une machine synchrone homopolaire, l'invention est applicable à toute machine électrique, moteur ou alternateur, tournant à grande vitesse, à rotor bobiné ou non, qui est refroidie par une circulation de liquide et dans laquelle on fait le vide partiel dans l'entrefer. Il est du reste bien entendu que la forme d'exécution qui a été décrite ci-dessus a été donnée à titre d'exemple purement indicatif et nullement limitatif, et que de nombreuses modifications peuvent être apportées par l'homme de l'art sans pour autant sortir du cadre de la présente invention. C'est ainsi notamment que la pompe 21 peut ne comporter qu'un seul orifice de refoulement de façon classique. Dans ce cas, le tube 33 peut être raccordé à l'unique orifice de refoulement de la pompe 21 ou au tube 31 par un raccord approprié. Suivant une autre variante montrée dans la figure 2, le tube 32 est raccordé à l'entrée de fluide de la trompe à liquide 34. Dans ce dernier cas, le fluid 0 refroidissement collecté par le tube 32 n'est pas envoyé directement dans le réservoir 22, mais passe d'abord à travers la trompe à liquide 34 pour aspirer l'air à llinté- rieur de la machize proprement dite. Cette dernière solution simplifie non seulement la pompe qui ne comporte qtun orifice de refoulement, mais aussi les tuyauteries, puisque le tube 33 est supprimé et le tube 32 est raccourci. En outre, comme cela est aussi montré dans la figure 2; l'enveloppe 28 peut entourer seulement la machine proprement dite, le carter 24 et la trompe à liquide 34 étant alors à l'extérieur de l'enveloppe 28. REVENDICATIONS 1.- Machine électrique tournant à grande vitesse, du type refroidie par un liquide et avec vide partiel dans l'entrefer, comprenant des moyens (21) pour faire circuler le liquide de refroidissement (23) dans un circuit de refroi dissement (28, 31, 32) de la machine et des moyens (33 - 37) pour créer un vide partiel dans l'entrefer de la machine, caractérisée en ce que les moyens (33 - 37) de création du vide partiel comprennent une trompe à liquide (34) qui est raccordée au circuit de refroidissement (21, 28, 31, 32) de façon à être traversée par le liquide de refroidissement (23), lequel agit comme fluide de pompage d'air. 2.- Machine selon la revendication 1, dans laquelle la carcasse (9), les flasques d'extrémité (12 et 13) et les paliers (14 et 15) sont assemblés de manière à former une machine du type fermé étanche auxogaz,qui est disposée dans une envelop pe (28) étanche auxliquides, dans laquelle circule le fluide de refroidissement (23), caractérisée en ce qu'elle comprend un carter (24) qui comporte une première chambre (25), formant un réservoir (22) de liquide de refroidissement, et une deuxième chambre (26), formant une chambre de pompe, qui est en commu nication avec le réservoir (22) et dans laquelle tourne un rotor de pompe (27), ladite chambre de pompe (26) ayant un orifice de refoulement qui communique avec l'intérieur de l'en veloppe (28). 3.- Machine selon la revendication 2 > caractérisée en ce que la chambre de pompe (26) a un orifice de refoulement qui est. relié par un tube (33) à l'orifice d'entrée de liquide de la trompe à liquide (4), dont l'orifice de sortie du mélange liquide-air est relie au réservoir (22). 4.- Machine selon la revendication 2 ou 3, caractérisée en ce que l'enveloppe (28) entoure complètement la machine à l'exception de son arbre de sortie (29), en ce que l'orifice de refoulement de la pompe (21) est relié à un tube 637) de distribution du liquide de refroidissement, qui s'étend longitudinalement dans 11 espace annulaire entre l'enveloppe (28) et la carcasse (9) de la machine, et en ce qu'un tube (32) de retour du liquide de refroidissement s'étend,longitudinalement dans ledit espace annulaire à un emplacement diamétralement opposé à celui du tube de distribution (31) et est relié au réservoir (22), lequel comporte un orifice (39) d'évacuation d'air vers l'extérieur. 5.- Machine selon la revendication 2, caractérisée en ce que l'enveloppe (28) entoure complètement la machine à l'exception de son arbre de sortie (29), en ce que l'orifice de refoulement de la pompe (21) est relié à un tube (31) de distribution du liquide de refroidissement, qui s'étend longitudinalement dans l'espace annulaire entre l'enveloppe (28) et la carcasse (9) de la machine, et en ce qu'un tube (32) de retour du liquide de refroidissement s'étend longitudinalement dans ledit espace annulaire à un emplacement diamétralement opposé à celui du tube de distribution (31) et est relié à l'orifice d'entrée de liquide de la trompe à liquide (34), dont l'orifice de sortie du mélange liquide-air est relié au réservoir (22). 6.- Machine selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisée en ce que le carter (24) est fixé à une extrémité axiale de la machine et le rotor de pompe (27) est calé sur l'arbre (16) de la machine. 7.- Machine selon l'une quelconque des revendications 2 à 6, caractérisée en ce que l'orifice d'aspiration d'air de la trompe à liquide (34) est relié à un collecteur annulaire (36) qui est fixé ou fait partie intégrante de f'un (12) des deux flasques d'extrémité (12-et 13) de la machine et qui communique par plusieurs passages (37) avec l'intérieur de la machine. 8.- Machine selon l'une quelconque des revendications 2 à 7-, caractérisée en ce que la trompe à liquide (34) et au moins une partie du carter (24) sont logés à l'intérieur de l'enveloppe (28).