Brevet FR2553597A1 — publié le 19850419

L'invention concerne les machines électriques tournantes, et plus particulièrement le refroidissement des bobinages de rotor de telles machines pour l'obtention de rendements élevés. Les brevets des Etats-Unis d'Amérique N 3 049 633, N 3 743 867, N 4 037 124, N 4 037 312 et N 4 139 789 décrivent des formes de réalisation antérieures. On sait depuis longtemps que le rendement de machines électriques tournantes peut être augmenté par refroidisse10 ment de leurs bobinages En général, les tentatives de refroidissement ont consisté soit a utiliser des conducteurs électriques creux servant eux-mêmes de conduits pour le fluide de refroidissement, soit à monter les bobinages dans un canal et à faire circuler dans ce dernier un fluide de re15 froidissement afin qu'il soit en contact avec les conducteurs et qu'il échange de la chaleur avec eux. Le premier procédé, bien que très efficace, est très complexe du point de vue mecanique et hydraulique et il est donc très coûteux et ne se prête pas bien à des formes de réalisation de faibles dimensions et légères, telles que des génératrices utilisées en aéronautique. Le second procédé donne également de bons résultats mais, tel qu'il est mis en oeuvre généralement, il exige l'utilisation d'entretoises mécaniques dans les bobinages, 25 ce qui complique la construction et/ou a pour résultat des trajets d'écoulement de fluides de dimensions inégales favorisant une transmission non uniforme de la chaleur et engendrant des problèmes d'équilibre pendant le fonctionnement de la machine dans le cas du refroidissement de bobi30 nages de rotor, en particulier dans les machines à grande vitesse. L'invention a pour objet de résoudre un ou plusieurs des problèmes indiqués ci-dessus. L'invention a pour objet principal d'offrir un moyen -2 perfectionné pour refroidir les bobinages de rotor d'une machine électrique tournante L'invention a plus particulièrement pour objet un dispositif de refroidissement des bobinages de rotor, de construction simple, assurant une transmission uniforme de la chaleur ainsi qu'une répartition équilibrée du fluide de refroidissement de façon à éviter les problèmes de déséquilibre mécaniques Ce dispositif permet donc l'utilisation du rotor dans une machine électrique tournante a grande vitesse. Un exemple de réalisation de l'invention, réalisant les objets indiqués ci-dessus, dans une machine électrique tournante, comprend un stator présentant une ouverture de réception d'un rotor Ce dernier tourillonne dans l'ouverture et il comprend un corps en matière aimantable présen15 tant au moins deux rainures axiales opposées Des supports de spires extrêmes sont disposés sur chaque extrémité du corps et présentent chacun une rainure s'étendant radialement, débouchant axialement et alignée sur les rainures du corps afin de former un passage continu destiné à recevoir les bobinages Au moins un bobinage est disposé dans le passage et est composé de plusieurs spires de conducteur électrique de section sensiblement circulaire Les spires du bobinage sont enroulées avec précision en plusieurs couches de manière que les interstices entre les spires définissent des canaux 25 pour fluide de refroidissement, s'étendant axialement et dimensionnés uniformément Les entretoises sont disposées dans chacune des rainures des supports de spires extrêmes et écartent les spires extrêmes des couches adjacentes d'une distance suffisante pour permettrea unfluide de refroidisse30 ment de pénétrer dans ou de sortir des canaux de fluide de refroidissement, et des moyens sont prévus pour faire circuler un liquide de refroidissement dans les canaux et dans les rainures des supports des spires extrêmes a des fins de refroidissement. Les spires sont de préférence enroulées avec précision en plusieurs couches d'une manière telle que chacune des spires successives d'une couche donnee est parallèle à et sensiblement enbutée avec la spire précédente et que les spires des couches successives sont sensiblement parallèles etenbutée avec au moins une spire de chacune des couches précédente et suivante à l'intérieur des rainures du corps. Dans une forme particulièrement avantageuse de réalisation de l'invention, les spires,lorsqu'elles sont considérées en coupe transversale, forment un réseau analogue à un nid d'abeilles. Des galeries pour fluide de refroidissement sont ménagées dans chaque extrémité du rotor, à proximité immédiate des supports de spires extrêmes, et sont en communication fluide avec la rainure associée du support de spires extrêmes correspondant Les moyens de circulation relient entre elles les galeries pour faire circuler le fluide de refroidissement. L'invention sera décrite plus en détail au regard des dessins annexes à titre d'exemple nullement limitatif et sur lesquels: la figure 1 est une élévation avec coupe par20 tielle d'une machine électrique tournante, en particulier une génératrice a grande vitesse, selon l'invention; la figure 2 est une élévation d'un rotor dont un support de spires extrêmes est apparent; la figure 3 est une vue partielle à échelle 25 agrandie montrant les conducteurs formant un bobinage et tels qu'ils apparaissent dans les supports de spires extrêmes; la figure 4 est une coupe suivant la ligne 4-4 de la figure 3; et la figure 5 est une vue en perspective partielle a échelle agrandie, montrant l'aspect des bobinages en coupe suivant l'axe du rotor. Les dessins représentent un exemple de réalisation d'une machine électrique tournante et la figure 1 représente plus particulièrement une génératrice dite sans collecteur Cependant, il est évident que l'invention n'est pas limitée à ce type de machine et qu'elle peut s'appliquer également a toute machine électrique tournante exigeant un refroidissement du rotor. Dans la forme préférée de la réalisation, la génératrice est destinée à travailler à 24 000 tours par minute et elle comporte un rotor bipolaire, ainsi qu'il ressortira d'une façon plus complète ci-après. La génératrice comprend un strator indiqué globalement en 10 et comportant un noyau 12 de stator et des bobinages de stator dont seules les spires extrêmes 14 sont représentées Le noyau 12 présente une ouverture centrale 16 destinée à recevoir un rotor indiqué globalement en 18. Le rotor 18 tourillonne dans l'ouverture 16 à l'aide de paliers convenables disposes a ses extrémités opposées, l'un 15 de ces jeux de paliers étant illustré en 21. Le rotor 18 comprend un corps central 20 formé en matière magnétique Des supports 22 de spires extrêmes sont montés sur les extrémités opposées du corps 20 Ces supports 22 sont fixes à des arbres respectifs 24 et 26 d'extrémité a l'aide desquels le rotor 18 tourillonne axialement dans l'ouverture 16 Une enveloppe ou un manchon extérieur cylindrique 28 entoure le corps 20 et les supports 22 de spires extrêmes, ainsi que des parties des arbres 24 et 26 situees radialement a l'extérieur. Ainsi qu'on peut le voir sur les figures 1 et 2, le corps 20 présente des rainures opposées, s'étendant axialement, débouchant radialement vers l'extérieur et présentant des bords opposés indiqués en 30 et 32 Par conséquent, la partie du corps 20 comprise entre les bords 30 des rainures et indiquée en 34 sur la figure 2 forme un pôle du rotor tandis que la partie opposée, indiquée en 36 sur la figure 2, forme l'autre pôle. Chacun des supports 22 de spires extrêmes présente une rainure 38 s'étendant radialement,débouchant axialement 35 (figures 1 et 2) et on peut voir, sur les figures 1 et 2, -5 que les rainures 38 des supports 22 de spires extrêmes définissent, avec la rainure formée par les bords 30 et 32, un passage continu, pour boucle fermée destiné à recevoir le bobinage de rotor indiqué globalement en 40. Comme montré sur les figures 3 et 4, le bobinage est constitué de plusieurs couches 42, 44, 46, 48, 50, 52 et 54 Ainsi qu'on peut le voir sur la figure 4, chacune des couches 42 54 est constituée de plusieurs spires En ce qui concerne la couche 42, les spires sont indiquées en 56, 10 58, 60, 62, 64, 66, 68, 70 et 72 Les couches 42-54 présentent un nombre identique de spires. L'ensemble du bobinage 40 est constitué de tout conducteur électrique convenable, présentant une section sensiblement circulaire et revêtu évidemment d'un isolant conve15 nable (non représenté) Les spires et les couches sont bobinées avec précision dans le passage L'expression "bobinée avec précision" doit être comprise dans son sens habituel et elle est opposée au bobinage aléatoire dans lequel on n'apporte aucun soin particulier pour assurer l'enroulement 20 des spires successives dans une position particulière. Dans le cas habituel, le bobinage de précision impose que chacune des spires successives d'une couche donnée soit parallèle à et sensiblement en butée avec la spire précédente et que les spires de chacune des couches successives 25 soient parallèles à et en butée avec au moins une spire de la coucheprécédene D'une façon générale, pour élever au maximum le nombre de spires pouvant être reçues dans une rainure de section donnée, il est souhaitable que les spires de chacune des couches successives soient en outre en butée avec deux spires des couches précédente et suivante afin de former un réseau de conducteurs en nid d'abeilles, comme ceci est illustré quelque peu et partiellement sur la figure 5. Ainsi qu'on peut le voir sur cette figure, le bobinage de précision a pour résultat la formation de plu35 sieurs interstices 74 entre chaque groupe triangulaire de trois conducteurs, ces interstices étant de dimensions uniformes Ils forment des canaux permettant l'écoulement d'un fluide destiné à refroidir le bobinage 40 En d'autres termes, le bobinage de précision résulte dans la formation d'interstices entre les spires, ces interstices définissant des canaux a fluide de refroidissement, de dimensions uniformes. Ainsi qu'on peut le voir sur les figures 1 et 5, les canaux à fluide de refroidissement définis par les 10 interstices 74 s'étendent axialement au corps 20 du rotor. Il convient également de noter qu'en raison du contact entre les conducteurs ou spires adjacentes, des moyens doivent être prévus pour que le fluide de refroidissement puisse accéder à ou sortir des interstices 74. Comme représenté sur les figures 3 et 4, ceci est obtenu par l'utilisation d'entretoises 76 disposées entre les couches 42 54, aux spires extrêmes du bobinage, à savoir aux parties du bobinage qui s'étendent radialement à l'intérieur de la rainure 38 de chacun des supports 22 de 20 spires extrêmes Les entretoises 76 sont représentées sous une dimension quelque peu exagérée sur les dessins, mais leur dimension doit être seulement suffisante pour que les spires des couches adjacentes soient écartées d'une assez grande distance pour permettre au fluide de refroidissement 25 de pénétrer dans ou sortir des interstices 74 de la partie axiale du bobinage. Comme représenté sur la figure 1, l'arbre 26 d'extrémité adjacent au support gauche 22 de spires extrêmes comprend une galerie intérieure 80 qui est en communication fluide avec la partie radialement intérieure de la rainure associée 38, entre des ensembles supérieur et inférieur 82 et 84 du bobinage 40 Des dégagements tels qu'indiqués en 86 sur la figure 2, s'étendant axialement vers l'intérieur de la couche 42 à la couche 54, assurent la communication fluide des interstices 74 à la galerie à travers les spires extrêmes espacées du bobinage. Une galerie analogue, indiquée globalement en 90, est prévue à proximité des supports droit 22 de spires extrêmes et communique, par des moyens similaires, avec les interstices 74 situés à cette extrémité axiale du bobinage. 5 La galerie 70 peut comporter d'autres éléments comprenant, par exemple, un filtre centrifuge 92 et divers moyens comprenant un canal 94 de ventilation d'air qui n'entre pas dans le cadre de l'invention. Une pompe 96 est reliée par un conduit 98 à un tube 10 100 de transfert et à la galerie 90 Un conduit 102, convenablement raccordé à l'intérieur de l'arbre 26 d'extrémité et communiquant donc avec la galerie 80 par l'intermédiaire d'un alésage 104, est relié à un séparateur air/huile 104 qui est lui-même raccordé à la pompe 96 Par conséquent, la 15 pompe 96 peut faire circuler un fluide de refroidissement, généralement de l'huile, vers la galerie 90 et jusqu'aux interstices 74 en passant par les rainures 38 ménagées dans le support droit 22 de spires extrêmes Le fluide de refroidissement, après avoir refroidi le bobinage, sort des inters20 tices 74 a l'intérieur du support gauche 22 de spires extremes afin de s'écouler vers la galerie 80 de laquelle il est renvoyé vers la pompe 96 En général, un échangeur de chaleur convenable (non représenté) est incorporé dans le circuit. Le bobinage 40 est maintenu dans les rainures définies par les bords 30 et 32 dans le corps 20 à l'aide de cales classiques 106 et l'ensemble de l'intérieur du rotor, en particulier, le corps 20 du rotor est fermé par l'enveloppe 28 afin d'empêcher l'huile de fuir vers l'en30 trefer entre le rotor 18 et le stator 10. Il ressort de la description précédente que le rotor réalisé conformément à l'invention convient idéalement à des formes de réalisation légères, à grande vitesse, telles que des génératrices pour aéronautique Le dispositif 35 est de construction simple et il évite d'avoir à utiliser des conducteurs creux servant de conduits de fluide de re- froidissement Surtout, l'utilisation d'un bobinage enroulé avec précision assure que les interstices 74 formant les canaux de fluide de refroidissement sont dimensionnés de façon uniforme, en section, ce qui présente deux avantages 5 nets Le premier avantage est qu'une distribution uniforme du fluide de refroidissement à travers le rotor est assurée, ce qui évite les problèmes d'équilibre mécanique, en particulier lorsque la machine fonctionne à grande vitesse Le second avantage est qu'un refroidissement uniforme est obtenu car le débit d'écoulement dans chacun des interstices 74 est sensiblement le même, ce qui évite la formation de points chauds indésirables. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées à la machine décrite et représentée 15 sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1 Machine électrique tournante,caractérisée en ce qu'elle comporte un stator ( 10) présentant une ouverture ( 16) de réception d'un rotor ( 18) qui tourillonne dans cette ouverture et qui comprend un corps ( 20) en matière aimantable pré sent a N t au moins deux rainures opposées, s' étendant axialement, un support ( 22) de spires extremes étant monté sur chaque extrémité du corps et présentant une rainure ( 38) s'étendant radialement, débouchant axialement et alignée sur les rainures 10 du corps afin de définir un passage continu destiné à recevoir des bobinages, au moins un bobinage ( 40) étant disposé dans le passage et comprenant plusieurs spires ( 56 72) constituéesd'un conducteur électrique de section sensiblement circulaire, lesdites spires étant enroulées avec précision en plusieurs couches ( 42 54) telles que chacune des spires successives d'une couche donnée soit parallèle à et sensiblement en butée avec la spire précédente et que les spires de chacune des couches successives soient parallèles et en butée avec au moins une spire de la couche précédente dans les 20 rainures du corps, les interstices ( 74) entre les spires définissant des canaux pour fluide de refroidissement s'étendant axialement, des entretoises ( 76), disposées dans chacune des rainures des supports de spires extrêmes, écartant les spires de couches adjacentes d'une distance suffisante pour 25 permettre à un fluide de refroidissement de pénétrer dans ou de sortir des canaux à fluide de refroidissement, et deux galeries ( 80, 90) à fluide de refroidissement étant associées chacune à un support de spires extrêmes et établissant une communication fluide avec la rainure associée dans le support de spires extrêmes correspondant, des moyens ( 96 104) reliant entre elles les galeries afin de faire circuler un liquide de refroidissement entre ces galeries ou en les faisant passer dans les canaux à fluide de refroidissement et dans les rainures des supports de spires extrêmes. 2 Machine électrique tournante selon la revendication 1, caractérisée en ce que les spires logées dans les rainures du corps forment un réseau en nid d'abeilles lorsqu'elles sont vues en coupe transversale. 3 Machine électrique tournante,caractérisee en ce qu'elle comporte un stator ( 10) présentant une ouver5 ture ( 16) de réception d'un rotor ( 18) qui tourillonne dans cette ouverture et qui comprend un corps ( 20) en matière aimantable présentant au moins deux rainures opposées, s'étendant axialement, un support ( 22) de spires extrêmes monté sur chaque extrémité du corps et présentant une rainu10 re ( 38) s'étendant radialement, débouchant axialement et alignée sur les rainures du corps afin de définir un passage continu destiné à recevoir des bobinages, au moins un bobinage ( 40), disposé dans le passage, étant composé de plusieurs spires ( 56 72) d'un conducteur électrique de sec15 tion sensiblement circulaire, lesdites spires étant enroulées avec précision en plusieurs couches ( 42 54), les interstices ( 74) entre les spires définissant des canaux à fluide de refroidissement, de dimensions uniformes et s'étendant axialement, des entretoises ( 76), disposées dans les rainures 20 des supports de spires extrêmes, écartant les spires de couches adjacentes d'une distance suffisante pour permettre au fluide de refroidissement de pénétrer dans ou de sortir des canaux à fluide de refroidissement, et des moyens ( 96 104) étant destinés à faire circuler un liquide de refroidissement 25 dans ces canaux et dans les rainures des supports de spires extrêmes. 4 Machine électrique tournante,caractérisee en ce qu'elle comporte un stator ( 10) présentant une ouverture ( 16) qui loge un rotor ( 18) tourillonnant dans cette ouver30 ture et comprenant un corps ( 20) en matière aimantable présentant au moins deux rainures opposées, s'étendant axialement, un support ( 22) de spires extrêmes étant monté sur chaque extrémité du corps et présentant une rainure ( 38) s'étendant radialement, débouchant axialement et alignée sur 35 les rainures du corps afin de définir un passage continu destiné à recevoir des bobinages, au moins un bobinage ( 40) logé dans le passage étant composé de plusieurs spires ( 56 72) il d'un conducteur électrique à section sensiblement circulaire, lesdites spires étant enroulées avec précision en plusieurs couches ( 42 54) telles que chacune des spires successives d'une couche donnée est parallèle à et est sensiblement en butée avec la spire précédente et que les spires de chacune des couches successives sont parallèles a et sensiblement en butée avec deux spires de chacune des couches précédente et suivante à l'intérieur des rainures du corps, les interstices ( 74) entre les spires définissant 10 des canaux a fluide de refroidissement, s'étendant axialement, des entretoises ( 76) s'étendant radialement étant logées dans chacune des rainures des supports de spires extrêmes et écartant les spires de couches adjacentes d'une distance suffisante pour permettre à un fluide de refroidis15 sement de pénétrer dans ou de sortir des canaux à fluide de refroidissement, deux galeries ( 80, 90) à fluide de refroidissement étant associées chacune à un support de spires extrêmes et étant en communication fluide avec la rainure associée du support correspondant, et des moyens ( 96 104) 20 reliant entre elles les galeries afin de faire circuler entre elles un liquide de refroidissement en le faisant passer par les canaux à fluide de refroidissement et dans les rainures des supports de spires extrêmes.