Brevet FR2645366A1 — publié le 19901005

MACHINE ELECTRIQUE A TUBE D'ECHANGE CENTRIFUGE DE CHALEUR POUR LE REFROIDISSEMENT DU ROTOR La présente invention concerne les machines électriques tournantes et a, notamment, pour objet les machines électri- ques à tube d'échange centrifuge de chaleur pour le refroi- dissement du rotor. L'invention peut être utilisée pour des moteurs à cou- rant continu à couple élevé, les moteurs asynchrones réglables à rotor en court-circuit ainsi que pour des moteurs à rotor à bagues, à glissement élevé et démarrages fréquents. On connaît une machine électrique (DE-A-1 928 358) dans laquelle le rotor est monté d'une manière étanche sur un arbre creux fermé et réalisé sous la forme d'un tube d'échange de chaleur rempli partiellement d'un agent liquide d'échange de chaleur. Le tronçon sur lequel est fixé le rotor constitue la zone d'évaporation de l'agent d'échange de chaleur. Les tron- çons de l'arbre, disposés des deux côtés du rotor, servent de zone de transfert et de zone de condensation des vapeurs émises par l'agent d'échange de chaleur. La surface intérieure de tous les tronçons de l'arbre est cylindrique et son rayon est constant sur toute la longueur de l'arbre. Pendant le fonctionnement de la machine électrique, le rotor s'échauffe. Sous l'action de la chaleur, l'agent liquide d'échange de chaleur passe dans la zone d'évaporation à l'état de vapeur en se déplaçant vers les zones de condensation disposée à l'ex- trémité de l'arbre de deux côtés de la zone d'évaporation. Après la condensation des vapeurs, la chaleur de condensation est cédée au milieu environnant. Pendant la rotation du rotor, un courant fermé d'agent d'échange de chaleur se forme sous l'action des forces centrifuges dans la cavité intérieure de 26'45366 l'arbre qui assure ainsi l'évacuation de la chaleur suivant le principe du tube d'échange centrifuge de chaleur. Dans la structure envisagée ci-dessus, le tube d'échange de chaleur présente une surface faiblement développée tant dans la zone de condensation de l'agent d'échange de chaleur (surface intérieure de l'arbre dans la zone de condensation) que dans la zone o la chaleur est cédée à l'espace environ- nant (surface extérieure de l'arbre dans la zone de condensa- tion) et, en outre, la paroi de l'arbre dans la zone de conden- sation est très épaisse. Ces particularités de la structure d'échange de chaleur limitent les capacités de transmission de chaleur du tube d'échange de chaleur de la machine électrique qui dégage la chaleur à évacuer. On connait une machine électrique qui est munie d'un tube d'échange centrifuge de chaleur pour le refroidissement du rotor (SU-A-678 599), et dont le stator logé dans une car- casse entoure un rotor monté suivant son axe longitudinal. Le rotor est monté sur un arbre creux, réalisé sous la forme d'un tube d'échange de chaleur et monté rotatif dans le corps par l'intermédiaire des paliers d'appui. L'un des tronçons de l'arbre placé dans la zone du rotor constitue la zone d'évapo- ration de l'agent d'échange de chaleur et la zone de transfert des vapeurs d'agent d'échange de chaleur remplissant par- tiellement le tube d'échange de chaleur. La surface intérieure de ce tronçon présente une forme cylindrique à rayon constant sur toute sa longueur. L'autre secteur de l'arbre, disposé à l'extérieur de la zone du rotor constitue la zone de conden- sation des vapeurs de l'agent d'échange de chaleur et est réalisé sous la forme d'un cône tronqué dont la surface exté- rieure est munie des nervures et dont la plus grande base est orientée vers le rotor. Les nervures sont réalisées sous la forme de gaufrages longitudinaux dont la hauteur variable diminue à partir de la petite base vers la grande base et elles sont pourvues d'une bague de guidage entourant la sur- face extérieure des gaufrages de la petite base. Dans la machine électrique connue, la zone de condensation des vapeurs d'agent d'échange de chaleur est caractérisée également par des surfaces faiblement développées sur lesquelles les vapeurs se condensent et sur lesquelles s'effectue l'échange extérieur de la chaleur et, par conséquent, les possibilités de refroi- dissement du rotor se trouvent limitées. Il en résulte que la puissance des machines électriques refroidies par un tube d'échange centrifuge de chaleur est limitée. On s'est donc proposé de créer une machine électrique munie d'un tube d'échange centrifuge de chaleur pour le re- froidissement du rotor, dans laquelle le mode de réalisation du tube d'échange centrifuge de chaleur permettrait, grâce à l'augmentation notable de la surface sur laquelle se produit - la condensation des vapeurs d'agent d'échange de chaleur et de la surface extérieure qui cède la chaleur, d'augmenter l'effi- cacité du refroidissement de la machine électrique et d'assu- rer le refroidissement des machines électriques de grande puissance. Le problème ainsi posé est résolu à l'aide d'une machine électrique munie d'un tube d'échange centrifuge de chaleur pour le refroidissement du rotor et comportant: un stator monté dans une enveloppe en carcasse et entourant un rotor qui est logé avec du jeu suivant son axe longitudinal et monté sur un arbre creux fixé dans les parois latérales de l'enveloppe par l'intermédiaire de paliers d'appui et qui constitue un tube d'échange de chaleur, l'un des tronçons de l'arbre creux disposé dans la zone du rotor et dont la surface intérieure est cylindrique faisant fonction de zone d'évaporation d'un agent d'échange de chaleur qui remplit partiellement le tube d'échange de chaleur et de zone de transfert des vapeurs d'agent d'échange de chaleur, l'autre tronçon de l'arbre creux étant disposé à l'extérieur de la zone du rotor servant de zone de condensation des vapeurs d'agent d'échange de chaleur, caractérisée selon l'invention en ce que le tronçon de l'arbre creux servant de zone de condensation des vapeurs de l'agent d'échange de chaleur est constitué par un groupe de tubes dont les extrémités d'un côté sont fixées dans des trous traver- sants ménagés dans un disque rendu solidaire de l'arbre creux et sont ouvertes et orientées vers la zone de transfert des vapeurs de l'agent d'échange de chaleur et en ce que les extrémités des tubes de l'autre côté sont obturées et dispo- sées à l'extérieur du corps. Il est avantageux que la machine électrique comporte un bottier perforé fixé sur le corps et recevant les extrémités ouvertes des tubes disposés à l'extérieur du corps. Selon l'un des modes de réalisation de la machine élec- trique, chaque tube peut présenter une section transversale ronde ou ovale. Dans le but d'augmenter la transmission de la chaleur, il est avantageux que les tubes soient réalisés en un matériau à haute conductibilité thermique. Pour augmenter la surface extérieure à partir de laquelle est évacuée la chaleur, il est utile que les tubes soient munis d'un groupe de plaques ou d'ailettes montées superposées dans le sens de la longueur des tubes dans les plans sensible- ment perpendiculaires aux axes longitudinaux des tubes, chaque plaque étant munie de trous dans lesquels les tubes sont engagés et fixés. Afin d'améliorer les conditions d'entrée des vapeurs d'agent d'échange de chaleur dans les cavités intérieures des tubes, il est avantageux que le disque soit fixé à l'extrémité du tronçon de l'arbre creux dont la surface intérieure est cylindrique et qui sert de zone de transfert des vapeurs d'agent d'échange de chaleur. Dans le but de réduire l'encombrement de la machine électrique et de diminuer l'influence des pertes de chaleur du rotor sur les paliers d'appui, il est avantageux que le disque soit fixé à l'intérieur du tronçon de l'arbre creux qui pré- sente une surface intérieure cylindrique et qui sert de zone de transfert des vapeurs de l'agent d'échange de chaleur. Pour supprimer la fuite de la phase liquide de l'agent d'échange de chaleur depuis la zone d'évaporation dans les cavités intérieures des tubes, il est avantageux que les trous soient disposés sur le disque suivant des circonférences concentriques et que les tubes fixes dans ces trous de la circonférence périphérique soient disposés à distance de la surface intérieure de l'arbre creux. Dans le but de réduire l'excès de condensat de l'agent d'échange de chaleur dans les tubes et d'accélérer son évacua- tion hors de ceux-ci vers la zone d'évaporation, il est avan- tageux que les tubes soient montés sur le disque de façon que l'axe longitudinal de chaque tube forme avec l'axe longitudi- nal de l'arbre un angle aigu, les extrémités des tubes dispo- sés à l'extérieur du corps étant inclinées par rapport à l'axe susmentionné de l'arbre creux. L'extrémité de chaque tube peut être obturée séparément mais dans le but de réduire l'influence du gaz non condensable sur le rendement de transmission de la chaleur, il est plus avantageux que les extrémités des tubes soient obturées à l'aide d'un collecteur commun monté sur ceux-ci et qui est relié par sa cavité intérieure aux cavités intérieures des tubes. L'invention permet d'augmenter la surface d'échange de chaleur de deux à trois fois et le coefficient de transmission de chaleur jusqu'à deux fois. Cela permet de réduire notable- ment la température du rotor et du stator et d'élever simulta- nément le rendement de la machine électrique. L'invention s'applique avantageusement au refroidissement des rotors et des stators des machines électriques dont la puissance est de l'ordre de 110 à 132 kW. D'autres buts, avantages et caractéristiques de l'inven- tion apparaîtront à la lecture de la description suivante explicative de différents modes de réalisation et faite à titre non limitatif et en regard du dessin annexé o: - la figure 1 représente en coupe schématique une vue d'ensemble d'une machine électrique compor- tant un tube d'échangeur centrifuge de chaleur pour le refroidissement du rotor, selon l'invention; - la figure 2 représente un disque auquel sont fixés des tubes, selon l'invention; - la figure 3 représente une variante de réalisation de la machine électrique selon l'invention, dans laquelle le disque est monté à l'inté- rieur du tronçon de l'arbre creux dont la surface intérieure est cylindrique, et qui sert de zone de transfert des vapeurs de l'agent d'échange de chaleur, selon l'in- vention; - la figure 4 représente un ensemble de tubes d'échange de chaleur comportant une zone de condensa- tion des vapeurs de l'agent d'échange de chaleur dans lequel l'axe longitudinal de chacun des tubes forme avec l'axe longitu- dinal de l'arbre un angle aigu, selon l'invention; et - la figure 5 représente un ensemble de tubes d'échange de chaleur comportant une zone de conden- sation des vapeurs d'agent de chaleur, selon l'invention. La machine électrotechnique ou électromotrice munie d'un tube d'échange centrifuge de chaleur comporte un stator 1 (figure 1), monté dans une enveloppe 2. Un rotor 3 est logé avec du jeu dans le stator I suivant son axe longitudinal et est monté sur un arbre creux 4 servant de tube d'échange de chaleur. L'arbre 4 est fixé dans les parois latérales de l'enveloppe ou carcasse 2 aux moyens de paliers intermé- diaires 5 et 6. Un tronçon 7 de l'arbre 4, à surface intérieu- re cylindrique et qui est disposé dans la zone du rotor 3, sert de zone 8 d'évaporation de l'agent d'échange de chaleur, remplissant partiellement le tube d'échange de chaleur et de zone 9 de transfert de l'agent d'échange de chaleur. Un tron- çon 10 de l'arbre 4 servant de zone 11 de condensation des vapeurs de l'agent d'échange de chaleur est formé par un groupe de tubes 12 montés coaxialement dans des trous réalisés dans un disque 13 qui vient fermer l'extrémité du tronçon 7 de l'arbre 4. Les extrémités des tubes 12 fixés sur le disque 13 sont ouvertes et orientées vers la zone 9 de transfert des vapeurs d'agent d'échange de-chaleur tandis que les extrémités oppo- sées des tubes 12, qui sont disposés à l'extérieur du corps 2, sont obturées. L'extrémité de chacun des tubes 12 est obturée séparément. La machine électrique est munie d'un boîtier perforé 14 fixé sur l'enveloppe 2 et entourant les extrémités des tubes 12 disposés à l'extérieur de l'enveloppe 2. Les tubes 12 sont munis d'un groupe de plaques ou d'ailettes 15, montées successivement l'une derrière l'autre dans le sens de la longueur des tubes 12 dans des plans perpendiculaires aux axes longitudinaux des tubes 12. Les trous peuvent être disposés sur le disque 13 de différentes façons. Les figures 1 et 2 représentent une dispo- sition suivant les diamètres des circonférences concentri- ques d1 et d2, les tubes 12 étant fixés dans les trous dispo- sés selon des circonférences périphériques sont montés à distance de la surface intérieure de l'arbre creux 4. Les tubes 12 sont réalisés à partir d'un matériau à haute conductibilité thermique et peuvent présenter une sec- tion transversale ronde mais aussi ovale. Pour réduire l'encombrement de la machine et diminuer l'influence des pertes thermiques du rotor 3 sur les paliers d'appui 6, on monte le disque 3 (figure 3) à l'intérieur du tronçon 7 de l'arbre creux 4, dont la surface intérieure est cylindrique entre le rotor 3 et les paliers 6. Afin de réduire l'accumulation de condensat dans les tubulures 12 et d'accélérer son évacuation hors de ces tubes vers la zone d'évaporation 8 de l'agent d'échange de chaleur, on monte les tubes 12 (figure 4) dans une position telle que l'axe longitudinal de chaque tube 12 forme, avec l'axe longi- tudinal de l'arbre creux 4, un angle aigu a, les extrémités obturées des tubes 12 étant inclinées par rapport à l'axe de l'arbre creux 4. Pour réduire la perte de rendement du transfert thermi- que provoquée par les gaz non condensés, on ferme les extrémi- tés des tubes 12 (figure 5) à l'aide d'un collecteur creux 16 dans l'une des parois latérales duquel sont réalisés des trous dans lesquels sont engagés des tubes 12, dont l'espace inté- rieur est relié à la cavité intérieure du collecteur 16. Une cavité axiale 17 de forme conique est ménagée dans la paroi opposée du collecteur 16. La machine selon l'invention équipée d'un tube d'échange centrifuge de chaleur pour le refroidissement du rotor fonc- tionne de la manière suivante. Pendant la rotation, le rotor du moteur 3 (figure 1) s'échauffe sous l'effet des pertes électriques qui s'y développent et sa chaleur est transmise à l'agent liquide d'échange de chaleur se trouvant dans la zone 8 d'évaporation du tube d'échange de chaleur. En absor- bant la chaleur, l'agent d'échange de chaleur s'évapore par- tiellement et la vapeur, qui se forme alors, se déplace vers les tubes d'échange de chaleur 12 grâce à la différence entre la pression régnant dans la zone 8 et celle régnant dans la zone de condensation 11 formée par les cavités intérieures des tubes 12 et l'agent d'échange se condense sur les parois des tubes 12 en cédant à ceux-ci sa chaleur de vaporisation. Sous l'action des forces centrifuges, le condensat qui se forme s'accumule sur les tronçons des surfaces intérieures des- tubes 12 les plus éloignés de l'axe longitudinal de l'arbre 4 d'o il s'écoule vers la surface cylindrique de l'arbre creux 4 et revient dans la zone d'évaporation 8. Ainsi, un cycle fermé de circulation de l'agent d'échange de chaleur se forme pour évacuer les pertes thermiques dans le rotor 3. Dans le cas o les extrémités des tubes 12 (figure 5) sont obturées à l'aide du collecteur 16, le gaz non conden- sable entraîné dans le tube d'échange de chaleur s'accumule dans la cavité du collecteur 16. Dans ce mode de réalisation, la totalité de la surface des tubes 12 est utilisée dans le processus de transfert de chaleur. L'amélioration du refroidissement de la machine électri- que et l'augmentation de la puissance des machines électriques refroidies à l'aide d'un tube d'échange centrifuge de chaleur est obtenue du fait que la zone 11 de condensation des vapeurs d'agent d'échange de chaleur est constituée par un grand nombre de tubes 12 de petit diamètre qui assurent une augmen- tation notable de la surface intérieure sur laquelle les - vapeurs de l'agent d'échange de chaleur se condensent ainsi que de la surface extérieure qui cède la chaleur au milieu ambiant et également du fait de l'augmentation du coefficient de transmission de chaleur de ces surfaces. La surface totale de la zone de condensation 11 formée par les cavités intérieures de la pluralité de tubes 12 de petit diamètre peut être plusieurs fois (de 2 à 3 fois) supé- rieure à celle du cylindre de grand diamètre dans le plan transversal duquel ils pourraient être inscrits. L'application d'un tube d'échange de chaleur réalisé selon l'invention a un moteur asynchrone de 55 kW a permis de réduire la température de l'enroulement stator de 30 C et de réduire celle du rotor en court-circuit de 90 C tout en augmen- tant simultanément le rendement de 0,5 %. Bien entendu, la présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits et représentés mais elle est susceptible de nombreuses variantes accessibles à l'homme de l'art sans que l'on ne s'écarte de l'esprit de l'invention. REVENDICATIONS 1.- Machine électrique munie d'un tube d'échange centri- fuge de chaleur pour le refroidissement du rotor et compor- tant: un stator monté dans une enveloppe ou carcasse et entou- rant un rotor qui est logé avec jeu suivant son axe longitudi- nal et monté sur un arbre creux fixé dans les parois latérales de l'enveloppe par l'intermédiaire de paliers d'appui et qui constitue un tube d'échange de chaleur, l'un des tronçons de l'arbre creux, disposé dans la zone du rotor et dont la sur- face intérieure est cylindrique, faisant fonction d'évapora- tion d'un agent d'échange de chaleur qui remplit partiellement le tube d'échange de chaleur et de zone de transfert des vapeurs de l'agent d'échange de chaleur, l'autre tronçon de l'arbre creux étant disposé à l'extérieur de la zone du rotor servant de zone de condensation des vapeurs d'agent d'échange de chaleur, caractérisée en ce que le tronçon (7) de l'arbre creux (4) servant de zone (11) de condensation des vapeurs de l'agent d'échange de chaleur est constitué par un groupe de tubes (12) dont les extrémités d'un côté sont fixées dans des trous traversants ménagés dans un disque (13) relié à l'arbre creux (4) et sont ouvertes et orientées vers la zone (9) de transfert des vapeurs de l'agent d'échange de chaleur et en ce que les extrémités desdits tubes de l'autre côté sont obturées et disposées à l'extérieur du corps (2). 2.- Machine électrique selon la revendication 1, carac- térisée en ce qu'elle comporte un boîtier perforé (14) fixé sur le corps (2) et recevant les extrémités ouvertes des tubes (12) disposés à l'extérieur du corps (2). 3.- Machine électrique selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que la section transversale de chaque tube (12) est ronde. 4.- Machine électrique selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que la section transversale de chaque tube (12) est ovale. 5.- Machine électrique selon l'une quelconque des reven- dications 1 à 4, caractérisée en ce que les tubes (12) sont fabriqués en un matériau à haute conductibilité thermique. 6.- Machine électrique selon l'une quelconque des reven- dications 1 à 5, caractérisée en ce que les tubes (12) sont munis d'un groupe de plaques ou d'ailettes (15) montées superpo- sées dans le sens de la longueur des tubes (12) dans des plans sensiblement perpendiculaires aux axes longitudinaux des tubes (12), les plaques étant munies de trous dans lesquels les tubes (12) sont engagés et fixés. 7.- Machine électrique selon l'une quelconque des reven- dications 1 à 6, caractérisée en ce que le disque (13) est fixé à l'extrémité du tronçon (7) de l'arbre creux (4), qui présente une surface intérieure cylindrique et qui sert de zone (9) de transfert des vapeurs de l'agent échangeur de chaleur. 8.- Machine électrique selon l'une quelconque des reven- dications 1 à 6, caractérisée en ce que le disque (13) est fixé à l'intérieur du tronçon (7) de l'arbre creux (4), qui présente une surface intérieure cylindrique et qui sert de zone (9) de transfert des vapeurs de l'agent d'échange de la chaleur. 9.- Machine électrique selon l'une quelconque des reven- dications 1 à 8, caractérisée en ce que les trous sont dispo- sés sur le disque (13) suivant des circonférences concentri- ques, les tubes (12) fixés dans les trous de la circonférence périphérique étant montés à distance de la surface intérieure de l'arbre creux (4). 10.- Machine électrique selon l'une quelconque des revendications 1 A 9, caractérisée en ce que les tubes (12) sont montés sur le disque (13) de façon que l'axe longitudinal de chaque tube forme, avec l'axe longitudinal de l'arbre creux (4), un angle aigu (a) et en ce que les extrémités des tubes (12) disposées à l'extérieur du corps (2) sont inclinées par rapport audit axe de l'arbre creux (4). 11.- Machine électrique selon l'une quelconque des revendications 1 à 10; caractérisée en ce que l'extrémité de chaque tube (12) est obturée séparément. 12.- Machine électrique selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisée en ce que les extrémités des tubes (12) sont obturées au moyen d'un collecteur commun (16), monté sur lesdits tubes et qui comporte sur l'une de ses parois latérales, des orifices et à travers lesquels sont engagés les tubes (12), la cavité intérieure du collec- teur commun (16) étant reliée aux cavités intérieures des tubes (12).