Brevet FR2698215A1 — publié le 19940520

i " Alternateur à courant triphasé, comportant une éva- cuation de chaleur améliorée par des nervures mon- tées sur les ailettes du ventilateur " La présente invention concerne un alterna- teur à rotor à griffes polaires monté sur un arbre, ce rotor étant formé de platines munies de griffes et d'un enroulement d'excitation ainsi que d'un ventila- teur placé sur la face frontale entre la platine et le boîtier du stator.10 Usuellement de tels alternateurs se compo- sent d'un boîtier de stator portant le paquet des en- roulements du stator ainsi que d'un panneau de palier recevant un rotor à griffes polaires. Le rotor à griffes polaires lui même se com- pose d'un arbre muni d'un enroulement d'excitation sur un noyau et de part et d'autre des platines avec des griffes polaires Sur le côté extérieur des platines, il y a des ventilateurs radiaux portant des ailettes de ventilateur.20 Lorsque l'alternateur fonctionne, il y a des pertes dites d'excitation dans l'enroulement d'excita- tion et dans les fers du rotor, il y a des pertes par hystérésis qui constituent globalement des sources de chaleur de déperdition.25 Le ventilateur ainsi prévu a tendance à éva- cuer aussi rapidement que possible cette chaleur de déperdition Dans la réalisation actuelle, cette éva- cuation présente toutefois certaines limites, car le ventilateur monté directement sur les platines ne per- met d'évacuer la chaleur qu'au point de fixation du ventilateur et l'entrefer qui existe par ailleurs en- tre le ventilateur et la platine gène cette évacuation de la chaleur. Or, une évacuation insuffisante de la cha- leur dégagée limite les possibilités de charge thermi- que des alternateurs et influence par suite le rende- ment global. La présente invention a notamment pour but de créer un alternateur correspondant au type défini ci-dessus dans lequel une amélioration de l'évacuation de la chaleur au niveau du rotor à griffes polaires permet d'augmenter la puissance. A cet effet, l'invention concerne un alter- nateur correspondant à la définition ci-dessus carac- térisé en ce qu'au moins sur l'une des platines, le ventilateur fixé à la face frontale opposée à l'enrou- lement d'excitation y est maintenu écarté par des ner- vures d'écartement prévues à cet endroit, le courant d'air radial parcourant les nervures de l'intérieur vers l'extérieur. On a constaté que lorsque le ventilateur était fixé par des saillies analogues à des nervures à la surface des platines sur la face frontale opposée à l'enroulement d'excitation, on augmente d'une part l'évacuation de la chaleur de déperdition de la pièce d'excitation et d'autre part, le ventilateur donne un débit volumique fortement augmenté du fait des moyens supplémentaires et augmente ainsi la puissance de re- froidissement. Le montage des nervures sur les ailettes du ventilateur améliore encore plus les conditions de l'écoulement. Grâce à l'abaissement global rendu ainsi possible de la température du rotor, on diminue l'aug- mentation de la résistance d'excitation par les pertes d'excitation et de fer et cela permet ainsi d'augmen- ter la puissance fournie par l'alternateur par augmen- tation du courant d'excitation. En outre, la conception statique améliorée des ailettes de ventilateur améliore la résistance aux variations de vitesses de rotation du ventilateur de sorte que même aux vitesses de rotation élevées, il n'y a aucune réduction du rendement et le niveau de bruit du ventilateur est maintenu dans les limites ac- ceptables. Suivant une autre caractéristique de l'in- vention, les nervures sont alignées principalement dans la direction radiale et sont matricées ou injec- tées sur les platines. Suivant une autre caractéristique de l'in- vention, le ventilateur est constitué par un ruban plat replié en forme de méandres, formant des parties en relief et des parties en retrait reliées par des surfaces de liaison axialement en saillie, allant de l'intérieur vers l'extérieur. Suivant une autre caractéristique de l'in- vention, les surfaces de liaison font un angle par rapport à la direction radiale. Suivant une autre caractéristique de l'in- vention, les parties en relief sont associées chaque fois à une découpe réalisée dans la périphérie exté- rieure de la platine entre les griffes. Suivant une autre caractéristique de l'in- vention, les parties en retrait du ruban plat sont fixées sur les nervures. Suivant une autre caractéristique de l'in- vention, les nervures ont une longueur différente et commencent avec un rayon différent. Suivant une autre caractéristique de l'in- vention, les nervures sont distantes dans la direction périphérique, pour former entre elles des canaux de ventilation. Suivant une autre caractéristique de l'in- vention, les nervures ont une hauteur différente et le ventilateur n'est fixé solidairement à la face fronta- le de la platine qu'au niveau des nervures les plus hautes. Suivant une autre caractéristique de l'in- vention, les nervures sont réalisées par des suages de la plaque de base du ventilateur. Suivant une autre caractéristique de l'in- vention, la plaque de base, les ailettes de ventila- teur et les nervures sont réalisées en une seule pièce par matriçage et/ou pressage. La présente invention sera décrite ci-après à l'aide de différents exemples de réalisation repré- sentés aux dessins annexés dans lesquels La figure 1 est une coupe longitudinale d'un alternateur. La figure 2 est une coupe longitudinale d'un rotor à griffes polaires à deux ventilateurs ra- diaux. La figure 3 est une vue de dessus d'une variante de réalisation possible d'un ventilateur ra- dial. La figure 4 est une vue de dessus d'une autre variante possible du ventilateur radial. La figure 5 est une coupe selon la ligne A-A' de la figure 4. La figure 6 est une vue de dessus d'une platine, le ventilateur ayant été enlevé. La figure 7 est une coupe partielle d'un ventilateur radial sur lequel ont été estampées des nervures. L'alternateur 10 selon la figure 1 présente une construction connue dans sa structure de base et se compose d'un panneau de palier 12 du côté de l'entraînement et d'un panneau de palier 14 du côté des balais et de préférence un stator 16 maintenu en- tre ces deux panneaux de palier dans une position cen- trée; le stator 16 se compose des lamelles de stator 18 et de l'enroulement de stator 20 Les coussinets de palier sont reliés dans le plan médian par une liaison à vis 22 et par une liaison à accrochage 24; ces cou- pelles comportent en leur milieu un renforcement 26 pour recevoir les paliers 28 du rotor L'arbre 30 pas- sant par les paliers de rotor 28 porte un noyau 31, un enroulement d'excitation 32 ainsi que du côté de l'en- traînement, une platine 34 qui se termine par des griffes 33 et du côté des balais, une autre platine 38 se terminant par des griffes 35. Les platines 34 et 38 portent chaque fois un ventilateur radial 40 du côté opposé à celui de l'en- roulement d'excitation 32. Le ventilateur radial 40 comporte des pales de ventilateur 42 et avec sa plaque de base 44, il est soudé sur des nervures 36 alignées de préférence dans la direction radiale et prévues sur les platines 34, 38 La plaque de base 44 du ventilateur radial 40 com- porte en outre une ouverture 43 autour de l'arbre 30. Les nervures 36 sont formées sur les platines 34, 38 pour obtenir entre elles des canaux de ventilation 39. Le panneau de palier 12 du côté de l'entraî- nement est prolongé par son bord 37 situé au niveau de la périphérie extérieure de l'alternateur 10, au-delà de l'enroulement de stator 20 Ce prolongement du bord 37 donne des fentes de refroidissement 41, prolongées à la périphérie du panneau de palier 12. La figure 2 montre un autre rotor à griffes polaires 11 avec des ventilateurs radiaux 40 représen- tés en détail Le rotor à griffes polaires 11, d'un alternateur 10 possède des platines 34, 38 montées sur l'arbre 30 et se terminant par des griffes 33 et 35. L'enroulement d'excitation 32 est prévu autour du noyau 31 A une distance des platines 34 et 38, se trouvent les ventilateurs radiaux 40; la distance ré- sulte des nervures 36 formées sur les platines 34 et 38 Les ventilateurs radiaux 40 sont fixés sur quel- ques unes des nervures 36 par exemple par soudure. Comme les nervures 36 sont écartées les unes des au- tres, on a des canaux 39 également radiaux entre au moins chaque fois deux nervures 36. La description fonctionnelle suivante se li- mite principalement à la fonction de ventilation de l'alternateur 10. Lorsque l'alternateur 10 fonctionne, l'en- roulement d'excitation 32 parcouru par le courant en- gendre des pertes d'excitation et par l'aimantation du noyau 31 et des platines 34, 38 ou des griffes 33, 36, on a des pertes par hystérésis qui conduisent à un dé- gagement de chaleur. Cette chaleur dégagée est évacuée par la surface de la platine opposée à celle de l'enroulement d'excitation 32 et par les ventilateurs radiaux 40. Les nervures 36 radiales des platines 34, 38 assurent pour le dispositif une seconde fonction de ventilateur radial à la rotation de l'arbre 30, en plus de celle assurée par les pales de ventilateur 42 entre la plaque de base 44 de ventilateur et les pla- tines 34, 38. L'augmentation de la surface extérieure des platines par les nervures 36 du côté opposé à celui de l'enroulement et par l'attaque dirigée de l'écoulement sur les nervures à la rotation du rotor 11, on garan- tit une évacuation améliorée de manière significative des pertes engendrées par l'enroulement d'excitation et des pertes dans le fer Il en résulte une moindre résistance de l'excitatrice et ainsi un courant d'ex- citation plus important. La modification des orifices de sortie d'air du boîtier, en particulier par le déplacement du bord au-delà de l'enroulement de stator 20 et le prolon- gement des fentes de refroidissement 42 jusqu'au-delà du paquet des tôles du stator, permettent de diriger le courant d'air de refroidissement également par des- sus une partie du paquet des tôles du stator par com- paraison avec les réalisations connues dans lesquelles le balayage se fait exclusivement de manière radiale autour et à travers les têtes d'enroulement. La figure 3 montre en vue de dessus un autre mode de réalisation du ventilateur radial 40 et illus- trant mieux le détail de la construction; le ventila- teur 40 n'est représenté que dans la moitié inférieure du rotor. Le ventilateur radial 40 se compose d'une couronne d'ailettes de ventilateur 42 Les ailettes ou pales de ventilateur 42 sont constituées par un ruban plat 46, replié suivant une forme de méandres formant des parties en relief 48 et des parties en retrait 50 ayant une forme conique allant en augmentant de l'in- térieur ver l'extérieur suivant la direction radiale. Les parties en saillie 48 et les parties en retrait 50 alternent et occupent toute la périphérie du ventilateur radial 40 Les surfaces de liaison 52, axiales, entre les parties en saillie 48 et les par- ties en retrait 50 forment les ailettes de ventilateur 42 Les surfaces de liaison 52 peuvent également dé- vier de la direction radiale d'un angle a (voir figure 4) La platine 38 possède des découpes 56 dans sa pé- riphérie extérieure 54 entre les griffes 35 Les dé- coupes 56 se trouvent chaque fois sous une partie en relief 48 du ruban plat. Le côté de la platine 34 opposé à celui de l'enroulement d'excitation 32 possède des nervures 36 alignées radialement et qui sont écartées les unes des autres pour former entre elles des canaux de ventila- tion 39 Les nervures 36 peuvent également faire un angle +P par rapport à la direction radiale. Le ventilateur 40 se fixe sur les nervures 36 au niveau des parties en retrait 50, par exemple par une soudure par points. Selon la variante de réalisation représentée à la figure 4, le ventilateur radial 40 est réalisé sous la forme d'une pièce estampée ou pressée Les mê- mes parties portent toujours les mêmes références. La pièce pressé ou estampée permet une plus grande liberté de forme pour le ventilateur, mais elle entraîne toutefois une perte de matière plus importan- te En particulier, cette variante de réalisation per- met d'avoir des angles a plus importants. La figure 5 montre le détail d'un ruban plat 46 replié en méandres sur les nervures 36 de la plati- ne 38. La hauteur des nervures 36 peut être varia- ble si bien que chaque nervure 36 n'arrive pas néces- sairement à une partie en retrait 50 ou encore, au ni- veau de la découpe 56 ou la partie en relief 48 peut dépasser le niveau des parties en retrait 50. Il apparaît notamment que la surface de liaison 52 a une section très largement constante pour la partie en relief 48 et forme ainsi une ailette de ventilateur 42 recourbée vers l'arrière. La rotation du ventilateur radial fixé à la platine 38 crée un courant d'air passant sur la plati- ne 38, qui évacue la chaleur dégagée à travers les fentes de ventilation 41 (voir figure 1) La disposi- tion des nervures 36 forme un second ventilateur ra- dial entre le ventilateur et la platine, augmentant ainsi de manière décisive le rendement global de la ventilation permettant à une partie déterminée du cou- rant d'air d'être dirigée sur la platine 38 dont les nervures 36 augmentent la surface. La figure 6 montre une vue de dessus du côté de la platine 38 opposée à l'enroulement d'excitation 32; le ventilateur radial 40 n'est pas représenté. Cette vue illustre clairement que les nervures 36 peu- vent être dimensionnées différemment; elles peuvent notamment avoir une longueur différente et commencer sur un rayon différent. La vue de la figure 7 montre que les nervu- res 36 sont formées des suages 45 en relief par rap- port à la plaque de base 44 du ventilateur radial 40. Cela permet ainsi de manière simple de ré- aliser à partir d'une seule tôle l'ensemble du venti- lateur radial 40 avec ses ailettes 42 et ses nervures 36 faisant corps Le ventilateur 40 se fixe par ses nervures 36, par exemple une soudure par points sur la platine 38. Cela permet une fabrication plus simple des platines 34 et 38 du rotor à griffes polaires 11, car il n'a pas à avoir de nervures 36 matricées ou injec- tées On peut ainsi décider à posteriori si tel ou tel rotor à griffes 11 doit, suivant son application, re- cevoir un ventilateur radial 40 selon l'invention ou un ventilateur radial connu Dans le cas du ventila- teur selon l'invention, on augmente l'évacuation de la chaleur des platines 34, 38 par un courant d'air diri- gé par dessus toute la surface. il R E V E N D I C A T I O N S 1) Alternateur à boîtier de stator et rotor à griffes polaires monté sur un arbre, ce rotor étant formé de platines munies de griffes et d'un enroule- ment d'excitation ainsi que d'un ventilateur placé sur la face frontale entre la platine et le boîtier du stator, alternateur caractérisé en ce qu'au moins sur l'une des platines ( 34, 38) le ventilateur ( 40) fixé à la face frontale opposée à l'enroulement d'excitation ( 32) y est maintenu écarté par des nervures d'écarte- ment ( 36) prévues à cet endroit, le courant d'air ra- dial parcourant les nervures ( 36) de l'intérieur vers l'extérieur. 2) Alternateur selon la revendication 1, ca- ractérisé en ce que les nervures ( 36) sont alignées principalement dans la direction radiale et sont ma- tricées ou injectées sur les platines ( 34, 38). 3) Alternateur selon l'une des revendica- tions précédentes, caractérisé en ce que le ventila- teur ( 40) est constitué par un ruban plat ( 46) replié en forme de méandres, formant des parties en relief ( 48) et des parties en retrait ( 50) reliées par des surfaces de liaison ( 52) axialement en saillie, allant de l'intérieur vers l'extérieur. 4) Alternateur selon la revendication 3, ca- ractérisé en ce que les surfaces de liaison ( 52) font un angle (a) par rapport à la direction radiale. ) Alternateur selon l'une des revendica- tions 3 ou 4, caractérisé en ce que les parties en re- lief 48 sont associées chaque fois à une découpe ( 56) réalisée dans la périphérie extérieure de la platine ( 34, 38) entre les griffes ( 33, 35). 6) Alternateur selon l'une des revendica- tions 3 à 5, caractérisé en ce que les parties en re- trait ( 50) du ruban plat ( 46) sont fixées sur les ner- vures ( 36). 7) Alternateur selon l'une des revendica- tions précédentes, caractérisé en ce que les nervures ( 36) ont une longueur différente et commencent avec un rayon différent. 8) Alternateur selon l'une des revendica- tions précédentes, caractérisé en ce que les nervures ( 36) font un angle (y) par rapport à la direction ra- diale. 9) Alternateur selon l'une des revendica- tions précédentes, caractérisé en ce que les nervures ( 36) sont distantes dans la direction périphérique, pour former entre elles des canaux de ventilation ( 39),. 10) Alternateur selon l'une des revendica- tions précédentes, caractérisé en ce que les nervures ( 36) ont une hauteur différente et le ventilateur ( 40) n'est fixé solidairement à la face frontale de la pla- tine ( 34, 38) qu'au niveau des nervures les plus hau- tes ( 36). 11) Alternateur selon l'une des revendica- tions 7 à 10, caractérisé en ce que les nervures ( 36) sont réalisées par des suages ( 45) de la plaque de base ( 44) du ventilateur ( 40). 12) Alternateur selon l'une des revendica- tions précédentes, caractérisé en ce que la plaque de base ( 44), les ailettes de ventilateur ( 42) et les nervures ( 36) sont réalisées en une seule pièce par matriçage et/ou pressage.