Brevet FR2790613A1 — publié le 20000908

AGENCEMENT DE MOTEUR ÉLECTRIQUE ENFERME DANS UN BO TIER EXTÉRIEUR ÉTANCHE DESCRIPTION L'invention décrite ici a trait à un agencement de moteur électrique enfermé dans un boîtier extérieur étanche. Ce boîtier doit être distingué du boîtier ordinaire, rencontré sur tout moteur, et qui sert à isoler ses pièces actives, balais, bobinages, rotor, etc. de l'extérieur pour éviter tant les dommages qu'elles pourraient subir par l'encrassement ou les chocs, que ceux qu'elles pourraient produire elles- mêmes par le contact électrique ou le mouvement de rotation. Le boîtier extérieur auquel on s'intéresse ici entoure tout le moteur, y compris son boîtier de protection, et le protège du milieu extérieur environnant. Un tel agencement à boîtier extérieur peut être rencontré dans des agitateurs de fluide, o le moteur entraîne une hélice ou un organe d'agitation équivalent et doit être plongé comme lui dans le fluide: le boîtier extérieur interdit au fluide d'atteindre le moteur. La chaleur produite par le travail du moteur doit trouver moyen de s'échapper et d'être absorbée par le fluide; on constate cependant que le transfert thermique du moteur au boîtier extérieur, par les pièces de montage, est assez faible, ce qui amène traditionnellement à limiter la production de chaleur: pour produire une puissance déterminée, on tend donc à choisir un couple de sortie élevé mais une vitesse faible, c'est-à-dire un moteur plutôt volumineux travaillant à un régime modéré, puisque l'échauffement est avant tout fonction de la vitesse de rotation. Dans certaines applications, le choix d'un moteur volumineux doit toutefois être rejeté; ou bien on souhaite disposer certains appareils supplémehtaires sur l'agitateur, dans le boîtier extérieur, et comme les contraintes d'encombrement ne permettent pas forcément d'accroître le volume du boîtier, ces appareils tendent à empiéter sur le volume jusqu'alors réservé au moteur: ces nouvelles contraintes d'aménagement poussent à choisir un moteur plus petit et travaillant à une vitesse de rotation plus élevée, mais l'échauffement produit deviendrait alors inadmissible. Un nouvel agencement de moteur électrique enfermé dans un boîtier extérieur étanche a donc été conçu et forme le sujet de cette invention; il est remarquable par la façon dont la chaleur produite par le moteur est évacuée vers l'extérieur: contrairement à l'art connu, le boîtier extérieur est empli d'un liquide dans lequel le moteur baigne et qui permet d'accomplir facilement le transfert de chaleur souhaité. On aura constaté que cette mesure semble rendre inutile le boîtier extérieur, dont l'étanchéité a pour effet d'empêcher le contact entre le moteur et le fluide environnant, généralement liquide, à agiter; il n'en est cependant rien puisque le liquide choisi ici est une huile diélectrique qui ne perturbe point le fonctionnement du moteur, tout en lubrifiant ses roulements et en ne causant aucune corrosion. Les essais ont montré que l'échauffement de l'appareil restait modéré et permettait des fonctionnements de longue durée, à condition de choisir une huile à la température de dégradation relativement élevée. L'huile est si peu dommageable au fonctionnement du moteur qu'on préconise même de faciliter son passage à l'intérieur de celui- ci: des mesures idoines consistent alors à percer le boîtier de protection du moteur ou à ôter le joint d'étanchéité disposé traditionnellement autour de l'arbre de sortie du moteur, pour produire ainsi des ouvertures. On préfère que le boîtier extérieur soit aussi bien empli que possible, mais on peut toutefois laisser un volume libre qui reste occupé par un gaz; un dispositif d'injection de gaz sous pression, branché au boîtier extérieur à l'endroit de ce ciel gazeux, permet alors de régler la pression régnant dans le boîtier. Afin d'améliorer le transfert thermique on peut vouloir accroître le refroidissement de l'huile: un perfectionnement important de l'invention répondant à cet objectif consiste à ajouter une boucle de circulation d'huile qu'on branche au boîtier extérieur par deux extrémités opposées et qui s'étend hors du boîtier extérieur, en offrant un contact important, par une superficie étendue, avec une portion du fluide environnant qui est un peu plus éloignée du boîtier extérieur et tend donc à rester plus froide; une pompe est disposée dans le boîtier extérieur pour forcer une circulation d'huile à travers la boucle. Bien entendu, il est avantageux que les extrémités de la boucle débouchent dans des régions opposées du boîtier, par exemple près de son sommet et de son fond. Dans le cas d'un agitateur à hélice, il est particulièrement utile que la boucle encercle le dispositif agitateur, car elle contribue alors à canaliser le fluide environnant entraîné par l'hélice tout en voyant renouveler constamment devant elle le fluide frais: les organes d'agitation et de refroidissement deviennent en quelque sorte associés puisqu'ils contribuent à améliorer la performance l'un de l'autre. Le boîtier peut loger, outre le moteur d'entraînement du mobile agitant le fluide, d'autres équipements, par exemple au moins une partie d'un moyen de pompage ou de prélèvement d'échantillons du fluide; le moteur de ce moyen de pompage ou de prélèvement est alors protégé par le boîtier de la même façon que le moteur d'entraînement. Une description plus complète d'une réalisation particulière de l'invention sera maintenant faite en se référant aux figures suivantes: * les figures 1 et 2 sont deux vues en coupe longitudinale du boîtier selon deux plans perpendiculaires, * la figure 3 est une vue de détail du sommet du boîtier, * la figure 4 est une vue de dessus du boîtier, * et les figures 5 et 6 sont deux vues en coupe transversale du boîtier illustrant le haut et le bas de son contenu. La description sera faite avant tout à l'aide des figures 1 et 2, qui sont générales. L'appareil considéré est un agitateur de boues ou d'autres fluides tels que des résines et des concentrats, et il est inclus dans un boîtier extérieur 1 cylindrique, disposé verticalement et qui présente une face de sommet 2 à patte 3 centrale à laquelle est attaché un palonnier 4 suspendu à des câbles 5 (représenté sur la figure 3). Les câbles 5 dépendent d'un appareil de levage ou d'un dérouleur non représenté qui permet de plonger l'appareil plus profondément ou de le faire ressortir des boues. Tout autre dispositif permettant de soutenir et de déplacer l'appareil conviendrait. Le boîtier extérieur 1 présente aussi une face de fond 6, opposée à la précédente, d'o dépasse le mobile d'agitation du fluide, constitué par une hélice 8 ou tout autre moyen d'agitation équivalent. Un moteur électrique 9 meut le mobile d'agitation; il est disposé dans le boîtier extérieur 1, verticalement, le pignon 10 de son arbre de sortie 11 formant un engrenage simple avec une roue dentée 12 solidaire d'un arbre 13 qui entraîne l'hélice 8. Les pales de l'hélice 8 sont inclinés pour qu'elles produisent un mouvement vers le boîtier extérieur 1. Ce sens est préférable quand il est prévu qu'on dispose, comme ici, une pompe 19 dans le boîtier extérieur 1 afin d'aspirer la boue venant d'être agitée ou d'en prélever des échantillons. La pompe 19 peut être une pompe à vis dont le stator 20 est disposé sous la face de fond 6, à côté de l'arbre 13 du mobile d'agitation et la vis tournante 21 chargée de l'aspiration des boues dépend d'un arbre d'entraînement 22 logé dans le boîtier extérieur 1 et entraîné par un moteur de pompe 23, lui aussi logé dans le boîtier extérieur 1, par un train d'engrenage 24. Le stator 20 se prolonge en un conduit 25 dans le boîtier extérieur 1, qui entoure l'arbre d'entraînement 22 et auquel est branché un conduit d'évacuation 26 qui traverse la face de sommet 2 du boîtier extérieur 1 et s'étend jusqu'à des moyens de prélèvement (ou des moyens de stockage des produits transférés) non représentés et indifférents à l'invention. Le conduit présente une garniture étanche 27 entre le conduit d'évacuation 26 et le train d'engrenage 24, de manière à l'obturer et à interdire aux boues remontant vers le conduit d'évacuation 26 d'entrer dans le reste du boîtier extérieur 1. On remarque enfin un bouchon 28, disposé au bas du conduit 25 et juste sous la face de fond 6, pour réaliser la vidange de la pompe 19 quand l'appareil a été remonté au-dessus de la surface des boues. L'invention consiste à emplir le boîtier 1 d'une huile diélectrique dont l'effet essentiel est d'évacuer la chaleur produite par les moteurs 9 et 23, et l'effet secondaire est de lubrifier les roulements des axes tournants. L'huile sera choisie de façon que sa température de dégradation ne soit pas atteinte dans les conditions de service prévues pour les moteurs, alors que des échauffements pouvant atteindre plusieurs dizaines de degrés seront tout de même atteints. De nombreuses classes d'huiles semblent adéquates, notamment certaines huiles pour roulements et les huiles à base de polyalphaoléfines. Les moteurs 9 et 23 sont essentiellement ou totalement immergés, de même que les trains d'engrenage et leurs roulements, mais un ciel gazeux 29 peut subsister au-dessus d'un niveau d'huile 30 près de la face de sommet 2; un conduit de gaz sous pression 31, originaire d'une source de gaz extérieure qui forme avec lui un dispositif d'injection, traverse la face de sommet 2 et permet d'insuffler du gaz pour mettre l'huile à la pression souhaitée; un manomètre 32 peut mesurer cette pression, et un clapet anti- retour non représenté peut aussi être ajouté sur la face de sommet 2 pour permettre une évacuation du gaz en excès et éviter tout accident. Des ouvertures sont ménagées à travers le boîtier de protection 33 du moteur 9, qui sert normalement à isoler son contenu de l'extérieur, mais pas ici, o on cherche au contraire à favoriser l'entrée de l'huile dans le moteur pour le refroidir: ces ouvertures consistent en des perçages 34 à travers la paroi de ce boîtier 33, et une ouverture annulaire autour de l'arbre de sortie 11, à l'endroit o celui-ci dépasse du boîtier 33 et o se trouve normalement un joint d'étanchéité, qui est omis ici. Des dispositions semblables peuvent être prises pour le moteur de pompe 23. De plus, il n'y a aucun inconvénient à se passer d'un boîtier de protection des bornes de connexion 36, habituellement prévu sur les moteurs électriques mais qui est donc omis lui aussi et représenté seulement en pointillés, et à exposer les bornes 37 de connexion électriques du moteur 9 (ou 23). Un câble électrique 38 venant de l'extérieur traverse la face de sommet 2 et se divise en fils 39 raccordés aux bornes 37. Un autre câble 40 parallèle au précédent peut être adjoint pour loger les fils menant aux capteurs de l'appareil, tels que le manomètre 32, un capteur de mesure de courant 41 placé sous la face de fond 6 et des capteurs de vitesse des arbres tournants. La face de sommet 2 est enfin traversée par un conduit d'eau de dilution 42 destiné à rendre les boues plus meubles et qui serpente au sein du boîtier extérieur 1 pour déboucher hors de celui-ci à travers la face de fond 6, à une sortie 43 située devant le mobile d'agitation. Une boucle de circulation d'huile porte la référence générale 44, et sa plus grande partie consiste en une volute 45 disposée autour du mobile d'agitation et aux spires jointives et très aplaties, ce qui lui donne une forme d'ensemble en enveloppe cylindrique mince et sensiblement continue. La boucle 44 comprend encore deux conduits d'extrémité 46 et 47, dont le premier est un conduit de sortie du boîtier extérieur 1, branché à celui-ci près de la face de fond 6 et le second est un conduit de retour vers le boîtier extérieur 1, débouchant non loin de la face de sommet 2, juste sous le niveau d'huile 30, après avoir traversé la face de fond 6 et presque toute la hauteur du boîtier extérieur 1. Une pompe 48, qui peut être une pompe à engrenage entraînée par un pignon 49 engrenant avec la roue dentée 12, aspire de l'huile du boîtier 1 et la force à circuler à travers la boucle 44; cette huile évacue les calories dans les boues environnantes plus froides par la surface d'échange thermique importante de la volute 45 et subit donc une réfrigération qui complète celle qui est obtenue statiquement à travers les parois du boîtier 1. La volute 45 entoure le mobile d'agitation et contribue à canaliser l'écoulement des boues produit par ce dernier. La volute 45 est reliée à la face de fond 6 par des nervures 54; un manchon 50 saillant de la face de fond 6 entoure et protège l'arbre 13 du mobile d'agitation; des dispositifs d'étanchéité 51 sont prévus entre le manchon 50 et l'arbre 13 pour interdire aux boues de pénétrer par là dans le boîtier 1; enfin, un système de brides de montage 53 permet de monter à des positions stables les moteurs 9 et 23 et tous les autres équipements à l'intérieur du boîtier 1. Le boîtier 1 pourrait être garni d'ailettes externes 52 pour favoriser l'échange de chaleur avec le fluide environnant, si on accepte l'accroissement d'encombrement qui en résulterait. Ces ailettes pourraient s'étendre dans l'axe du boîtier 1 cylindrique et rayonner vers l'extérieur. L'invention peut trouver emploi pour les fluides dangereux, corrosifs ou autres, rencontrés notamment dans les industries nucléaires. REVENDICATIONS 1. Agencement de moteur électrique (9, 23) enfermé dans un boîtier extérieur (1) étanche, caractérisé en ce que le boîtier extérieur (1) est essentiellement voire totalement empli d'huile diélectrique dans laquelle le moteur est immergé. 2. Agencement de moteur électrique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moteur comprend un boîtier de moteur (33) muni d'ouvertures (34, 35) de passage de l'huile. 3. Agencement de moteur électrique selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'une des ouvertures (35) s'étend autour d'un arbre de sortie (11) du moteur, à l'endroit d'un joint d'étanchéité omis ici. 4. Agencement de moteur électrique selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif d'injection de gaz sous pression (31) branché au boîtier extérieur. 5. Agencement de moteur électrique selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comprend une boucle (44) de circulation d'huile branchée au boîtier extérieur par deux extrémités opposées (46, 47) et s'étendant hors du boîtier extérieur, et une pompe (48) dans le boîtier extérieur (1), agencée pour forcer une circulation de l'huile à travers la boucle. 6. Agencement de moteur électrique selon la revendication 5, caractérisé en ce que les extrémités opposées de la boucle de circulation sont respectivement à des zones de sommet et de fond du boîtier extérieur. 7. Agencement de moteur électrique selon l'une quelconque des revendications 5 ou 6, destiné à agiter un fluide environnant le boîtier extérieur, caractérisé en ce que la boucle (44) encercle un dispositif agitateur (8) sortant du boîtier extérieur (1) et entraîné par le moteur (9). 8. Agencement de moteur électrique selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les bornes de connexion électrique (37) du moteur sont exposées dans le boîtier extérieur (1), en l'absence de tout élément de protection (36) couvrant ces bornes. 9. Agencement de moteur électrique selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le boîtier extérieur (1) est garni d'ailettes extérieures (52) de refroidissement. 10. Agencement de moteur électrique selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que le boîtier (1) contient au moins une partie (22, 23, 25, 26) d'un dispositif de pompage ou de prélèvement d'échantillons d'un fluide environnant.