Brevet FR2930381A1 — publié le 20091023

La présente invention concerne les machines électriques tournantes et s'intéresse à leur refroidissement. L'invention concerne plus particulièrement mais non exclusivement le domaine des machines électriques de forte puissance, notamment des alternateurs de puissance supérieure ou égale à 100 kW. L'invention est aussi intéressante pour les machines de plus faible puissance électrique, car les pertes aéraulique induites par les ventilateurs sont plus faibles et donc le rendement de la machine est moins impacté par la mise en place d'un second ventilateur. Selon l'un de ses aspects, l'invention a pour objet une machine électrique tournante comportant un carter logeant au moins partiellement un stator et un rotor, ce carter comportant des entrées d'air et des sorties d'air, le rotor entraînant au moins deux ventilateurs disposés de manière à créer une circulation d'air depuis les entrées d'air vers les sorties d'air, les ventilateurs étant disposés de part et d'autre d'une partie du rotor interagissant avec le stator, les sorties d'air étant disposées de part et d'autre des entrées d'air. Grâce à l'invention, la température moyenne du bobinage ainsi que celle des points chauds de la machine, généralement situés au centre dans une machine standard, sont diminuées, puisque de l'air frais peut circuler autour des parties centrales des bobinages stator et rotor. L'invention permet ainsi d'améliorer les échanges convectifs au sein des 20 machines tournantes électriques ouvertes. Les ventilateurs peuvent être centrifuges, hélicocentrifuges ou autres. L'invention est particulièrement intéressante pour une machine électrique tournante à excitatrice intégrée. En effet, la présence de l'excitatrice en bout d'arbre peut nécessiter de percer le ventilateur afin de permettre la connexion électrique entre la roue 25 polaire et l'induit de l'excitatrice. Dans le cas d'une excitatrice intégrée au bobinage principal, un tel perçage n'est plus nécessaire. Aussi, l'invention permet un meilleur refroidissement des machines, notamment des rotors, à excitatrices intégrées. Le passage d'air peut être relativement faible lorsque les rotors sont à pôles lisses, et les pertes de charges très élevées. Le débit traversant le rotor et permettant d'assurer un bon 30 refroidissement est obtenu par la mise en place de deux ventilateurs montés en parallèle. Les entrées d'air peuvent être situées sensiblement à mi-distance des sorties d'air. Au moins une partie des entrées d'air peut être usinée dans le carter. L'air peut circuler dans au moins un canal ménagé entre le paquet de tôles du stator et le carter. Ce canal peut être formé au moins partiellement entre des ailettes du paquet de tôles, par exemple. La dimension radiale du canal est par exemple comprise entre 2 et 100 mm. L'air peut notamment circuler tout autour du paquet de tôles, sur 360° autour de l'axe de rotation du rotor. La machine peut comporter deux collerettes ménageant entre elles au moins une entrée d'air permettant à l'air extérieur d'être aspiré vers l'entrefer de la machine, par la dépression créée par les ventilateurs. Les collerettes peuvent être solidaires du paquet de tôles statoriques. Le stator peut comporter au moins un passage à travers le paquet de tôles du stator, de façon à permettre à l'air de gagner l'entrefer de la machine et de circuler dans des canaux interpolaires du rotor, le cas échéant. L'espacement entre les collerettes est par exemple compris entre 2 et 150 mm. Le carter peut comporter au moins une ouverture permettant à l'air d'être aspiré dans le ou les canaux existant entre le paquet de tôles statoriques et le carter. Le carter peut notamment comporter une pluralité de telles ouvertures, qui peuvent être par exemple équiréparties angulairement. Les ouvertures sont par exemple formées par usinage du carter, et se présentent par exemple sous la forme d'une succession d'encoches fermées d'un côté par l'une des collerettes précitées. La section offerte au passage de l'air gagnant la machine entre les collerettes est par exemple comprise entre 20 et 90 %, mieux entre 60 et 80 % de la section totale des ouvertures définies par les encoches. Les ventilateurs peuvent être agencés pour amener l'air ayant circulé entre le paquet de tôles statoriques et le carter à rejoindre celui ayant circulé dans l'entrefer, avant de gagner les pales du ventilateur. Les deux ventilateurs peuvent être identiques ou différents, notamment lorsque les pales sont inclinées. Les ventilateurs peuvent comporter chacun une première lèvre fermant un 30 espace situé entre le voile amont du ventilateur et le carter afin de former un �plan de joint�, ce qui évite les recirculations du fluide de refroidissement. Chaque ventilateur peut comporter également une deuxième lèvre faisant saillie vers le ventilateur opposé et venant en recouvrement au moins partiel des têtes de bobines du stator. Les première et deuxième lèvres peuvent être annulaires et continues 5 angulairement, chacune ayant par exemple un bord libre situé dans un plan perpendiculaire à l'axe de rotation du rotor. Le rotor peut être bobiné. L'invention a encore pour objet, selon un autre de ses aspects, un procédé de refroidissement d'une machine électrique tournante, dans lequel le refroidissement 10 s'effectue en faisant circuler deux flux d'air entre des entrées d'air et des sorties d'air, le premier flux d'air circulant entre le paquet de tôles du stator et le carter de la machine et le deuxième flux d'air circulant à travers des passages du paquet de tôles du stator et l'entrefer de la machine, les deux flux d'air circulant depuis une zone médiane de la machine vers ses extrémités, sous l'action de deux ventilateurs. 15 La zone médiane ci-dessus est par exemple située entre 1/2 - 1/3 et 1/2 + 1/3 et mieux 1 /2 ù 1 /6 et 1 /2 + 1/6, de la longueur totale du carter de la machine, de part et d'autre d'un plan médian situé à 1/2 de la longueur totale du carter. Les premier et deuxième flux d'air peuvent être formés à partir d'entrées d'air respectives distinctes de la machine. 20 Le premier flux d'air peut être amené à contourner des têtes de bobines du stator avant de rejoindre le deuxième flux d'air. Le deuxième flux d'air peut encore rester indépendant du premier. L'invention pourra être mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui va suivre, d'un exemple de mise en oeuvre non limitatif de celle-ci, et à l'examen du 25 dessin annexé, sur lequel : - la figure 1 représente de manière schématique, de côté, une machine réalisée conformément à l'invention, - la figure 2 est une coupe longitudinale, partielle et schématique, de la machine de la figure 1, 30 - la figure 3 représente la machine de la figure 1, en perspective, - la figure 4 représente un détail de réalisation, - la figure 5 représente de manière schématique la machine de la figure 1, après enlèvement du carter, et - la figure 6 représente de manière schématique, en perspective, le rotor. La machine 1 représentée sur les figures 1 à 3 comporte un carter 2 duquel est solidaire un stator 3 comportant un paquet de tôles statoriques magnétiques 4 et des enroulements 5. La machine 1 comporte également un rotor 10 qui a été représenté isolément à la figure 6. Le rotor 10 comporte un arbre 11 duquel sont solidaires des tôles rotoriques 14, des enroulements 13, ainsi que deux ventilateurs 18 disposés de part et d'autre de ces enroulements 13. Le rotor 10 peut comporter des canaux interpolaires 110. Les ventilateurs 18 tournent au niveau de flasques d'extrémité 20 de la machine, pourvus d'ouvertures 24 pour la sortie de l'air. Ces flasques 20 peuvent supporter des ensembles de roulements traversés par l'arbre 11 (non représentés dans un souci de clarté du dessin). Dans l'exemple considéré, les ventilateurs 18 sont prévus pour aspirer l'air à l'intérieur de la machine et le rejeter par les sorties 24, et comportent à cet effet des pales 30 qui se rattachent à un moyeu 31 permettant leur fixation sur l'arbre 11. Chaque ventilateur 18 peut comporter, comme on le voit à la figure 2, une lèvre annulaire 34 qui ferme un espace 40 situé entre le carter 2 et le stator 3, et oblige l'air à contourner les têtes de bobines 46 du stator. Chaque ventilateur 18 peut également comporter, dans l'exemple considéré, un voile annulaire 45 qui vient légèrement en recouvrement axial des têtes des bobines 46 du stator. Au moins un canal 50 est formé entre le paquet de tôles statoriques 4 et le carter 2, pour la circulation de l'air de refroidissement depuis des ouies d'entrée d'air 52 formées dans le carter 2, par exemple sensiblement à mi-longueur de la machine, cette circulation s'effectuant sous l'effet de la dépression créée par les ventilateurs 18. Les ouies 52 peuvent être réalisées par exemple par usinage du carter 2 et sont délimitées du côté d'un plan médian transversal de la machine par des collerettes respectives 60, lesquelles font saillie au-delà du carter 2. Les collerettes 60 sont par exemple solidaires du paquet de tôles statoriques 4, étant par exemple soudées sur celui-ci. Les collerettes 60 peuvent en variante être réalisées par une excroissance radiale d'une tôle se superposant au paquet de tôles statoriques. Les collerettes 60 peuvent être parallèles entre elles et s'étendre perpendiculairement à l'axe de rotation X. Le paquet de tôles statoriques 4 comporte, comme on peut le voir notamment à la figure 2, des passages 68 permettant à l'air entrant par la ou les entrées 63 existant entre les collerettes 60 de gagner l'entrefer 100 et le rotor 10. En fonctionnement, les ventilateurs 18 sont entraînés en rotation et de l'air est aspiré à la fois par la ou les entrées 63 formées entre les collerettes et les ouies 52. L'air aspiré par les ouies 52 circule entre le paquet de tôles statoriques 4 et le carter 2 jusqu'à l'espace 40 dans lequel sont situées les têtes de bobines 46, qu'il contourne en étant dévié par le voile 45, puis est aspiré par le canal du ventilateur situé entre le voile 45 et le moyeu 31. L'air aspiré entre les collerettes 60 circule dans l'entrefer 100 et les canaux interpolaires 110 du rotor. L'air sort en étant orienté radialement et obliquement en éloignement du plan médian transversal de la machine. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée à l'exemple de réalisation qui vient d'être décrit. On peut notamment réaliser autrement les entrées d'air, les sorties d'air ou les ventilateurs. Le paquet de tôles statoriques peut comporter des ailettes et/ou des canaux, disposées ou non en quinconce, afin d'accroître les échanges convectifs. Les flasques peuvent avoir des formes particulières de type � volute � pour permettre d'obtenir de meilleures performances aérauliques de l'ensemble. De plus, afin d'éviter les recirculations du fluide de refroidissement entre les entrées et les sorties, les flasques peuvent être agencés de telle sorte que le flux d'air sortant soit orienté à l'opposé de la partie centrale, vers les extrémités. Les collerettes 60 peuvent être réalisées avec une forme différente de celle illustrée, afin de minimiser une éventuelle recirculation de l'air entre les entrées et les sorties. On peut remplacer les ventilateurs illustrés par des ventilateurs à double canal, 5 permettant la séparation des flux d'air de refroidissement stator et rotor. L'expression � comportant un � doit être comprise comme étant synonyme de � comportant au moins un �, sauf si le contraire est spécifié. REVENDICATIONS1. Machine électrique tournante comportant un carter (2) logeant au moins partiellement un stator (3) et un rotor (10), ce carter comportant des entrées d'air et des sorties d'air, le rotor entraînant au moins deux ventilateurs (18) disposés de manière à créer une circulation d'air depuis les entrées d'air vers les sorties d'air, les ventilateurs (18) étant disposés de part et d'autre de la partie du rotor interagissant avec le stator, les sorties d'air (24) étant disposées de part et d'autre des entrées d'air (52, 63). 2. Machine selon la revendication 1, l'air circulant dans au moins un canal (50) ménagé entre le paquet de tôles (4) du stator et le carter. 3. Machine selon l'une des revendications précédentes, le stator comportant au moins un passage (68) à travers le paquet de tôles (4) du stator, ce ou ces passages (68) communiquant avec la ou les entrées d'air (63), de façon à permettre à l'air de gagner l'entrefer (100) de la machine. 4. Machine selon la revendication 3, le rotor comportant des canaux interpolaires (110) entre lesquels l'air ayant gagné l'entrefer peut circuler. 5. Machine selon la revendication 3 ou 4, l'air circulant dans l'entrefer (100) étant aspiré au travers d'au moins une entrée (63) formée entre deux collerettes (60). 6. Machine selon l'une quelconque des revendications précédentes, les ventilateurs étant agencés pour amener l'air ayant circulé entre le paquet (4) de tôles statoriques et le carter (2) à rejoindre celui ayant circulé dans l'entrefer (100) avant de gagner les pales (30) des ventilateurs (18). 7. Machine selon la revendication précédente, les ventilateurs comportant chacun une première lèvre (34) fermant un espace (40) situé entre le ventilateur et le carter. 8. Machine selon l'une quelconque des revendications précédentes, chaque ventilateur comportant une lèvre (45) faisant saillie vers le ventilateur opposé et venant en recouvrement au moins partiel de têtes de bobines (46) du stator. 9. Machine selon l'une quelconque des revendications précédentes, les entrées d'air (52, 63) étant situées sensiblement à mi-distance des sorties d'air. 10. Machine selon l'une quelconque des revendications précédentes, au moins une partie des entrées d'air (52) étant usinée dans le carter (2). 11. Machine selon l'une quelconque des revendications précédentes, le rotor étant bobiné. 12. Machine selon l'une quelconque des revendications précédentes, la puissance électrique de la machine étant supérieure ou égale à 100 kW. 13. Procédé de refroidissement d'une machine électrique, dans lequel le refroidissement s'effectue en faisant circuler deux flux d'air entre des entrées d'air et des sorties d'air, le premier flux d'air circulant entre un paquet (4) de tôles du stator et le carter (2) de la machine et le deuxième flux d'air circulant à travers au moins un passage (68) du paquet de tôles du stator et dans l'entrefer (100) de la machine, les deux flux d'air circulant depuis une zone médiane de la machine vers ses extrémités, sous l'action de deux ventilateurs (18). 14. Procédé selon la revendication 13, les premier et deuxième flux d'air se rejoignant avant leur éjection de la machine. 15. Procédé selon la revendication 13 ou 14, les premier et deuxième flux d'air étant formés à partir d'entrées d'air respectives distinctes de la machine. 16. Procédé selon l'une des revendications 13 à 15, le premier flux d'air étant 15 amené à contourner des têtes de bobines du stator avant de rejoindre le deuxième flux d'air. 17. Procédé selon l'une des revendications 13 à 15, le deuxième flux d'air restant indépendant du premier.