Brevet FR2934432A1 — publié le 20100129

Système de ventilation de moteur électrique. La présente invention concerne une machine électrique tournante du type comportant : - un stator comportant : - une carcasse et des bobinages répartis dans la carcasse ; - un rotor monté mobile en rotation dans le stator et présentant des pôles magnétique à sa périphérie, la carcasse comportant, à sa périphérie extérieure, des ailettes de refroidissement et la machine comportant un ventilateur propre à provoquer la circulation forcée d'un flux d'air le long des ailettes de refroidissement. Les machines électriques de forte puissance, notamment les moteurs électriques, qu'elles soient synchrones ou asynchrones, produisent de grands dégagements de chaleur. La puissance motrice des moteurs est couramment limitée par la puissance thermique devant être dissipée. Pour les moteurs de puissance relativement faible, il est connu de disposer à la surface extérieure de la carcasse un ensemble d'ailettes permettant la dissipation thermique. Ces ailettes sont balayées par un flux d'air forcé engendré par un ventilateur dont la roue d'entraînement est disposée suivant l'arbre du moteur. Ainsi, les ailettes forment un échangeur thermique. Pour les moteurs de plus forte puissance, la surface externe de la carcasse est insuffisante pour disposer suffisamment d'ailettes de refroidissement de sorte qu'il est alors connu de faire circuler de l'air en circuit fermé, au travers de la carcasse du moteur pour alimenter un échangeur par exemple air-air. Ainsi, la chaleur est transférée de la carcasse du moteur vers l'échangeur au travers du circuit fermé, puis cette chaleur est dissipée au travers d'un flux d'air de refroidissement. L'échangeur peut être dimensionné en fonction de la puissance thermique produite par le moteur, indépendamment de la taille du moteur, l'échangeur étant disposé à l'écart du moteur. Cet agencement, bien qu'efficace est encombrant puisqu'il convient de prévoir un échangeur à l'écart du moteur. L'invention a pour but de proposer un moteur dont la puissance peut être améliorée, tout en conservant un encombrement réduit. A cet effet, l'invention a pour objet une machine électrique tournante du type précité, caractérisée en ce que la carcasse est traversée de part en part par un réseau de conduites de refroidissement et en ce qu'elle comporte des moyens de mise en circulation forcée d'un flux d'air dans ledit réseau de conduites. Suivant des modes particuliers de réalisation, la machine électrique tournante comporte l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - les moyens de mise en circulation forcée du flux d'air dans ledit réseau de conduites est formé du même ventilateur que le ventilateur propre à provoquer la circulation forcée du flux d'air le long des ailettes de refroidissement ; - le stator comporte un noyau magnétique formé d'un empilement de tôles, et le réseau de conduites est délimité sur au moins une partie de sa longueur par des perçages alignés ménagés au travers des tôles, ces perçages formant des conduits de circulation d'air ; - les conduits sont délimités directement par les tôles de l'empilement de tôles ; - les conduites comportent un faisceau de tubes prolongeant les conduits au delà de l'empilement de tôles ; - les tubes comportent des prolongements reçus à l'intérieur des conduits de l'empilement de tôles ; - les tubes sont liés à une même bride, laquelle bride est maintenue en appui contre l'empilement de tôles ; - le ventilateur comporte roue et une virole disposée autour de la roue du ventilateur et les canaux délimités entre les ailettes et les conduites débouchent dans la même chambre délimitée par la virole du ventilateur ; - la machine a une puissance comprise entre 500 kw et 3 Mw ; - ladite machine est dimensionnée de sorte que le débit du flux d'air circulant dans les conduites est compris entre 15 % et 20 % des flux d'un total circulant dans les conduites et entre les ailettes de refroidissement ; - elle est dimensionnée de sorte que la surface d'échange thermique totale offerte au flux d'air par les conduites est comprise entre 20 % et 30 % de la surface d'échange thermique totale offerte par les conduites et les ailettes ; et - elle est dimensionnée de sorte que les parties thermiques du flux d'air au travers des conduites est compris entre 40 % et 60 % des parties thermiques totale des flux d'air au travers des conduites et entre les ailettes. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référent aux dessins sur lesquels : - la figure 1 est une vue en perspective avec arrachement d'un moteur électrique selon l'invention ; - la figure 2 est une vue en perspective éclatée du moteur de la figure 1 ; - la figure 3 est une vue en élévation d'une tôle élémentaire dans l'empilement de tôles constituant le noyau du stator ; et - la figure 4 est une vue à plus grande échelle d'un détail de l'interface entre l'empilement de tôles du rotor et le faisceau de tubes le prolongeant. La machine tournante électrique 10 représentée sur la figure 1 est par exemple un moteur électrique utilisé dans une installation sidérurgique, dans une installation de raffinage de pétrole. L'invention s'applique avantageusement aux moteurs électriques ou aux alternateurs dont la puissance est comprise entre 500 kW et 3 MW. Le moteur illustré comporte un stator externe 12 et un rotor interne 14 monté rotatif suivant l'axe du rotor 12. Le rotor 14 comporte comme connu en soi un arbre 16 dans la partie médiane duquel sont disposés des éléments magnétiques 18 formant des pôles 20 à la périphérie du rotor. Le rotor est maintenu à chaque extrémité par des paliers 22 formés ici par des roulements à billes. A une extrémité opposée à son extrémité d'entraînement d'une charge, l'arbre 16 porte une roue 24 d'entraînement d'air d'un ventilateur 26 formé à l'extrémité du moteur. Le stator 12 comporte une carcasse 30 et des bobinages 32 disposés, comme connu en soi, autour du rotor 14. Plus précisément, la carcasse 30 est constituée d'une enveloppe extérieure 34 et d'un empilement de tôles 36 formant le noyau magnétique du stator. L'enveloppe externe 34 est équipée de deux patins de support 37 comme connu en soi. L'enveloppe 34 présente, sur toute sa périphérie, des ailettes 38 s'étendant généralement parallèlement à l'axe de la machine tournante. Ces ailettes s'étendent sur toute la longueur de l'enveloppe et délimitent entre elles des canaux 40 pour la circulation d'un flux forcé d'air de refroidissement. Le ventilateur 26 présente extérieurement une virole 42 délimitant une volute 44 du ventilateur dans laquelle la roue 24 est mobile en rotation. Cette volute 44 se prolonge partiellement sur l'extrémité des ailettes 38. A cette extrémité, les canaux 40 délimités entre les ailettes 38 débouchent dans la volute 44. Cette volute 44 est délimitée à l'intérieur par un tronçon convergeant 46 d'aspiration d'air à l'extrémité de plus faible section duquel est disposée la roue 24. La carcasse 30 du stator est traversée de part en part, comme illustré sur les figures 1 et 2, par un réseau de conduites 50 associé à des moyens de mise en circulation d'un flux d'air forcé au travers de ce réseau. De préférence, le nombre de conduites 50 du faisceau de conduites de refroidissement interne est compris entre 30 et 70 et est par exemple égale à 50. La section des conduits est comprise entre 3 cm2 et 5 cm2 et est de préférence égale à 4,2 cm2, les conduits ayant une section interne de 23 mm. De préférence, ces moyens de mise en circulation sont constitués par le même ventilateur 26 que celui assurant la circulation d'air entre les ailettes extérieures 38 de la carcasse. Plus précisément, et comme illustré sur la figure 3, chacune des tôles 36 du noyau magnétique du stator, est traversée à sa périphérie de trous 54 répartis suivant un ou plusieurs cercle(s), suivant la puissance du moteur. Les trous des différentes tôles formant l'empilement sont alignés et délimitent ainsi des conduits de circulation d'air 54 formant la partie médiane des conduites 50. Au travers de l'empilement de tôles, les conduits 54 sont délimités par les tôles elles-mêmes, grâce aux trous 52 alignés, sans gainage interne. Comme connu en soi, chaque tôle comporte à sa périphérie extérieure des encoches de positionnement 56 et à sa périphérie intérieure des encoches radiales 58 propres à recevoir des barres constituant les bobines 32. Comme illustré sur la figure 2, les bobines comportent des tronçons rectilignes reçus dans les encoches 60 et des têtes de bobines 61 formées de tronçons conducteurs courbes reliant des tronçons rectilignes distants et s'étendant de part et d'autre de l'empilement de tôles dans le prolongement de celui-ci. A chaque extrémité, le noyau magnétique 18 du rotor présente des pales 21 de brassage de l'air dans l'espace contenant les têtes de bobine 61. Au-delà du noyau magnétique 36 du stator, les conduites 50 sont délimitées par deux faisceaux de tubes parallèles 62 disposés généralement autour des têtes de bobine 61 à l'intérieur de l'enveloppe 34 de la carcasse. Comme cela est visible sur la figure 2, les deux faisceaux de tubes 62 comportent un ensemble de tubes 64 tous disposés parallèlement les uns aux autres pour former un cylindre. Les tubes sont espacés les uns des autres pour permettre une circulation d'air interne. Les tubes 64 sont reliés les uns aux autres par deux brides d'extrémité interne 66 et externe 68. Ces brides sont traversées d'orifices pour recevoir les tubes. Les tubes sont chacun solidarisés dans les orifices de la virole par dudgeonnage, c'est-à-dire que les tubes sont engagés dans les orifices de la bride puis les diamètres des tubes sont localement augmentés pour sertir ceux-ci contre la bride, à l'aide d'un outil expandeur introduit dans chacun des tubes. De préférence, les tubes 64 sont formés en aluminium ou en acier inoxydable. La bride interne 66 est propre à venir en appui contre l'extrémité du noyau magnétique 36 avec interposition d'un joint d'étanchéité 74 comme illustré sur la figure 4. A cette extrémité, chaque tube 64 fait saillie au-delà de la bride et le prolongement 76 ainsi délimité au-delà de la bride fait saillie à l'intérieur du conduit associé 50. La section des conduits 50 est supérieure au diamètre extérieur des tubes 64 de sorte que chaque prolongement 76 est reçu dans un conduit 50 sans contact mécanique. L'étanchéité entre les tubes 64 et les conduits 50 est assurée par le joint 74 comprimé entre le noyau magnétique 36 et la bride interne 66. A l'opposé du ventilateur, les conduites 50 débouchent librement, sans que l'air y circulant ne soit recyclé. Il en est de même des canaux 40 débouchant à cette même extrémité. La bride externe 68 porte des perçages extérieurs 80 propres à recevoir des vis permettant la fixation du faisceau de tubes à l'extrémité de la carcasse et plus précisément à l'extrémité de l'enveloppe 34 de la carcasse. Le faisceau de tubes est plaqué par l'intermédiaire de la bride interne contre le noyau magnétique 36 grâce aux vis engagées au travers des perçages 80. Chaque bride externe 68 assure le support d'un palier 22 de guidage de l'arbre. A cet effet, un flasque 84 en forme de couronne est maintenu à l'intérieur de chaque bride externe 68 par des vis 86 et le palier 22 est vissé à l'intérieur du flasque 84. L'extrémité de l'empilage de tôles 82 et le flasque 86 délimitent un espace dans lequel sont confinées les têtes de bobines 61. Cet espace est traversé de part en part par les tubes 62. On conçoit que lors de la rotation du rotor, la roue 24 aspire de l'air au travers du convergent 46 puis force la circulation de l'air ainsi prélevé au travers du réseau de conduites 50 ainsi que au travers des canaux 40 séparés par les ailettes 38. Ainsi, les échanges au travers de la carcasse sont très importants, ceux-ci étant assurés d'une part par les ailettes 38 et d'autre part par les conduites 50. La présence des pales 21 pour le brassage de l'air contenu dans les chambres de confinement des têtes de bobines 61, permet une circulation de l'air entre les têtes de bobines et entre les tubes 64, favorisant le transfert thermique vers l'air circulant dans les conduites 50. De préférence, les conduites 50 et les canaux 40 délimités par les ailettes sont dimensionnés de sorte que le flux d'air se répartisse dans une proportion comprise entre 15 % et 20 % du flux total au travers des conduites, le flux d'air circulant entre les ailettes étant compris entre 80 % et 85 %. La surface d'échange totale des conduites au contact du flux d'air forcé est comprise entre 20 % et 30% et de préférence 30 % de la surface d'échange totale des conduites et des ailettes, la surface d'échange au niveau des ailettes étant comprise entre 70 et 80 % de la surface d'échange totale. De préférence, les pertes thermiques sont assurées pour une valeur comprise entre 50 % et 70 %, de préférence 60 % par les ailettes, les conduites 50 assurant une perte thermique comprise entre 30 % et 50 %, de préférence 40 %. REVENDICATIONS1. Machine électrique tournante (10) comportant : - un stator (12) comportant : - une carcasse (30) et des bobinages (32) répartis dans la carcasse (30) ; - un rotor (14) monté mobile en rotation dans le stator (12) et présentant des pôles magnétique (20) à sa périphérie, la carcasse (30) comportant, à sa périphérie extérieure, des ailettes de refroidissement (38) et la machine comportant un ventilateur (26) propre à provoquer la circulation forcée d'un flux d'air le long des ailettes de refroidissement (38), caractérisée en ce que la carcasse (30) est traversée de part en part par un réseau de conduites de refroidissement (50) et en ce qu'elle comporte des moyens (26) de mise en circulation forcée d'un flux d'air dans ledit réseau de conduites (50). 2. Machine selon la revendication 1, caractérisée en ce que les moyens de mise en circulation forcée du flux d'air dans ledit réseau de conduites (50) est formé du même ventilateur (26) que le ventilateur (26) propre à provoquer la circulation forcée du flux d'air le long des ailettes de refroidissement (38). 3. Machine selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le stator (30) comporte un noyau magnétique formé d'un empilement de tôles (36), et en ce que le réseau de conduites (50) est délimité sur au moins une partie de sa longueur par des perçages alignés (52) ménagés au travers des tôles (36), ces perçages (52) formant des conduits (54) de circulation d'air. 4. Machine selon la revendication 3, caractérisée en ce que les conduits (54) sont délimités directement par les tôles de l'empilement de tôles (36). 5. Machine selon la revendication 3 ou 4, caractérisée en ce que les conduites (50) comportent un faisceau de tubes (64) prolongeant les conduits (54) au delà de l'empilement de tôles (36). 6. Machine selon la revendication 5, caractérisée en ce que les tubes (62) comportent des prolongements (76) reçus à l'intérieur des conduits (54) de l'empilement de tôles (36). 7. Machine selon la revendication 5 ou 6, caractérisée en ce que les tubes (64) sont liés à une même bride (66), laquelle bride (66) est maintenue en appui contre l'empilement de tôles (36). 8. Machine selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le ventilateur (26) comporte roue (24) et une virole (40) disposée autour de la roue (24) du ventilateur et en ce que les canaux (40) délimités entre les ailettes (38) et les conduites (50) débouchent dans la même chambre délimitée par la virole (40) du ventilateur. 9. Machine selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la machine a une puissance comprise entre 500 kw et 3 Mw. 10. Machine selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle est dimensionnée de sorte que le débit du flux d'air circulant dans les conduites (50) est compris entre 15 % et 20 % des flux d'un total circulant dans les conduites (50) et entre les ailettes de refroidissement (38). 11. Machine selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle est dimensionnée de sorte que la surface d'échange thermique totale offerte au flux d'air par les conduites (50) est comprise entre 20 % et 30 % de la surface d'échange thermique totale offerte par les conduites (50) et les ailettes (38). 12. Machine selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle est dimensionnée de sorte que les parties thermiques du flux d'air au travers des conduites (50) est compris entre 40 % et 60 % des parties thermiques totale des flux d'air au travers des conduites (50) et entre les ailettes (38).