Brevet FR2979499A1 — publié le 20130301

La présente invention concerne les machines électriques tournantes et plus particulièrement celles refroidies au moyen d'un ventilateur intégré à la machine. Classiquement, sur certaines machines électriques tournantes, les ventilateurs sont solidaires de la partie tournante de la machine, appelée rotor, et en conséquence ont une vitesse de rotation identique à celle de l'arbre. La figure 1 représente une machine de ce type, en demi-coupe longitudinale. Le ventilateur 3 est fixé directement sur l'arbre 4, qui tourne autour d'un axe de rotation X. Une autre solution, moins répandue, consiste à raccorder une ventilation forcée en amont ou en aval d'un circuit de refroidissement de la machine. Dans le cas classique d'un ventilateur solidaire du rotor, comme illustré à la figure 1, la vitesse de rotation du rotor est fixe et correspond à la vitesse de rotation nominale lorsque la machine est un alternateur dont le rotor est entraîné à vitesse constante. Le ventilateur est dimensionné pour évacuer les pertes de la machine en cas de charge maximale. De ce fait, le débit et les pertes mécaniques du ventilateur sont constants et indépendants du besoin réel en refroidissement de la machine. Dans le cas d'une ventilation forcée externe, le débit de la ventilation peut être ajusté au besoin réel des calories à évacuer dans la machine. Par contre, le fait que la source de ventilation soit externe à la machine rend difficile l'orientation et le guidage du flux d'air à travers la machine. Il devient quasiment indispensable d'installer des déflecteurs internes pour concentrer le flux d'air sur les points chauds. Cette solution conduit à augmenter notablement l'encombrement extérieur et le coût de la machine. L'invention vise à perfectionner encore les machines tournantes électriques, notamment afin de les refroidir au mieux. L'invention a ainsi pour objet une machine électrique tournante, comportant : un arbre de rotor tournant autour d'un axe, et - un ventilateur porté par l'arbre du rotor, la machine étant caractérisée par le fait qu'elle comporte un moteur d'entraînement du ventilateur permettant de moduler la vitesse de rotation relative du ventilateur par rapport à l'arbre, le ventilateur étant de préférence lié à l'arbre du rotor par une liaison motorisée obtenue à l'aide de ce moteur. Grâce à l'invention, le ventilateur se trouve au coeur de la machine pour assurer un refroidissement optimal, mais sa vitesse de rotation n'est pas obligatoirement égale à la vitesse de l'arbre, pouvant être plus ou moins grande, en fonction du sens et de la vitesse de rotation de son moteur. De cette manière, il devient possible d'ajuster le débit du ventilateur au besoin de refroidissement réel de la machine. Grâce à ce système, en augmentant la vitesse de rotation du ventilateur, il est possible d'extraire plus de calories et donc augmenter la puissance massique de la machine. La vitesse de rotation du ventilateur peut être asservie à la puissance demandée à la machine. Le sens et la vitesse de rotation du ventilateur peuvent être asservis à la puissance de sortie de la machine afin d'optimiser le rendement global de l'installation. Il est préférable de tourner dans le même sens. La vitesse de rotation du ventilateur peut être pilotée en fonction de la température d'au moins un bobinage de la machine, afin de garantir un refroidissement optimal dans la classe d'échauffement choisie. La liaison motorisée comporte le moteur d'entraînement du ventilateur, celui-ci pouvant être alimenté électriquement par un bobinage du rotor. La machine peut être un alternateur et le moteur d'entraînement du ventilateur être alimenté par un induit d'excitatrice porté par le rotor. Le rotor peut comporter un circuit électronique pour contrôler la vitesse du moteur d'entraînement du ventilateur. Le rotor peut comporter un capteur de température d'un bobinage du rotor et le circuit électronique recevoir un signal de ce capteur, la 20 modulation de la vitesse du ventilateur s'effectuant en fonction de la température mesurée. Le ventilateur peut comporter des pales solidaires d'une jupe tubulaire portant des aimants permanents. Le ventilateur peut être disposé à l'intérieur d'un carter de la machine, la distance axiale entre une partie principale du rotor et le ventilateur étant inférieure à 25 l'encombrement axial du ventilateur. La machine peut comporter un mécanisme de sécurité qui amène le ventilateur à tourner avec l'arbre du rotor indépendamment de la motorisation de la liaison entre le ventilateur et l'arbre du rotor, lorsqu'une condition prédéfinie est satisfaite, notamment une défaillance de la liaison motorisée ou de l'électronique de commande. 30 L'invention a encore pour objet un procédé de refroidissement d'une machine électrique tournante selon l'invention, le ventilateur étant entraîné en rotation avec une vitesse variable par rapport à l'arbre du moteur, en fonction du besoin de refroidissement de la machine. 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 dessin annexé, sur lequel : la figure 1, précédemment décrite, représente une machine électrique tournante réalisée conformément à l'art antérieur, la figure 2 est une vue analogue à la figure 1 d'une machine réalisée conformément à l'invention, la figure 3 représente un détail de la figure 2, et la figure 4 est un schéma en blocs d'un exemple de circuit électronique de pilotage du moteur d'entraînement du ventilateur. La machine électrique tournante 1 représentée aux figures 2 et 3 est un alternateur mais l'invention n'est pas limitée à un type de machine particulier et s'applique également aux moteurs. La description qui suit vaut pour tous les types de machines. Dans l'exemple de la figure 2, le rotor 5 de la machine 1 comporte une partie principale 7 comportant la roue polaire 8, et comporte également d'un côté de la partie principale 7 un induit d'excitatrice 9. L'arbre 4 est soutenu par des roulements 10, présents par exemple aux extrémités de la machine 1. Cette dernière comporte un carter 12 qui loge le stator 13, lequel peut être conventionnel. Les roulements prévus pour maintenir l'arbre 4 et le guider en rotation autour de son axe longitudinal peuvent être internes ou externes au carter 12. Un ventilateur 15 est porté par l'arbre 4, du côté de la partie principale 7, qui est à l'opposé de l'induit d'excitatrice 9. Le ventilateur 15 est assemblé sur l'arbre 4 du rotor de la machine par l'intermédiaire de roulements 20. Il est entraîné en rotation par un moteur électrique 22, de préférence de type DC brushless, par exemple à cage tournante 26 à aimants permanents. Le ventilateur 15 peut être réalisé, par exemple par moulage, avec une jupe tubulaire 38 concentrique à l'axe X, sur la face radialement intérieure de laquelle sont fixés les aimants 26. Un circuit magnétique stator 23 est solidaire de l'arbre 4 et ses bobinages sont alimentés par un circuit électronique 24, dont les composants sont par exemple présents sur une carte de circuit imprimé fixée sur l'arbre 4, par exemple par des vis 39, radialement en deçà des bobinages 23. L'alimentation électrique du moteur 22 est avantageusement prélevée à la sortie de l'induit d'excitatrice 9 de l'alternateur. En effet, pour des raisons de capacité à assurer des surcharges transitoires, l'induit d'excitatrice destiné à alimenter le rotor de l'alternateur en courant continu est généralement capable de délivrer une puissance très supérieure au besoin permanent du rotor. Le fonctionnement du moteur 22 d'entraînement du ventilateur 15 peut être autonome, c'est-à-dire que le ventilateur 15 tourne dans un sens et une vitesse qui sont déterminés par le circuit électrique 24 en fonction de paramètres internes à la machine 1, et non de signaux provenant de l'extérieur de la machine. En variante, le rotor reçoit des signaux de commande, par exemple d'un régulateur de tension, qui contrôlent le fonctionnement du moteur 22, ces signaux étant par exemple transmis par une liaison sans fil entre le rotor et le stator. En cas de fonctionnement autonome notamment, le moteur 22 peut être asservi au besoin de refroidissement de la machine, déterminé par exemple par une mesure de température. Dans l'exemple illustré, le ventilateur 15 se situe à proximité immédiate de la roue polaire 8 de l'alternateur. Il est donc aisé de placer un capteur de température 30 sur les bobinages de la roue polaire 8 et de faire en sorte que cette information soit prise en compte par le circuit électronique 24 de pilotage du ventilateur pour optimiser sa vitesse de rotation. Le flux d'air généré par la rotation du ventilateur 15 s'écoule dans l'entrefer. Le ventilateur 15 peut comporter une lèvre annulaire 48 qui tourne à une faible distance du carter pour assurer que l'air circule préférentiellement par les passages formés entre les pales. Les flux d'air ont été matérialisés par des flèches sur la figure 2. Le fait que le ventilateur soit à proximité immédiate de la partie principale 7 du rotor de la machine laisse un grand nombre de possibilités pour sécuriser la ventilation en cas de défaillance du circuit électronique de pilotage du ventilateur. Un dispositif électromécanique simple, par exemple à manque de courant, peut avantageusement être prévu pour resynchroniser automatiquement le ventilateur avec l'arbre en cas de dysfonctionnement du moteur 22 du ventilateur. Dans le cas d'une motorisation du ventilateur par un moteur type brushless DC, on peut dimensionner le circuit magnétique de telle sorte que l'accrochage magnétique entre les aimants et le stator soit suffisant pour assurer l'entrainement du ventilateur en cas de coupure d'alimentation. Le cas échéant, on prévoit deux tels ventilateurs, l'un à l'avant, l'autre à l'arrière, l'entrée d'air se faisant par le milieu de la machine et les ventilateurs éjectant l'air aux extrémités. Le stator d'entraînement du ventilateur pourrait encore être sur le stator de la machine. L'invention n'est pas limitée à l'exemple qui vient d'être décrit. L'expression « comportant un » doit se comprendre comme s gnifiant « comportant au moins un ».15 REVENDICATIONS1. Machine électrique tournante, comportant un arbre (4) de rotor tournant autour d'un axe (X), et un ventilateur (15) porté par l'arbre (4) du rotor, caractérisée par le fait qu'elle comporte un moteur d'entraînement du ventilateur permettant de moduler la vitesse de rotation relative du ventilateur par rapport à l'arbre (4) du rotor. 2. Machine selon la revendication précédente, le moteur (22) d'entraînement 10 du ventilateur (15) étant alimenté électriquement par un bobinage (9) du rotor. 3. Machine selon la revendication précédente, la machine étant un alternateur et le moteur d'entraînement du ventilateur étant alimenté par un induit d'excitatrice (9) porté par le rotor. 4. Machine selon l'une quelconque des revendications précédentes, le rotor 15 comportant un circuit électronique (24) pour contrôler la vitesse du moteur (22) d'entraînement du ventilateur (15). 5. Machine selon la revendication 4, le rotor comportant un capteur de température (30) d'un bobinage du rotor et le circuit électronique (24) recevant un signal de ce capteur (30), la modulation de la vitesse du ventilateur s'effectuant en fonction de la 20 température mesurée. 6. Machine électrique tournante selon l'une quelconque des revendications précédentes, le ventilateur (15) comportant des pales solidaires d'une jupe tubulaire (38) portant des aimants permanents (26). 7. Machine selon l'une quelconque des revendications précédentes, le 25 ventilateur (15) étant disposé à l'intérieur d'un carter (12) de la machine, la distance axiale entre une partie principale (7) du rotor et le ventilateur (15) étant inférieure à l'encombrement axial du ventilateur. 8. Machine selon l'une quelconque des revendications précédentes,' la vitesse de rotation du ventilateur étant asservie à la puissance demandée à la machine. 30 9. Machine selon l'une quelconque des revendications précédentes, comportant un mécanisme de sécurité qui amène le ventilateur à tourner avec l'arbre du rotor indépendamment de la motorisation de la liaison entre le ventilateur et l'arbre durotor, lorsqu'une condition prédéfinie est satisfaite, notamment une défaillance de la liaison motorisée. 10. Procédé de refroidissement d'une machine électrique tournante telle que définie dans l'une quelconque des revendications 1 à 9, le ventilateur étant entraîné en rotation avec une vitesse variable par rapport à l'arbre du moteur, en fonction du besoin de refroidissement de la machine.