Brevet FR2981220A1 — publié le 20130412

La présente invention a pour objet un rotor bobiné pour machine électrique tournante, et une machine comportant un tel rotor. La présente invention s'applique plus particulièrement mais non exclusivement au refroidissement des enroulements du rotor des machines électriques tournantes ouvertes, 5 monophasées ou polyphasées, ayant une vitesse de rotation comprise par exemple entre 0 et 10000 tours par minute, et une puissance par exemple comprise entre 0,1 et 25 MW. On désigne par « machine électrique tournante ouverte » une machine refroidie par une circulation d'air prélevé à l'extérieur de la machine. Pour assurer le refroidissement d'un rotor, il est connu d'aménager des canaux 10 de refroidissement dans celui-ci. La demande GB 2 425 662 enseigne ainsi de réaliser de Petites découpes dans les épanouissements polaires des pôles d'un rotor à pôles saillants, de manière à ménager un canal entre chaque pôle et les conducteurs électriques bobinés de ce pôle. Il est connu par le brevet US 3 846 651 de ménager des canaux orientés 15 radialement à travers les épanouissements polaires des pôles rapportés d'un rotor afin de créer des passages permettant la circulation d'un fluide réfrigérant. Le brevet US 3 633 054 enseigne de disposer contre les épanouissements polaires d'un pôle saillant une barre métallique dans laquelle sont ménagés des orifices permettant à un fluide de refroidissement de circuler. 20 La publication WO 2010/079455 divulgue divers agencements destinés au refroidissement d'un rotor à pôles saillants. Il existe un besoin pour améliorer encore le refroidissement d'un rotor de machine électrique tournante. L'invention vise à répondre à ce besoin et elle y parvient, selon l'un de ses 25 aspects, grâce à un rotor pour machine électrique tournante, s'étendant selon un axe longitudinal, comportant - des pôles saillants présentant des épanouissements polaires (encore appelés « cornes polaires » ou « pole shoes »), et au moins un canal interne de refroidissement, parcourant a.xialement au 30 moins mi épanouissement polaire, mieux chaque épanouissement polaire. Par « canal interne » il faut comprendre un canal de contour fermé en section transversale. L'invention permet d'améliorer les performances thermiques de la machine et de diminuer les échauffements des bobinages rotoriques pour un volume de cuivre donné. L'invention permet également une diminution de la température maximale des conducteurs électriques et des isolants pour un volume de cuivre donné, et une diminution 5 du coût global de la machine, grâce à la diminution de la quantité de matière active à états thermiques identiques par rapport à une machine connue. Dans la suite, le fluide de refroidissement est de préférence l'air, mais l'invention n'est pas limitée à l'air comme fluide de refroidissement. Le rotor permet une circulation du fluide de refroidissement le long des 10 canaux. Selon le refroidissement désiré du rotor, les épanouissements polaires des pôles saillants sont parcourus par un nombre plus ou moins grand de canaux de refroidissement, par exemple entre I e 15 canaux. Les différents canaux de refroidissement peuvent être définis entre des ailettes 15 ménagées dans les épanouissements polaires des pôles. Les ailettes peuvent s'étendre sur tout ou partie de la longueur du rotor. En particulier, les ailettes peuvent être interrompues et l'épanouissement polaire présente alors une forme dentelée. Les ailettes peuvent être disposées de diverses façons au sein de 20 l'épanouissement polaire. Chaque canal de refroidissement peut parcourir toute la longueur de la carcasse magnétique du rotor. Chaque canal de refroidissement peut parcourir de façon continue ou non le rotor selon l'axe longitudinal de ce dernier. Les épanouissements polaires peuvent présenter une forme dentelée définissant 25 des dents. Les canaux de refroidissement sont alors ménagés dans ces dents. Une telle configuration permet au fluide de refroidissement de subir une alternance de passages à l'intérieur des canaux et de passages dans des zones élargies s'étendant axialement entre les dents. Cela permet d'améliorer encore les échangés thermiques convectifs. De plus, le fluide de refroidissement peut circuler transversalement entre les dents. La présence des 30 épanouissements polaires à la périphérie du rotor permet de bénéficier d'une transformation d'énergie cinétique radiale du fluide de refroidissement en énergie cinétique La forme dentelée peut être obtenue par un agencement en quinconce de paquets de tôles, en retournant alternativement les paquets. Lorsque l'on se déplace autour de l'axe longitudinal du rotor, deux séries de dents consécutives appartenant ou non au même pôle peuvent être décalées axialernent 5 d'une dent, l'écartement entre les dents étant par exemple égal à la dimension axiale d'une dent. Cela permet une limitation des pertes de charge. Chaque épanouissement polaire peut présenter une section ajourée, due aux canaux de refroidissement le parcourant, représentant plus de 25% de sa section totale. Les pôles saillants comportent chacun un corps de pôle et deux 10 épanouissements polaires. Deux pôles saillants voisins définissent entre eux un espace interpolaire. Au moins . un canal de refroidissement pe®t être ménagé dans le fond de l'espace interpolaire, afin d'améliorer encore le refroidissement du rotor. On peut ainsi pour chaque pôle obtenir une circulation du fluide de 15 refroidissement au sein des épanouissements polaires, et une circulation dans les espaces intmolaires: Les pôles saillants du rotor peuvent être formés par un assemblage de tôles magnétiques. Chaque tôle magnétique peut être avec tous ses pôles d'une seule pièce. Toutes 20 les tôles du rotor peuvent être identiques, chaque tôle ayant des pôles saillants ne présentant qu'un seul épanouissement polaire, tous les épanouissements d'une tôle étant dirigés dans le même sens circonférentiel. Lors de l'assemblage du rotor, les tôles sont assemblées en se superposant exactement par paquets de l'épaisseur d'une dent telle que précitée, puis un autre paquet formé de tôles disposées à l'envers est accolé au premier, et 25 ainsi de suite de façon à former une alternance de dents et de passages 'élargis le long de chaque épanouissement polaire. Le rotor peut comporter des tirants de maintien de l'assemblage de tôles magnétiques. Le rotor peut comporter, à l'extrémité radialement extérieure des corps de pôle, 30 des logements pour recevoir des amortisseurs. Le rotor peut comporter deux flasques d'extrémité, afin de faciliter l'opération de bobinage et d'améliorer la tenue mécanique générale du rotor. L'invention a encore pour objet, selon un autre de ses aspects, une machine électrique tournante comportant un rotor tel que défini ci-dessus. La machine électrique tournante comporte un stator à l'intérieur duquel tourne le rotor. La machine peut comporter un ou plusieurs ventilateurs, entrainés ou non par le rotor, pour créer une circulation d'air forcée dans les différents canaux de refroidissement: L'invention pourra être mieux comprise à la lecttre de la description qui va suivre, d'exemples non limitatifs de mise en oeuvre de celle-d, et à l'examen du dessin annexé, sur lequel :. - la figure 1 est une perspective, schématique et partielle, d'un exemple de carcasse magnétique de rotor selon l'invention, - la figure 2 est une vue de face selon Il de la figure 1, - la. figure 3 est une vue analogue à la figure 1 d'un autre exemple de carcasse magnétique de rotor selon l'invention, - la figure 4 représente isolément et partiellement un pôle saillant selon un exemple de mise en oeuvre de l'invention, et la figure 5 représente un détail de réalisation d'une machine électrique selon l'invention. On a représenté à la figure 1 un premier exemple de masse magnétique de rotor I qui s'étend selon un axe longitudinal X et comporte un assemblage de tôles magnétiques 2, formant des pôles saillants 3, au nombre de quatre dans l'exemple illustré, l'invention n'étant toutefois pas limitée à une polarité particulière. Comme on peut le voir sur la figure 1, chaque pôle 3 comporte un corps de 25 pôle 3h, qui s'étend selon un axe médian Y, et deux épanouissements polaires 3a qui font saillie dans la direction circonférentielle. Deux pôles voisins 3 définissent entre eux un espace interpolaire E. Des conducteurs électriques sont bobinés autour de chaque pôle 3 et définissent des enroulements 21, visibles à la figure 5. 30 Chaque tôle est de préférence monobloc, étant découpée dans un même feuillard magnétique. Le rotor I peut comporter des tirants non représentés, de maintien de l'assemblage de tôles magnétiques 2, traversant masse rotorique à la faveur de lumières 11 situées sur les pôles 3. Un logement central 8, muni d'un moyen d'antirotation 9, est ménagé dans la 5 masse rotorique pour recevoir un arbre, non représenté. La masse rotorique du rotor 1 peut également comporter, comme illustré, des logements 10 pour recevoir des amortisseurs, non représentés. Conformément à l'invention, au moins un canal interne de refroidissement 5 parcourt axialement chaque épanouissement polaire 3a. Au sein d'une tôle, ce canal ne 10 débouche pas sur le contour extérieur de la tôle, le contour du canal étant fermé. De préférence, plusieurs canaux de refroidissement 5 parcourent chaque épanouissement polaire 3a, par exemple six canaux, comme illustré aux figures 1 et 2. Des ailettes 4 réalisées dans les épanouissements polaires 3a des pôles 3 séparent les différents canaux de refroidissement 5. 15 Dans l'exemple des figures 1 et 2, chaque canal de refroidissement 5 parcourt toute la longueur L du rotor 1 de façon continue, sans interruption. - La masse magnétique peut être formée par l'empilage de tôles magnétiques identiques, les canaux 5 et les ailettes 4 étant formés par découpe de la tôle au sein des épanouissements polaires. 20 A la base de chaque espace interpolaire E, un canal additionnel 7 de refroidissement peut être prévu, comme illustré. Le canal 7 est par exemple de section circulaire, étant par exemple réalisé dans une extension 18 en forme d'angle droit, à côtés parallèles aux faces 19 en regard des épanouissements polaires 3a, 25 Dans la variante illustrée à la figure 3, les épanouissements polaires 3a présentent chacun une forme dentelée définissant des dents 6, au nombre de cinq par épanouissement polaire 3a dans l'exemple décrit, l'invention n'étant toutefois pas limitée à un nombre de dents particulier. Les canaux de refroidissement 5 sont ménagés dans les dents 6, et l'intervalle 30 20 entre les dents 6 définit un passage de Section élargie pour le fluide de refroidissement. Lorsque l'on se déplace autour de l'axe longitudinal X du rotor 1, deux séries consécutives de dents 6 sont décalées axialement.d'une dent, la dimension axiale La selon l'axe X d'une dent 6 peut être égale à la dimension La de l'intervalle 20 entre deux dents 6, Les épanouissements polaires 3b d'un même pôle sont avantageusement 5 dépourvus de dents à deux extrémités axiales 14, 15 opposées, comme représenté à la figure 3, Cela facilite le montage des bobines, lequel peut s'effectuer avec des bobines préfabriquées. Chaque épanouissement polaire 3a présente une section totale st, représentée hachurée à la figure 3, et une section ajourée s', définie par les canaux de refroidissement 5 10 parcourant l'épanouissement polaire 3a. La section ajourée sa représente de préférence plus de 25% de la section totale st de l'épanouissement polaire 3a. La section st est délimitée par le contour externe de l'épanouissement 3a et par une droite fictive prolongeant le corps 3b du pôle. Les canaux 5 peuvent présenter des sections différentes au sein d'un même 15 épanouissement polaire 3a, Pour réaliser la masse magnétique de la figure 3, on utilise des tôles identiques mais inversées par paquets de façon à former l'alternance de dents 6 et de passages -élargis 20 entre deux dents 6 consécutives. Le rotor 1 est par exemple intégré à une machine électrique tournante, non 20 représentée, comportant un ventilateur centrifuge. En variante, le ventilateur est un ventilateur à canaux multiples. Dans une autre variante encore, le ventilateur est réalisé en mettant en série un ventilateur centrifuge et un ventilateur axial. L'air aspiré par le ventilateur traverse les canaux de refroidissement 5 situés dans les épanouissements polaires -3a de chaque pôle saillant 3. En outre, l'air peut circuler 25 dans l'entrefer et au travers des canaux 7 ménagés à la base des espaces interpolaires E. Lorsque les canaux 5 parcourent de façon discontinue les épanouissements polaires 3a, c'est-à-dire lorsque les épanouissements polaires des pôles saillants 3 présentent chacun une forme dentelée comme illustré à la figure 3, une telle discontinuité permet une circulation transversale de l'air depuis les intervalles 20 entre deux dents 6 vers 30 l'espace interpol aire E. Sur la figure 5, on a. représenté partiellement le stator et le rotor d'une machine électrique tournante selon l'invention. On voit sur cette figure que l'ajour unique de l'extension 18 définissant le canal 7 des exemples des figures 1 et 3 peut être remplacé par une pluralité de canaux 7 séparés par des ailettes 23. L'invention n'est pas limitée aux exemples qui viennent d'être décrits. On peut par exemple. combiner entre elles des caractéristiques décrites référence à différents modes de réalisation au sein de variantes non illustrées. Les ailettes 4 peuvent être de toute forme. L'invention peut être mise en couvre sur des rotors à épanouissements polaires rapportés. L'invention ne se limite pas à des pôles saillants particuliers. L'invention peut s'appliquer à des rotors monoblocs, usinés dans une masse d'un matériau magnétique. L'expression « comportant un » doit être comprise comme étant synonyme de « comportant au moins un », sauf si le contraire eSt spécifié.