Brevet FR3039338A1 — publié le 20170127

Machine électrique tournante à refroidissement amélioré La présente invention concerne les machines électriques tournantes. L'invention s'intéresse plus particulièrement, mais non exclusivement, au refroidissement des machines électriques tournantes ouvertes, monophasées ou 5 polyphasées. On désigne par "machine électrique tournante ouverte" une machine refroidie par une circulation d'air prélevé à l'extérieur de la machine. L'invention concerne plus particulièrement le refroidissement des machines dont le rotor comporte des enroulements avec des têtes de bobines et des parties 10 d'enroulement parallèles à l'axe de rotation de la machine, encore appelées "parties droites", maintenues par des cales de serrage. Il a déjà été proposé divers perfectionnements pour accroître l'efficacité du refroidissement de telles machines, notamment dans la demande FR2940867. L'invention vise à perfectionner encore les machines électriques tournantes et 15 elle y parvient grâce à une machine électrique tournante comportant un rotor et un stator, étant refroidie par un flux d'air crée par l'intermédiaire d'au moins un ventilateur, qui peut être entrainé par l'arbre principal de la machine ou par son propre système d'entrainement, et comportant des pôles formés de paquets de tôles magnétiques et des conducteurs électriques bobinés autour de chaque pôle, le rotor comportant des ailettes de 20 refroidissement qui s'étendent dans le prolongement des pôles selon l'axe de rotation du rotor. L'invention permet d'utiliser la rotation du rotor pour refroidir le stator, les ailettes de refroidissement générant un flux d'air qui est projeté, principalement, dans la direction radiale vers les enroulements du stator. 25 L'invention permet d'accroître l'efficacité du refroidissement du stator. Chaque ailette peut être fixée sur une tôle de garde ou sur un paquet de tôles correspondant, et/ou sur des têtes de bobines enroulées sur ces pôles, ou à l'aide d'une pièce intermédiaire servant de lien mécanique entre l'ailette et le reste de la machine. Par « têtes de bobines » il faut comprendre les parties des enroulements du 30 rotor qui s'étendent hors du circuit magnétique du rotor, notamment les parties des enroulements qui vont d'une fenêtre de bobinage à une autre. 3039338 2 Les ailettes peuvent être maintenues chacune à l'aide d'un outil utilisé lors du bobinage du rotor. Les têtes de bobines du rotor peuvent présenter des conducteurs électriques espacés, définissant entre eux des passages contribuant à l'aération des têtes de bobines. 5 L'outil servant à maintenir les conducteurs espacés peut servir à la fixation des ailettes sur le rotor. La machine électrique tournante peut comporter un stator, et un rotor tel que défini précédemment. Le stator peut présenter des têtes de bobines et les ailettes de refroidissement s'étendent de préférence axialement en retrait des têtes de bobine du stator, 10 la longueur d'une ailette étant de préférence comprise entre 0% et 150% de la longueur d'une tête de bobine. Les ailettes présentent, de préférence, une dimension radiale qui croît en s'éloignant du pôle correspondant. Les ailettes peuvent présenter un bord radialement intérieur parallèle à l'axe de rotation et un bord radialement extérieur s'étendant 15 radialement vers l'extérieur, en éloignement du pôle correspondant. La distance entre le bord radialement extérieur et la surface enveloppe des têtes de bobines du stator en regard, peut être variable ou sensiblement constante. La machine peut comporter un ventilateur radial. Ce ventilateur peut aussi être hélico-centrifuge ou axial. 20 La machine est de préférence un alternateur. Les ailettes peuvent être positionnées d'un seul côté ou de chaque côté de la masse polaire principale, ce qui peut améliorer l'efficacité du fonctionnement de la machine. L'invention pourra être mieux comprise à la lecture de la description détaillée 25 qui va suivre, d'exemples de mise en oeuvre non limitatifs de celle-ci, et à l'examen du dessin annexé, sur lequel : - la figure 1 représente de façon schématique et en perspective, avec coupe longitudinale partielle, un exemple de machine tournante selon l'invention, - la figure 2 représente isolément une ailette de refroidissement, 30 - la figure 3 est une vue en perspective représentant un détail de réalisation du rotor, et - la figure 4 illustre une variante de réalisation. 3039338 3 La machine électrique tournante 1 selon l'invention, représentée partiellement à la figure 1, est un alternateur. La machine comporte une masse polaire principale, tournant avec le rotor, un stator principal 20, et une excitatrice comportant un induit d'excitatrice 11 et un inducteur 5 d'excitatrice 12, de façon conventionnelle. Le rotor tourne selon un axe de rotation X avec un arbre 15 qui entraîne un ventilateur 13, encore appelé turbine, qui génère un flux d'air de refroidissement axial à travers la machine. Le ventilateur 13 est de préférence un ventilateur à double voile, par exemple un ventilateur centrifuge ou hélico-centrifuge, disposé par exemple sur le rotor à 10 l'opposé de l'excitatrice 11, comme illustré. Si l'on se reporte aux figures 3 et 4, on voit que le rotor comporte des pôles 30 formés par des paquets de tôles magnétiques 10, sur lesquels sont bobinés des conducteurs 31. Ces derniers sont agencés sous la forme de bobines qui présentent des parties droites qui s'étendent le long de l'axe de rotation X, maintenues plaquées contre le paquet de tôles 15 du pôle correspondant par des cales 33 et des vis de serrage 34, et des têtes de bobines 35 qui dépassent axialement du paquet de tôles correspondant. Les pôles 30 peuvent être réalisés avec des épanouissements polaires 36 qui aident à retenir les bobines 31 sur le rotor, contre l'action de la force centrifuge. Les canaux interpolaires 38 peuvent recevoir tout dispositif de refroidissement 20 additionnel, comme décrit dans la demande FR2940867. Le stator 20 comporte un paquet de tôles 21 sur lequel sont bobinés des enroulements 22. L'invention s'applique à différents types de stators. Il est toutefois à noter que l'invention présente de meilleures performances et un plus grand intérêt avec les stators à 25 bobinage distribué (en anglais "random wound stators"). L'invention couvre aussi les machines à bobinage stator dits « form wounded ». L'enroulement 22 du stator forme des têtes de bobine 24 qui se superposent au moins partiellement, axialement, avec celles du rotor, comme on peut le voir notamment à la figure 1. 30 Conformément à l'invention, on munit le rotor d'ailettes de refroidissement 40 qui sont destinées à projeter un flux d'air de refroidissement additionnel sur le stator. Ces ailettes de refroidissement 40 sont par exemple, comme illustré, au nombre de quatre, à 3039338 4 savoir une par pôle à chaque extrémité de l'inducteur principal du rotor, dans l'exemple considéré. Les ailettes 40 s'étendent dans le prolongement du paquet de tôles du rotor, au niveau de chaque pôle. Les ailettes 40 peuvent s'étendre clans la direction radiale au-delà du cylindre enveloppe défini par les pôles du rotor, en profitant du fait qu'elles se situent hors de l'entrefer dans une zone où elles n'ont en regard d'elles que les têtes de bobines 22 du stator et non le circuit magnétique de celui-ci, défini par le paquet de tôles du stator. On peut donner aux ailettes 40 diverses formes et par exemple, comme illustré 10 à la figure 2, une forme où leur dimension radiale croît depuis une valeur L2 au niveau de leur base, là où elles se raccordent au paquet de tôles du pôle correspondant, à une valeur Ll au niveau de leur bord distal, lorsque l'on progresse selon l'axe de rotation du rotor. La longueur L3 d'une ailette 40 peut être telle que celle-ci s'étende axialement au-delà de la tête de bobine 35 adjacente. La longueur L3 est par exemple comprise entre 15 0% et 150% de la longueur L4 d'une tête de bobine du stator, les longueurs L3 et L4 étant mesurées sur l'axe X. Chaque ailette 40 s'étend de préférence en retrait axialernent de la tête de bobine 22 du stator, comme on peut le voir à la figure 2. Les ailettes 40 peuvent présenter un bord radialement intérieur 48 parallèle à l'axe de rotation X et un bord radialement extérieur 49 s'étendant radialement vers 20 l'extérieur en éloignement du paquet de tôles du pôle correspondant. En variante, les ailettes 40 peuvent présenter un bord radialement intérieur 48 parallèle à l'axe de rotation X et un bord radialement extérieur 49 s'étendant radialement vers l'extérieur en se rapprochant du paquet de tôles du pôle correspondant. Les ailettes 40 peuvent posséder une forme plane et/ou courbe et/ou 25 discontinue par morceaux. La distance w entre le bord radialement extérieur 49 et la surface enveloppe des têtes de bobines 22 du stator en regard peut être sensiblement constante, comme illustré sur la figure 2. Il peut en être autrement. En effet les ailettes 40 peuvent avoir une forme telle que la distance w est non constante entre le bord radialement extérieur 49 et la surface 30 enveloppe des têtes de bobines 22 du stator en regard. Dans l'exemple illustré, le rotor comporte 4 pôles avec une ailette 40 par pôle et 4 ailettes de refroidissement de chaque côté de l'inducteur principal, soit 8 ailettes de 3039338 5 refroidissement en tout. Toutefois, l'invention n'est pas limitée à un nombre particulier d'ailettes de refroidissement, et celui-ci est par exemple compris entre I et 200 par pôle, d'un côté au moins du rotor. La fixation des ailettes 40 sur le rotor peut s'effectuer de diverses façons. 5 On peut par exemple profiter de la présence d'un outil, ou pièce permettant le bobinage, utilisé pour bobiner les conducteurs d'un pôle du rotor pour maintenir une ailette de refroidissement 40 en place sur le rotor, comme illustré à la figure 3. Cet outil sert par exemple à maintenir écartés les enroulements du rotor au niveau des têtes de bobines 35, afm de leur conférer un caractère aéré et faciliter leur refroidissement. Sur la figure 3, on voit une pièce de fixation 50 qui est accrochée sur une tête de bobine 35 correspondante et qui maintient, grâce à un bras 51, l'ailette 40. La pièce de fixation 50 est fixée, par exemple, au rotor par le biais des épanouissements polaires 36, ou par des consoles des têtes de bobine, et/ou du bobinage de l'inducteur principal qui permet de coincer la pièce de fixation 50 et la maintenir dans la machine lorsque le rotor est en rotation. Dans une variante, illustrée à la figure 4, les ailettes 40 sont maintenues par des tiges de support 60 qui sont fixées chacune dans le paquet de tôles des pôles correspondants. Par exemple, chaque tige 60 s'étend dans un perçage réalisé dans le paquet de tôles. Les ailettes 40 peuvent être fixées encore autrement sur le rotor, étant par exemple collées sur le rotor, par exemple sur les têtes de bobines et/ou sur le paquet de tôles et/ou vissées sur les tôles de garde ou tôles principales. Les ailettes de refroidissement 40 peuvent encore être réalisées directement avec une partie d'extrémité du rotor, servant par exemple à maintenir en compression le 25 paquet de tôles. Au cours du fonctionnement de la machine, les ailettes 40 agissent en quelque sorte à la manière d'un ventilateur radial. De l'air est aspiré par la dépression, du fait de la rotation des ailettes, et celles-ci génèrent un flux d'air dans la direction radiale vers les têtes de bobines du stator. Ce flux d'air généré par les ailettes de refroidissement 40 en raison de 30 la rotation du rotor permet d'obtenir un coefficient de transfert thermique plus important au niveau du bobinage du stator, ce qui peut entraîner une diminution des points chauds 3039338 6 susceptibles d'apparaître notamment au niveau des têtes de bobines de celui-ci. Il en résulte une température moyenne plus basse des enroulements statoriques. Les ailettes de refroidissement peuvent également jouer un rôle, plus faible mais non négligeable, sur le refroidissement du rotor. En effet, l'aspiration créée au niveau 5 des ailettes de refroidissement 40 peut permettre, dans certains cas, d'améliorer l'écoulement d'air au niveau des aérations radiales de la masse polaire principale. L'invention n'est pas limitée aux exemples qui viennent d'être décrits. On peut modifier encore la forme et/ou le nombre des ailettes, et/ou la manière de les maintenir au rotor. Chaque ailette de refroidissement peut géométriquement être 10 contenue dans un seul plan comme illustré à la figure 2, mais cela n'est pas nécessaire. On peut avoir des formes inclinées continues ou discontinues par morceaux ou bien encore toute combinaison d'ailettes de refroidissement de différentes formes chacune. REVENDICATIONSI. Rotor de machine électrique tournante, comportant des pôles (30) formés de paquets de tôles magnétiques (10) et des conducteurs électriques (31) bobinés autour de chaque pôle, le rotor comportant des ailettes de refroidissement (40) qui s'étendent dans le 5 prolongement des pôles selon l'axe de rotation (X) du rotor. 2. Rotor selon la revendication 1, chaque ailette (40) étant fixée sur un paquet de tôles correspondant. 3. Rotor selon la revendication 1 ou 2, les ailettes (40) étant fixées sur des têtes de bobines des pôles correspondants. 10 4. Rotor selon la revendication 3, les ailettes (40) étant maintenues chacune à l'aide d'un outil utilisé lors du bobinage du rotor. 5. Rotor selon la revendication 3 ou 4, les têtes de bobines du rotor présentant des conducteurs électriques espacés, définissant entre eux des passages contribuant à l'aération des têtes de bobines. 15 6. Machine électrique tournante comportant un stator (20) et un rotor tel que défini dans l'une des revendications précédentes. 7. Machine selon la revendication 6, le stator présentant des têtes de bobines et les ailettes de refroidissement (40) s'étendant axialement en retrait des têtes de bobines du stator, la longueur (L3) d'une ailette étant comprise entre 0% et 150% de la longueur 20 (L4) d'une tête de bobine du stator. 8. Machine selon l'une des revendications 6 et 7, les ailettes (40) présentant chacune une dimension radiale qui croît en éloignement du pôle correspondant. 9. Machine selon l'une des revendications 6 et 7, les ailettes (40) présentant chacune une dimension radiale qui décroît en éloignement du pôle correspondant. 25 10. Machine selon la revendication 8 ou 9, les ailettes (40) présentant un bord radialement intérieur (48) parallèle à l'axe de rotation (X) et un bord radialement extérieur (49) s'étendant radialement vers l'extérieur, en éloignement du pôle correspondant. 11. Machine selon la revendication 8 ou 9, les ailettes (40) présentant un bord radialement intérieur (48) parallèle à l'axe de rotation (X) et un bord radialement extérieur 30 (49) s'étendant radialement vers l'extérieur, en se rapprochant du pôle correspondant. 3039338 8 12. Machine selon l'une quelconque des revendications 6 à 11, comportant un ventilateur (13) radial ou hélico-centrifuge. 13. Machine selon l'une quelconque des revendications 6 à 11, comportant un ventilateur (13) axial. 14. Machine selon l'une quelconque des revendications 6 à 13, comportant un ventilateur (13), entrainé par l'arbre principal ou par son propre système d'entrainement. 15. Machine selon l'une quelconque des revendications 6 à 14, étant un alternateur. 16. Machine selon la revendication 15, comportant des ailettes (40) d'un seul 10 côté ou de chaque côté de la masse polaire principale. 17. Machine selon la revendication 16, comportant des ailettes (40) possédant une forme plane et/ou courbe et/ou discontinue par morceaux.