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DISPOSITION POUR LE REFROIDISSEMENT DE MACHINES ELECTRIQUES, EN PARTICULIER DE
MOTEURS TRIPHASES.
L'objet consistant à augmenter le rendement de machines électriques par unité de poids, est en substance un problème thermique, étant donné que la fatigue croissante des éléments actifs en augmente les pertes, et que la chaleur ainsi développée augmente sensiblement. Comme toutefois l'isolement d'enroulement n'admet que des augmentations de températures limitées, il faut soit maintenir faible la chaleur de perte, soit améliorer l'évacuation de la chaleur. Dans les constructions connues jusqu'à présent de machines électriques, le refroidissement est généralement beaucoup trop faible.
Dans les moteùrs triphasés ouverts par exemple, dans la meilleure des hypothèses, on fait circuler un courant d'air de refroidissement entre l'arrière du paquet de tôles du stator et le carter du moteur; l'arrière lisse du stator a toutefois une surface beaucoup trop réduite, pour assurer ainsi une bonne évacuation de la chaleur. Dans les moteurs fermés on munit par exemple le carter en fonte d'ailettes de refroidissement, et on fait circuler l'air de refroidissement le long de ces ailettes$ Ici également la surface d'évacuation de chaleur est insuffisante pour une bonne évacuation de la chaleur. Il faut encore ajouter que la fonte;:-.est un conducteur calorifique relativement mauvais, et que le passage de chaleur entre le paquet de tôles et le carter en fonte est insuffisant.
La présente invention a pour but de réaliser une disposition, à l'aide de laquelle une évacuation sensiblement meilleure de la chaleur du paquet de tôles est obtenue.
Suivant l'invention on munit à cet effet l'arrière du paquet de tôles du stator avec des protubérances qui en augmentent la surface, en particulier de protubérances en forme d'ailettes, qui sont exposées à un courant d'air de refroidissement. La disposition est telle que les ailettes de refroidissement sont estampées en même temps que les tôles du stator.
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La chaleur produite dans le paquet de tôles est donc transmise sans conducteurs calorifiques supplémentaires des ailettes de refroidissement estampées serrées les unes contre les autres .de manière particulièrement favorable et avec un rendement élevé à l'air de refroidissement circulant entre les ailettes de refroidissement, ce qui donne une évacuation de chaleur sensiblement supérieure.
Une forme de réalisation particulièrement avantageuse réside en plus suivant l'invention dans le fait que le paquet de tôles muni d'ailettes de refroidissement est réuni en une unité rigide de stator à l'aide de bagues terminales résistantes réunies par des boulons, unité qui est uniquement entourée d'une enveloppe conductrice d'air de refroidissement, qui peut être facilement amovible. Cette enveloppe d'air de refroidissement est suffisante pour produire un guidage forcé de l'air de refroidissement à travers les canaux à ailettes, et pour utiliser complètement le courant d'air de refroidissement pour le refroidissement. Un carter de stator séparé peut alors être supprimé complétement, étant donné qu'il ne signifierait qu'une augmentation du poids mort.
Lorsque l'enveloppe d'air de refroidissement est facilement amovible, on a la possibilité de nettoyer aisément les canaux d'air de refroidissement.
Les figs 1 et 2 représentent en vue de face et en coupe transversale un paquet de tôles de stator construit de cette manière. Le chiffre de référence 1 désigne les tôles du stator, chacune d'elles étant munie à son bord extérieur d'un nombre élevé d'ailettes de refroidissement estampées 2. Le paquet de tôles porte à ses deux extrémités des bagues terminales résistantes 3, qui sont réunies par des boulons 4 traversant le paquet, boulons qui sont rivetés aux bagues terminales. Le paquet de tôles est en outre entouré d'une enveloppe conductrice 5, cette enveloppe produit un guidage forcé de l'air de refroidissement dans le sens de la flèche 6 à travers les canaux à ailettes, de sorte que le courant d'air de refroidissement est utilisé entièrement pour le refroidissement.
Comme la chaleur est directement transmise des éléments actifs au courant d'air de refroidissement, on obtient un refroidissement intense du paquet de tôles, qui permet une augmentation de rendement de la machine électrique. L'emploi de l'enveloppe d'air:de refroidissement présente en outre l'avantage résidant dans le fait qu'un carter statorique proprement dit; comme il a été prévu jusqu'à présent, n'est pas nécessaire.
Suivant l'invention on peut en outre prévoir une disposition dans laquelle'. les ailettes de refroidissement de deux tôles successives, en particulier de chaque deuxième tple, en vue d'augmenter la surface de refroidissement, sont décalées dans le sens de la périphérie dans une mesure réduite, ne diminuant que faiblement la section transversale pour l'air de refroidissement qui circule entre elles. Déjà avec un faible décalage d'une quantité correspondant à peu près à l'épaisseur de la tôle, on obtient une surface accrue de 100% et un bon brassage du courant d'air passant par les canaux de refroidissement, sans réduire pour cela sensiblement la section des canaux.
La fig. 3 représente un exemple de réalisation d'une disposition de ce type, à savoir la coupe transversale d'un canal de refroidissement, ménagé entre les ailettes de refroidissement d'un paquet de tôles de stator. 11 désigne les tôles du paquet et 12 un canal d'air, qui est constitué par les interstices compris entre chaque paire d'ailettes. L'air de refroidissement circule dans le canal dans le sens de la flèche 13.
Comme l'indique la figure, les tôles11 du stator, sont décalées alternativement de l'épaisseur d'une tôle l'une par rapport à l'autre. De ce fait, comme on peut le constater aisément; on obtient une augmentation sensible de la surface émettrice de chaleur du canal de refroidissement 12.
Pour que lors de la fabrication les pertes en tôle soient les plus faibles possible, et pour tirer le meilleur profit de la matière première, on découpe suivant l'invention les tôles munies d'ailettes de refroidissement en quinconce, comme indiqué à titre d'exemple par la
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fig. 4. La consommation de tôle est alors à peine supérieure à celle résul- tant du mode de fabrication connu jusqu'à présent des paquets de tôle du stator.
Dans certains cas il peut aussi être préférable, suivant l'in- vention, de donner la forme d'un rectangle, en particulier d'un carré, aux tôles de stator munies d'ailettes de refroidissement, comme indiqué par la fig. 5. De cette manière et sans augmentation de consommation de tôle on peut découper les ailettes de refroidissement à partir de l'extérieur dans les différentes tôles, ailettes qui se succèdent et qui constituent ainsi des canaux de refroidissement pour l'évacuation directe de la chaleur du paquet de tôles.
Dans de nombreux cas, on peut déjà, suivant l'invention réali- ser une amélioration considénable de l'évacuation de la chaleur, en décou- pant les ailettes de refroidissement, en tirant uniquement parti des déchets angulaires habituels jusqu'à présent. Comme l'indique la figure 6, on peut déjà réaliser de cette manière un très bon refroidissement du paquet de tôles par émission directe de la chaleur produite dans le paquet de tô- les au courant d'air de refroidissement circulant entre les canaux de re- froidissement.
Une augmentation supplémentaire de la surface de refroidisse- ment et la suppression de l'enveloppe supplémentaire peut être obtenue par l'estampage de canaux de refroidissement, comme indiqué à titre d'exemple dans la figure 7.
Les interstices dans le paquet de tôles du stator, obtenus en estampant les tôles du stator en tirant parti des déchets de tôle angulaires, peuvent en outre être composés suivant 1'invention en décalant les tôles du stator obtenus de cette façon séparément ou par groupes les unes par rapport aux autres, et en les réunissant en un paquet de tôles de stator en substance cylindrique. On obtient de cette manière un paquet de stator cylindrique, dont la périphérie entière sert à évacuer directement et uniformément la chaleur.
Les figures 8 et 9 représentent un exemple de réalisation d'un paquet de tôles du stator réalisé de cette manière, en vue de face et en élévation latérale. 21, 22 et 23 désignent les trois parties du paquet de tôles, qui sont décalées l'une par rapport à l'autre de l'angle #. Les tôles du paquet partiel 21 sont estampées à partir de tôles carrées 24, indiquées en traits mixtes dans la figure. De même les tôles des paquets partiels 22 et 23 sont estampées à partir des tôles 25 et 26, également indiquées en traits mixtes. Par la disposition décalée des paquets partiels 21, 22 et 23 on obtient ainsi un paquet entier, dont la périphérie présente des ailettes évacuant la chaleur,et qui peut être entouré d'une enveloppe conductrice cylindrique pour l'air de refroidissement.
Les figs. 10 et 11 du dessin représentent en vue de face et en élévation latérale un paquet de tôles de stator, qui est également composé de plusieurs paquets partiels, de manière analogue à la forme d'exécution suivant les figures 8 et 9 et, dans lequel les paquets'partiels sont également décalés du même angle #, de sorte que l'on obtient de ce fait un paquet de tôles de stator en substance cylindrique.
La différence par rapport à l'exemple précédent réside dans le fait que dans ce cas on n'estampe pas seulement des ailettes, mais des canaux de refroidissement proprement dits dans les tôles carrées indiquées en traits mixtes, 31, 32 et 33, de sorte que les extrémités des ailettes estampées sont reliées les unes aux autres par des éléments transversaux 34, 35 et 36, qui constituent conjointement les éléments d'une surface d'enveloppe cylindrique pour le paquet de stator.
Les interstices produits en décalant les uns par rapport aux autres les tôles du paquet statorique peuvent en outre, suivant l'invention, être remplis par une masse coulée, par exemple en métal (aluminium ou analogue), par de la résine coulée ou par des matières synthétiques. On obtient ainsi un paquet de stator à enveloppe cylindrique extérieure uniforme.
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Les figures 12 et'13 du dessin représentent un tel paquet statorique, qui est composé des paquets partiels 41, 42 et 43 de la Manière décrite plus haut. Les interstices dans l'enveloppe extérieure, entre les paquets partiels, sont remplis dans ce cas par une couche 44 en résine coulée, de sorte que le paquet devient un cylindre régulier.
Enfin on peut prévoir suivant l'intention une disposition dans laquelle les têtes d'enroulement du stator, conjointement avec les interstices dans le paquet, peuvent être enrobées par de la résine coulée ou des substances analogues. De ce fait on obtient un stator compact et stable, qui évacue bien la chaleur,étant donné que la chaleur qu'il produit est transmise directement à l'air de refroidissement qui la traverse.
La fig. 14 du dessin représente un exemple de réalisation d'un tel stator, en coupe longitudinale. 51, 52 et 53 désignent à nouveau les parties d'un paquet de stator, qui sont décalées les unes par rapport aux autres de la manière décrite ci-dessus, de façon telle que des canaux de refroidissement sont obtenus à la périphérique du paquet, dans lesquels circule de l'air de refroidissement dans le sens de la flèche 54. Dans les encoches du paquet de stator est monté l'enroulement 55. Les têtes d'enroulement 65 et 57 prévues de part et d'autre du paquet de tôles de stator sont enrobées dans de la résine coulée. La résine coulée remplit également les interstices 59, 60 et 61 des paquets partiels du stator.
REVENDICATIONS.
1. Disposition pour le refroidissement des machines électriques, en particulier de moteurs triphasés, caractérisée en ce que la partie extérieure du paquet de tôles du stator est munie de protubérances augmentant sa surface, en particulier des ailettes, exposées à un courant d'air de refroidissement.
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PROVISION FOR THE COOLING OF ELECTRIC MACHINES, IN PARTICULAR
THREE-PHASE MOTORS.
The object of increasing the efficiency of electrical machines per unit of weight is in substance a thermal problem, since the increasing fatigue of the active elements increases their losses, and the heat thus developed increases appreciably. As however the winding insulation allows only limited temperature increases, it is necessary either to keep the waste heat low or to improve the heat dissipation. In the hitherto known constructions of electric machines, the cooling is generally much too low.
In open three-phase motors for example, in the best case scenario, a cooling air current is circulated between the rear of the stack of stator sheets and the motor casing; the smooth back of the stator, however, has a much too small surface area to ensure good heat dissipation. In closed engines, for example, the cast iron housing is fitted with cooling fins, and the cooling air is circulated along these fins $ Here also the heat dissipation surface is insufficient for a good evacuation of the air. heat. It should also be added that cast iron;: -. Is a relatively bad heat conductor, and that the passage of heat between the stack of sheets and the cast iron casing is insufficient.
The object of the present invention is to provide an arrangement, with the aid of which a substantially better heat dissipation from the bundle of sheets is obtained.
According to the invention, for this purpose, the rear of the stack of stator sheets is provided with protuberances which increase the surface thereof, in particular with protuberances in the form of fins, which are exposed to a current of cooling air. The arrangement is such that the cooling fins are stamped together with the stator sheets.
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The heat produced in the sheet bundle is therefore transmitted without additional heat conductors from the stamped cooling fins pressed against each other. Particularly favorably and with high efficiency to the cooling air flowing between the cooling fins, this which gives significantly greater heat dissipation.
A particularly advantageous embodiment is further according to the invention that the sheet bundle provided with cooling fins is united in a rigid stator unit by means of strong end rings joined by bolts, which unit is only surrounded by a conductive cooling air jacket, which can be easily removed. This envelope of cooling air is sufficient to produce forced guidance of the cooling air through the finned channels, and to fully utilize the flow of cooling air for cooling. A separate stator housing can then be omitted altogether, as this would only mean an increase in deadweight.
When the cooling air jacket is easily removable, it is possible to easily clean the cooling air channels.
Figs 1 and 2 show in front view and in cross section a package of stator sheets constructed in this way. Reference numeral 1 designates the stator sheets, each of which has a large number of stamped cooling fins on its outer edge 2. The sheet package has strong end rings 3 at both ends, which are joined by 4 bolts passing through the package, bolts which are riveted to the end rings. The sheet bundle is further surrounded by a conductive casing 5, this casing produces a forced guidance of the cooling air in the direction of arrow 6 through the finned channels, so that the air flow of cooling is used entirely for cooling.
As the heat is transmitted directly from the active elements to the cooling air stream, an intense cooling of the sheet bundle is obtained, which allows an increase in the efficiency of the electrical machine. The use of the air jacket: for cooling also has the advantage residing in the fact that a stator housing proper; as has been expected so far, is not necessary.
According to the invention, it is also possible to provide an arrangement in which '. the cooling fins of two successive sheets, in particular of every second tple, in order to increase the cooling surface, are offset in the direction of the periphery to a reduced extent, only slightly reducing the cross section for air cooling which circulates between them. Already with a small offset by a quantity corresponding approximately to the thickness of the sheet metal, an increased surface area of 100% is obtained and a good mixing of the air flow passing through the cooling channels, without thereby significantly reducing the channel section.
Fig. 3 shows an exemplary embodiment of an arrangement of this type, namely the cross section of a cooling channel, formed between the cooling fins of a package of stator sheets. 11 designates the sheets of the package and 12 an air channel, which is formed by the interstices between each pair of fins. The cooling air flows through the channel in the direction of arrow 13.
As shown in the figure, the stator sheets 11 are alternately offset by the thickness of a sheet relative to each other. As a result, as one can easily see; a significant increase in the heat emitting surface of the cooling channel 12 is obtained.
In order for the sheet metal losses to be as low as possible during manufacture, and to obtain the best possible benefit from the raw material, the sheets provided with cooling fins are staggered according to the invention, as indicated by way of example by
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fig. 4. The consumption of sheet metal is then barely greater than that resulting from the hitherto known method of manufacturing the sheet packs of the stator.
In certain cases it may also be preferable, according to the invention, to give the shape of a rectangle, in particular of a square, to the stator sheets provided with cooling fins, as indicated in FIG. 5. In this way and without increasing the consumption of sheet metal, the cooling fins can be cut from the outside in the different sheets, fins which follow one another and which thus constitute cooling channels for the direct evacuation of the heat. of the sheet metal package.
In many cases, according to the invention, a considerable improvement in heat dissipation can already be achieved by cutting off the cooling fins, taking advantage only of the angular waste customary until now. As shown in figure 6, it is already possible in this way to achieve very good cooling of the sheet bundle by direct emission of the heat produced in the sheet bundle to the cooling air stream flowing between the return channels. - coldness.
A further increase in the cooling surface and the removal of the additional casing can be achieved by stamping cooling channels, as exemplified in Figure 7.
The interstices in the stator sheet bundle, obtained by stamping the stator sheets taking advantage of the angular sheet metal scrap, can further be composed according to the invention by shifting the stator sheets obtained in this way separately or in groups. relative to each other, and joining them into a package of substantially cylindrical stator sheets. In this way, a cylindrical stator package is obtained, the entire periphery of which serves to dissipate heat directly and uniformly.
FIGS. 8 and 9 represent an exemplary embodiment of a package of stator sheets produced in this way, in front view and in side elevation. 21, 22 and 23 denote the three parts of the sheet bundle, which are offset from each other by the angle #. The sheets of partial package 21 are stamped from square sheets 24, shown in phantom in the figure. Similarly, the sheets of the partial packages 22 and 23 are stamped from the sheets 25 and 26, also indicated in phantom. By the staggered arrangement of the partial packages 21, 22 and 23, a whole package is thus obtained, the periphery of which has fins which dissipate heat, and which can be surrounded by a cylindrical conductive envelope for the cooling air.
Figs. 10 and 11 of the drawing show in front view and in side elevation a package of stator sheets, which is also composed of several partial packages, analogously to the embodiment according to Figures 8 and 9 and, in which the Partial packs are also offset by the same angle #, so that a substantially cylindrical stator plate pack is obtained.
The difference from the previous example lies in the fact that in this case not only fins are stamped, but actual cooling channels in the square sheets indicated in phantom lines, 31, 32 and 33, so that the ends of the stamped fins are connected to each other by cross members 34, 35 and 36, which together constitute the elements of a cylindrical casing surface for the stator package.
The interstices produced by offsetting the sheets of the stator pack with respect to each other can furthermore, according to the invention, be filled with a cast mass, for example of metal (aluminum or the like), with cast resin or with synthetic materials. A stator package with a uniform outer cylindrical shell is thus obtained.
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Figures 12 and 13 of the drawing show such a stator package, which is composed of the partial packages 41, 42 and 43 in the manner described above. The interstices in the outer shell, between the partial packages, are in this case filled with a layer 44 of cast resin, so that the package becomes a regular cylinder.
Finally, depending on the intention, an arrangement can be provided in which the winding heads of the stator, together with the interstices in the packet, can be coated with cast resin or the like. As a result, a compact and stable stator is obtained, which dissipates heat well, since the heat which it produces is transmitted directly to the cooling air which passes through it.
Fig. 14 of the drawing shows an embodiment of such a stator, in longitudinal section. 51, 52 and 53 again denote the parts of a stator pack, which are offset from each other in the manner described above, so that cooling channels are obtained at the periphery of the pack, in which cooling air circulates in the direction of arrow 54. In the notches of the stator package is mounted the winding 55. The winding heads 65 and 57 provided on either side of the sheet package stator are embedded in cast resin. The cast resin also fills the interstices 59, 60 and 61 of the partial packages of the stator.
CLAIMS.
1. Arrangement for cooling electrical machines, in particular three-phase motors, characterized in that the outer part of the stator sheet package is provided with protuberances increasing its area, in particular the fins, exposed to a current of air. cooling.