EP1532721A2 - Systeme de ventilation interne d une machine electrique tournante telle qu un alternateur notamment de vehicule automobile - Google Patents

Systeme de ventilation interne d une machine electrique tournante telle qu un alternateur notamment de vehicule automobile

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Publication number
EP1532721A2
EP1532721A2 EP03748192A EP03748192A EP1532721A2 EP 1532721 A2 EP1532721 A2 EP 1532721A2 EP 03748192 A EP03748192 A EP 03748192A EP 03748192 A EP03748192 A EP 03748192A EP 1532721 A2 EP1532721 A2 EP 1532721A2
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EP
European Patent Office
Prior art keywords
fins
ventilation system
stator
carcass
openings
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP03748192A
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German (de)
English (en)
Inventor
Claudiu Vasilescu
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Valeo Equipements Electriques Moteur SAS
Original Assignee
Valeo Equipements Electriques Moteur SAS
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Filing date
Publication date
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K5/00—Casings; Enclosures; Supports
    • H02K5/04—Casings or enclosures characterised by the shape, form or construction thereof
    • H02K5/20—Casings or enclosures characterised by the shape, form or construction thereof with channels or ducts for flow of cooling medium
    • H02K5/207—Casings or enclosures characterised by the shape, form or construction thereof with channels or ducts for flow of cooling medium with openings in the casing specially adapted for ambient air
    • H—ELECTRICITY
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    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K5/00—Casings; Enclosures; Supports
    • H02K5/04—Casings or enclosures characterised by the shape, form or construction thereof
    • H02K5/18—Casings or enclosures characterised by the shape, form or construction thereof with ribs or fins for improving heat transfer

Definitions

  • the invention relates to an internal ventilation system of a rotary electric machine of the type comprising, inside a carcass, a stator mounted fixed in the latter and a rotor mounted rotatably in the stator, the ventilation system comprising in particular at least one fan integral with the rotor and capable of creating a flow of cooling air inside the carcass, axial air intake openings made in the carcass and air inlets cooling air discharge, formed in said carcass in a ring facing the periphery of the fan and separated from each other by stiffening fins of the carcass in the area of the gills.
  • the invention also relates to a rotary electric machine comprising such a ventilation system.
  • the object of the present invention is to propose a ventilation system of the type indicated above, which overcomes this drawback.
  • the ventilation system according to the invention is characterized in that the angle inclination of the fins relative to the tangent is between 38 ° and 52 °.
  • the angle is advantageous to choose the angle at a value of 45 °.
  • FIG. 1 is an axial sectional view of an alternator according to the state of the art
  • FIG. 2 is a simplified schematic view of a ventilation system according to the invention, showing a fan and vents for evacuation of cooling air.
  • FIG. 3 is a perspective view of a front bearing provided with ventilation openings according to the invention.
  • FIG. 4 illustrates another advantageous characteristic of the ventilation system according to the invention.
  • FIG. 5 is a radial view of the interior of a stator developed flat.
  • the reference 1 designates an openwork alternator carcass of general shape of revolution which coaxially surrounds a stator 4 provided with windings 5 inside which is rotatably mounted a rotor 6 of the claw type comprising a shaft 7 supported by the carcass by means of front 9 and rear bearings 10.
  • the rotor consists of two pole pieces respectively front 12 and rear 13 and a winding 14.
  • Each pole piece 12, 13 carries on its part forming a plate a fan respectively front 15 and rear 16.
  • the fans are integral in rotation with their respective carrier pole piece.
  • the stator 4 is carried internally by the carcass 1. As shown diagrammatically in the figure, each fan carries on its external free face a plurality of ventilation blades 18.
  • the carcass 1 is formed by two hollow parts called respectively front bearing 19 and rear bearing 21.
  • bearings are assembled together for example using screws 26 and each comprise a generally transversely oriented part connected by one through a connection zone to an axially oriented crown.
  • the bearings centrally support the bearings 9, 10 in their transverse part, knowing that the front bearing is adjacent to the alternator drive pulley and the rear bearing to the rectifier bridge (not referenced) which the alternator comprises .
  • the transverse parts of the bearings are provided with axial air intake orifices 20.
  • the crown of the bearings extends at the outer periphery thereof and internally carries the stator 4, more precisely the body which the latter has for carrying the windings 5.
  • This ring is provided with openings 22 called gills.
  • the louvers 22 are axially oblong in shape and also affect the external periphery of the transverse part of the bearing concerned.
  • the vents 22 extend on either side of the body of the stator 4 and are located outside of the projecting parts, called chignons, windings 5 and fans.
  • the louvers 22 therefore comprise an axial orientation part, called the axial opening, affecting only the crown of the bearing.
  • the axial openings have an axial length equal to the height of a cylindrical portion of the crown defined by a first circle corresponding to the bottom of the openings adjacent to the stator body and by another circle corresponding to the edge of the axial openings of the openings.
  • FIG. 3 shows in perspective the openings 22 delimited by fins 24.
  • the fans are configured to create a flow of cooling air, the components of which are indicated by arrow lines, by drawing in ambient air through axial intake ports 20. A portion of the cooling air indicated by arrow F is evacuated through vents 22.
  • the invention relates to the internal ventilation system essentially comprising a fan 15 or 16 and the vents 22 for evacuating the air flow created by the fan and illustrated by the arrow F.
  • the fan is designated as in FIG. 1 by the reference 16
  • the fan blades by the reference 18
  • the ventilation openings carry the reference 22.
  • the openings 22 are obtained by providing in the appropriate openings made in the peripheral face of the bearing of the fins 24 which extend parallel to the axis of the alternator and are inclined at a predetermined angle relative to the direction radial R.
  • the fins 24 have the function of mechanically stiffening the bearing.
  • the fins 24 have an angle of inclination relative to the tangent perpendicular to the radial direction, between 38 ° and 52 °, preferably 45 °.
  • the angle of inclination with respect to the radial direction R is between (90 ° -38 °) and (90 ° -52 °)
  • the fins should have an inclination substantially parallel to the direction of flow of the cooling air to be discharged through the vents, for each fan / carcass or bearing combination, to avoid significant pressure losses, it has been found that when choosing inclinations in the above-mentioned value range from 38 ° to 52 °, good fan / bearing compatibility is preserved in a large number of such fan / bearing combinations, with relatively low pressure losses and reduced air separation. The ventilation system is therefore quieter.
  • the radial opening factor of the openings must advantageously be at least 40% insofar as an increase in the radial opening surface increases, so significant, the cooling efficiency of the fans, namely in particular the electronic components at the rear bearing of the alternator and the windings.
  • Figure 4 illustrates another measure to optimize the cooling of the alternator. Indeed, this figure illustrates that the fan blades should not overlap by more than a third, namely the distance 1 of their length of rope L the axial openings as indicated at 20 in Figure 1 of the carcass or front and rear bearings.
  • the outside diameter of the axial openings must be chosen according to the inside and outside diameters of the fan.
  • F is a multiplying coefficient which is determined according to the mechanical configuration of the electric machine, by iterative calculation.
  • the fins 24 are arranged so as to angularly coincide with these areas of high winding density and thus do not create additional obstacles in front of the air passages 34 in line with the teeth 33 of the stator. To this end, the fins 24 are therefore radially aligned with the grooves 32 of the stator.
  • the fins are radially aligned on only part of the set of grooves 32 of the stator.
  • the pitch of the fins can be a multiple of the pitch of the grooves / teeth of the stator.
  • the fins can radially superimpose the grooves 32 of the stator in a random pitch 35.
  • At least 70% of the fins are radially aligned with the grooves of the stator.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Motor Or Generator Cooling System (AREA)

Abstract

L'invention concerne une machine électrique tournante. La machine est du type comprenant, à l'intérieur d'une carcasse, un stator monté fixe et un rotor monté rotatif dans le stator, le système de ventilation comportant notamment au moins un ventilateur solidaire du rotor et susceptible de créer un écoulement d'air de refroidissement à l'intérieur de la carcasse, des ouvertures radiales (20) d'admission d'air ménagées dans la carcasse, et des ouïes (22) d'évacuation d'air de refroidissement, ménagées dans ladite carcasse dans une couronne en regard de la périphérie du ventilateur et séparées les unes des autres par des ailettes de rigidification (24) de la carcasse dans la zone des ouïes. Le système est caractérisé en ce que l'angle d'inclinaison des ailettes (24) par rapport à la tangente perpendiculaire à la direction radiale (R) est compris entre 38° et 52°. L'invention est utilisable pour des alternateurs de véhicule automobile.

Description

"Système de ventilation interne d'une machine électrique tournante telle qu'un alternateur notamment de véhicule automobile" .
Domaine technique de 1 " invention L ' invention concerne un système de ventilation interne d'une machine électrique tournante du type comprenant, à l'intérieur d'une carcasse, un stator monté fixe dans cette dernière et un rotor monté rotatif dans le stator, le système de ventilation comportant notamment au moins un ventilateur solidaire du rotor et susceptible de créer un écoulement d'air de refroidissement à l'intérieur de la carcasse, des ouvertures axiales d'admission d'air ménagées dans la carcasse et des ouies d'évacuation d'air de refroidissement, ménagés dans ladite carcasse dans une couronne en regard de la périphérie du ventilateur et séparées les unes des autres par des ailettes de rigidification de la carcasse dans la zone des ouies . ' invention concerne également une machine électrique tournante comprenant un tel système de ventilation.
Etat de la technique
Il s'est avéré que pour minimiser les pertes de pression occasionnées par les ailettes et le bruit dû aux décollements du fluide de refroidissement, ici de l'air, il est avantageux de les incliner selon la direction de l'écoulement de l'air devant être évacué. L'obligation de l'association ventilateur-carcasse constitue une contrainte fort gênante .
Objet de l'invention La présente invention a pour but de proposer un système de ventilation du type indiqué plus haut, qui pallie cet inconvénient.
Pour atteindre ce but, le système de ventilation selon 1 ' invention est caractérisé en ce que 1 ' angle d'inclinaison des ailettes par rapport à la tangente est compris entre 38° et 52°.
Il s'est avéré, de façon surprenante, qu'une telle gamme d'angles convient à un grand nombre de combinaisons ventilateur-carcasse, tout en assurant des faibles pertes de pression et une réduction du bruit. Ainsi pour chaque combinaison ventilateur-carcasse on calcule l'angle d'inclinaison et on propose une plage.
Selon une caractéristique de l'invention, il est avantageux de choisir l'angle à une valeur de 45°.
Brève description des figures
L'invention sera mieux comprise, et d'autre buts, caractéristiques, détails et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement dans la description explicative qui va suivre faite en référence aux dessins schématiques annexés donnés uniquement à titre d'exemple illustrant un mode de réalisation de l'invention et dans lesquels :
- la figure 1 est une vue en coupe axiale d'un alternateur selon l'état à la technique ;
- la figure 2 est une vue schématique simplifiée d'un système de ventilation selon l'invention, montrant un ventilateur et des ouies d'évacuation d'air de ref oidissement . - la figure 3 est une vue en perspective d'un palier avant pourvu d'ouïes de ventilation selon l'invention, et
- la figure 4 illustre une autre caractéristique avantageuse du système de ventilation selon l'invention. - la figure 5 est une vue radiale de l'intérieur d'un stator développé à plat.
Description de modes de réalisation préférentiels de l'invention.
En se référant à la figure 1 on décrira tout d'abord la structure générale d'un système de ventilation pour machine électrique tournante, dans le cas présent d'un alternateur pour véhicule automobile, pour placer l'invention dans son contexte. Ce type d'alternateur est décrit par exemple dans le document FR-A-2 602 925 auquel on se reportera pour plus de précisions.
Sur cette figure, la référence 1 désigne une carcasse ajourée d'alternateur de forme générale de révolution qui entoure coaxialement un stator 4 pourvu d'enroulements 5 à l'intérieur duquel est monté rotatif un rotor 6 du type à griffes comprenant un arbre 7 supporté par la carcasse par 1 ' intermédiaire de roulements avant 9 et arrière 10. Le rotor se compose de deux pièces polaires respectivement avant 12 et arrière 13 et d'un bobinage 14. Chaque pièce polaire 12, 13 porte sur sa partie formant plateau un ventilateur respectivement avant 15 et arrière 16. Les ventilateurs sont solidaires en rotation de leur pièce polaire porteuse respective. Le stator 4 est porté intérieurement par la carcasse 1. Comme cela est montré schématiquement sur la figure, chaque ventilateur porte sur sa face libre extérieure une pluralité de pales de ventilation 18.
La carcasse 1 est formée de deux parties creuses appelées respectivement palier avant 19 et palier arrière 21.
Ces paliers sont assemblés entre eux par exemple à l'aide de vis 26 et comportent chacun une partie globalement d'orientation transversale raccordée par 1 ' intermédiaire d'une zone de raccordement à une couronne d'orientation axiale. Les paliers portent centralement à la faveur de leur partie transversale les roulements 9, 10, sachant que le palier avant est adjacent à la poulie d'entraînement de l'alternateur et le palier arrière au pont redresseur (non référencé) que comporte l'alternateur.
Les parties transversales des paliers sont dotées d'orifices axiaux d'admission d'air 20. La couronne des paliers s'étend à la périphérie externe de ceux-ci et porte intérieurement le stator 4, plus précisément le corps que présente celui-ci pour porter les enroulements 5. Cette couronne est dotée d'ouvertures 22 appelées ouies. Les ouies 22 sont de forme oblongues axialement et affectent également la périphérie externe de la partie transversale du palier concerné. Les ouïes 22 s'étendent de part et d'autre du corps du stator 4 et sont implantés à l'extérieur des parties saillantes, appelées chignons, des enroulements 5 et des ventilateurs. Les ouies 22 comportent donc une partie d'orientation axiale, appelée ouverture axiale, affectant uniquement la couronne du palier.
Les ouvertures axiales ont une longueur axiale égale à la hauteur d'une portion cylindrique de la couronne délimitée par un premier cercle correspondant au fond des ouïes adjacent au corps du stator et par un autre cercle correspondant au bord des ouvertures axiales des ouïes. La figure 3 montre en perspective les ouïes 22 délimitées par des ailettes 24.
Les ventilateurs sont configurés pour créer un écoulement d'air de refroidissement dont les composants sont indiqués par des lignes fléchées, en aspirant de l'air ambiant à travers des orifices axiaux d'admission 20. Une partie de l'air de refroidissement indiqué par la flèche F est évacuée à travers des ouïes 22.
L ' invention concerne le système de ventilation interne comportant essentiellement un ventilateur 15 ou 16 et les ouïes 22 d'évacuation de l'écoulement d'air créé par le ventilateur et illustré par la flèche F.
On décrira ci-après l'invention en se reportant aux figures 2 et 3. Sur ces figures, on désigne comme sur la figure 1 le ventilateur par la référence 16, les pales de ventilateur par la référence 18 et les ouïes de ventilation portent la référence 22.
Comme on le voit sur la figure 3, sur laquelle la partie de la carcasse qui est pourvue des ouïes 22 est un palier avant, les ouïes 22 sont obtenues en prévoyant dans les ouvertures appropriées pratiquées dans la face périphérique du palier des ailettes 24 qui s'étendent parallèlement à l'axe de l'alternateur et sont inclinées d'un angle prédéterminé par rapport à la direction radiale R. Les ailettes 24 ont pour fonction de rigidifier mécaniquement le palier.
Conformément à l'invention, les ailettes 24 présentent un angle d'inclinaison par rapport à la tangente perpendiculaire à la direction radiale, compris entre 38° et 52°, de préférence de 45°. Autrement dit l'angle d'inclinaison par rapport à la direction radiale R est compris entre (90°-38°) et (90°-52°)
En dépit de l'opinion générale selon laquelle les ailettes doivent présenter une inclinaison sensiblement parallèle à la direction de l'écoulement de l'air de refroidissement devant être évacué à travers les ouïes, pour chaque combinaison ventilateur/carcasse ou palier, pour éviter des pertes de pression importantes, il s'est avéré que lorsque l'on choisit des inclinaisons dans la gamme de valeur susmentionnées de 38° à 52°, on conserve une bonne compatibilité ventilateur/palier dans un grand nombre de telles combinaisons ventilateur/palier, avec des pertes de pression relativement faibles et de décollements d'air réduits. Le système de ventilation est donc moins bruyant .
Concernant la réalisation des ouïes 22 et des ailettes les séparant, il est à noter que le facteur d'ouverture radiale des ouïes doit avantageusement être au moins de 40% dans la mesure où une augmentation de la surface d'ouverture radiale augmente, de façon significative, l'efficacité de refroidissement des ventilateurs, à savoir notamment des composants électroniques au niveau du palier arrière de l'alternateur et les bobinages.
Pour augmenter les performances du système de ventilation on augmente la taille circonférentielle des ouvertures axiales des ouïes 22 de telle manière que la surface des ouvertures axiales représente au moins 40% de la surface de la portion cylindrique précitée de la couronne . La figure 4 illustre une autre mesure permettant d'optimiser le refroidissement de l'alternateur. En effet, cette figure illustre que les pales de ventilateur ne devraient pas chevaucher par plus d'un tiers, à savoir la distance 1 de leur longueur de corde L les ouvertures axiales telles qu'indiquées en 20 sur la figure 1 de la carcasse ou des paliers avant et arrière. En d'autres termes, le diamètre extérieur des ouvertures axiales doit être choisi en fonction des diamètres intérieur et extérieur du ventilateur. Avantageusement, pour obtenir une ventilation optimisée, la répartition des ailettes peut être réalisée en sorte qu'elles soient angulairement distantes d'une distance D = F.360°/N
ou N = nombre d'encoches du stator
F est un coefficient multiplicateur que 1 ' on détermine en fonction de la configuration mécanique de la machine électrique, par calcul itératif.
Ainsi, par exemple,
si N= 36 encoches, alors 1.360°/36 = 10°. Les ailettes sont donc distantes angulairement de 10° ou d'un multiple de 10°.
si N= 48 encoches, alors 2.360°/48 = 15°. Les ailettes sont donc distantes angulairement de 7.5° ou d'un multiple de 7.5°.
si N= 96 encoches, alors 3.360°/96 = 11,25°. Les ailettes sont donc distantes angulairement de 3.75° ou d'un multiple de 3.75°. Ainsi, comme représenté à la figure 5, cette configuration permet d'obtenir une ventilation optimisée grâce à une réduction des pertes de charge devant les chignons de l'enroulement 5 bobiné dans les rainures 32 du stator 4.
En effet, la densité de bobinage des chignons avant
30 et arrière 31 (partiellement représentés sur la figure
5 pour des raisons de clarté) qui sortent axiale ent du stator 4 présentent une densité maximum au droit des rainures 32 et constituent un obstacle pour 1 ' évacuation de l'air par les ouies radiales 22. Ainsi, selon l'invention, les ailettes 24 sont disposées de manière à coïncider angulairement avec ces zones de haute densité de bobinage et ainsi ne pas créer d'obstacles supplémentaires devant les passages d'air 34 au droit des dents 33 du stator. A cet effet, les ailettes 24 sont donc radialement alignées avec les rainures 32 du stator.
Avantageusement, les ailettes sont radialement alignées sur une partie seulement de l'ensemble des rainures 32 du stator. Le pas des ailettes peut être un multiple du pas des rainures/dents du stator.
Selon un autre mode de réalisation, les ailettes peuvent superposer radialement les rainures 32 du stator selon un pas aléatoire 35.
Avantageusement, au moins 70% des ailettes sont radialement alignées avec les rainures du stator.

Claims

REVENDICATIONS
1. Système de ventilation interne d'une machine électrique tournante telle qu'un alternateur notamment de véhicule automobile, du type comprenant, à l'intérieur d'une carcasse, un stator monté fixe dans cette dernière et un rotor monté rotatif dans le stator, le système de ventilation comportant notamment au moins un ventilateur solidaire du rotor et susceptible de créer un écoulement d'air de refroidissement à l'intérieur de la carcasse, des ouvertures axiales (20) d'admission d'air ménagées dans la carcasse, et des ouïes d'évacuation d'air de refroidissement, ménagées dans ladite carcasse dans une couronne en regard de la périphérie du ventilateur et séparées les unes des autres par des ailettes (24) de rigidification de la carcasse dans la zone des ouïes radiales (22), caractérisé en ce que l'angle d'inclinaison des ailettes (24) par rapport à la tangente perpendiculaire à la direction radiale (R) est compris entre 38° et 52° et en ce que les ouïes radiales (22) présentent une partie d'orientation axiale, appelée ouverture axiale, affectant axialement uniquement la couronne d'orientation axiale et appartenant à une portion cylindrique et en ce que la surface des ouvertures axiales représente au moins 40% de la surface de la partie cylindrique.
2. Système de ventilation selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'angle d'inclinaison des ailettes de rigidification (24) est de l'ordre de 45°.
3. Système de ventilation selon l'une des revendications 1 à 2, caractérisé en ce que la distance angulaire entre les ailettes (24) radiales d'évacuation de l'air est égale à F.360°/N ou N correspond au nombre d'encoches présentes au stator et F est un coefficient multiplicateur.
4. Système de ventilation selon la revendication précédente caractérisé en ce que en ce que les ailettes
(24) sont radialement alignées avec les rainures (32) du stator.
5. Système de ventilation selon la revendication 3 caractérisé en ce que en ce qu'au moins 70% des ailettes
(24) sont radialement alignées avec les rainures (32) du stator.
6. Système de ventilation selon la revendication 3 caractérisé en ce que en ce que le pas des ailettes (24) est un multiple du pas des rainures (32) du stator.
7. Système de ventilation selon la revendication 1, caractérisé en ce que la partie de la longueur de corde (L) des pales (18) d'un ventilateur (16), chevauchant les ouvertures axiales (20) de la carcasse doit être égale ou inférieure à un tiers .
8. Machine électrique tournante, tel qu 'un alternateur, notamment de véhicule automobile, caractérisé en ce qu'il comprend un système de ventilation selon l'une des revendications 1 à 7.
EP03748192A 2002-06-28 2003-06-30 Systeme de ventilation interne d une machine electrique tournante telle qu un alternateur notamment de vehicule automobile Withdrawn EP1532721A2 (fr)

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