FR2517136A1

FR2517136A1 - Cooling arrangement for single-bearing rotary electric machine - uses system of air ducting between external cooling fins, separate air inlets and outlets, and construction allowing larger fan

Info

Publication number: FR2517136A1
Application number: FR8121806A
Authority: FR
Inventors: Jacques Plisson; Jean Balthazard
Original assignee: NORMANDIE MOTEURS ELECT
Current assignee: NORMANDIE MOTEURS ELECT
Priority date: 1981-11-20
Filing date: 1981-11-20
Publication date: 1983-05-27
Also published as: FR2517136B1

Abstract

The machine has a body in the shape of a bowl with a casing for the stator, an integral end cover, and an extended bearing support for the rotor shaft. Spatial isolation between incoming cooling air and outgoing hot air is achieved by ducting incorporated in the casing by partially covering the space between the ends of the radial fins which run along the length of the casing. Separate air inlets and outlets are used. The cooling air is guided over the length of the stator before being directed onto the rotor. The air enters the interior of the machine near the stator end windings, and is expelled by a fan (10) mounted on the rotor shaft.

Description

MACHINE ELECTRIQUE TOURNANTE A MONOPALIER
La présente invention concerne une machine électrique tournante à monopalier.ROTARY SINGLE-BEARING ELECTRIC MACHINE
The present invention relates to a single-bearing rotary electric machine.

Au cours de son fonctionnement, une machine électrique tournante dégage habituellement une quantité importante de chaieur. Une insuffisance de refroidissement de la machine risque de la détériorer prématurément. Jusqu'à présent les solutions connues de refroidissement des machines électriques tournantes n'ont pas apporté tous les résultats attendus. During its operation, a rotating electric machine usually releases a significant amount of heat. Insufficient cooling of the machine may damage it prematurely. Until now, known solutions for cooling rotating electrical machines have not brought all the expected results.

Cela est dû principalement à une mauvaise évacuation de la chaleur consécutive à une mauvaise circulation de l'air de refroidissement. This is mainly due to poor heat dissipation resulting from poor circulation of the cooling air.

Certaines de ces solutions connues entraînent en outre une augmentation de l'encombrement axial de la machine. Some of these known solutions also lead to an increase in the axial size of the machine.

La présente invention ayant pour but d'éviter ces inconvénients permet de réaliser une machine électrique tournante économique à moopalier ayant une structure perfectionnée favorisant une évacuation efficace de la chaleur, présentant un encombrement axial réduit et un faible entrefer rotorique donnant un bon rendement. The aim of the present invention is to avoid these drawbacks and makes it possible to produce an economical rotary single-decker electric machine having an improved structure promoting efficient heat dissipation, having a reduced axial size and a small rotor gap giving good efficiency.

Une machine électrique tournante à monopalier réalisée selon l'invention comprend des moyens réalisant d'une part une isolation spatiale entre les courants d'air frais aspirés et les courants d'air chaud expulsés, effectuant son refroidissement, et d'autre part une grande surface d'échange thermique et une longue durée de contact entre cette surface et ces courants d'air frais, aspirés et un temps réduit de contact entre cette surface et ces courants d'air chaud expulsés. A single-bearing rotary electrical machine produced according to the invention comprises means providing on the one hand a spatial insulation between the streams of fresh air drawn in and the streams of hot air expelled, effecting its cooling, and on the other hand a large heat exchange surface and a long contact time between this surface and these fresh, drawn air currents and a reduced contact time between this surface and these expelled hot air currents.

Pour mieux faire comprendre l'invention on décrit ci-après un certain nombre d'exemples de réalisation de l'invention, illustrés par des dessins ci-annexés dont - la figure I représente une vue schématique en coupe verticale d'une machine électrique tournante à monopalier selon un exemple de réalisation de l'invention, et montrant des canaux de refroidissement ouverts, - la figure 2 représente une vue schématique en coupe verticale d'une machine électrique tournante à monopalier selon un autre exemple de réalisation de l'invention, et
-la figure 3 représent une vue partielle en perspective du corps de la machine de la figure 2.To better understand the invention, a number of exemplary embodiments of the invention are described below, illustrated by the attached drawings, in which - Figure I represents a schematic view in vertical section of a rotary electric machine with single-bearing according to an exemplary embodiment of the invention, and showing open cooling channels, - FIG. 2 represents a schematic view in vertical section of a rotary electric single-bearing machine according to another exemplary embodiment of the invention, and
FIG. 3 represents a partial perspective view of the body of the machine of FIG. 2.

Une machine électrique tournante à monopalier 1 réalisée selon l'invention comprend un stator 2, un rotor 3, un corps 4 en forme d'une cuvette constituant à la fois une carcasse 5 pour le montage du stator 2, un flasque intégré d'extrémité 6 et un long palier intégré 7 formant un monopalier qui supporte un arbre s du rotor 3. Le rotor 3 porte des ailettes de refroidissement 9 à son extrémité avoisinant le flasque intégré 6 et le monopalier 7 et une turbine de refroidissement 10 à son extrémité opposée à celle portant le monopalier 7. Durant son fonctionnement, la machine tournante I s'échauffe.Pour la refroidir, les ailettes 9 et la turbine 10 de son rotor 3 font circuler de i:air à l'intérieur de la machine en creant une pression à l'intérieur, au niveau des têtes des bobinages 11 de son stator 2 et par conséquent une depression à l'entrée axiale du corps 4, qui appelle de l'air frais. A single-bearing rotary electrical machine 1 produced according to the invention comprises a stator 2, a rotor 3, a body 4 in the form of a bowl constituting both a carcass 5 for mounting the stator 2, an integrated end flange 6 and a long integrated bearing 7 forming a single-bearing which supports a shaft s of the rotor 3. The rotor 3 carries cooling fins 9 at its end bordering the integrated flange 6 and the single-bearing 7 and a cooling turbine 10 at its opposite end to that carrying the single-bearing 7. During its operation, the rotating machine I heats up. To cool it, the fins 9 and the turbine 10 of its rotor 3 circulate i: air inside the machine by creating a pressure inside, at the level of the heads of the windings 11 of its stator 2 and consequently a depression at the axial inlet of the body 4, which calls for fresh air.

Afin d'obtenir une évacuation efficace et rapide de la chaleur, la machine tournante 1 comprend selon une caracteristique importante de l'invention, des moyens réalisant d'une part une isolation spatiale entre les courants d'air frais aspirés et les courants d'air chaud expulsés, effectuant son refroidissement, et d'autre part, une grande surface d'échange thermique entre la machine 1 et le milieu extérieur, une longue durée de contact entre cette surface et ces courants d'air frais aspirés, et un temps réduit de contact entre cette surface et ces courants d'air chaud expulsés. Selon une autre caractéristique de l'invention, la machine tournante 1 comprend des moyens assurant une alimentation axiale en air frais de la turbine de refroidissement 10 du rotor 3 tout en donnant un encombrement axial réduit à la machine tournante 1.Pour cet effet, dans l'exemple illustré, le corps 4 de la machine 1 comprend sur sa surface extérieure des canaux longitudinaux destinés respectivement les uns 12 à la circulation des courants d'air frais aspirés et les autres 13 à la circulation des courants d'air chaud expulsés. Ces courants d'air frais et d'air chaud sont ainsi isolés spatialement les uns des autres par des cloisons radiales longitudinales espacées 14 qui définissent ces canaux et par au moins un bord transversal extérieur circulaire d'extrémité 15. In order to obtain an efficient and rapid evacuation of heat, the rotary machine 1 comprises, according to an important characteristic of the invention, means providing on the one hand a spatial insulation between the currents of fresh air drawn in and the currents of hot air expelled, effecting its cooling, and on the other hand, a large heat exchange surface between the machine 1 and the external environment, a long duration of contact between this surface and these fresh air currents sucked in, and a time reduced contact between this surface and these expelled hot air currents. According to another characteristic of the invention, the rotary machine 1 comprises means ensuring an axial supply of fresh air to the cooling turbine 10 of the rotor 3 while giving reduced axial dimensions to the rotary machine 1. For this purpose, in the example illustrated, the body 4 of the machine 1 comprises on its outer surface longitudinal channels intended respectively some 12 for the circulation of the fresh air streams sucked in and the other 13 for the circulation of the hot air streams expelled. These streams of fresh air and hot air are thus spatially isolated from each other by spaced apart longitudinal radial partitions 14 which define these channels and by at least one circular external transverse end edge 15.

Les canaux 12 pour courants d'air frais sont ouverts à leurs deux extrémités soit à travers des fenêtres 17 percées dans les deux bords transversaux d'extrémité 15 du corps 4, soit sur un côté à travers des fenêtres 17 percées dans un bord d'extrémité 15 et sur le côté opposé à travers des espaces laissés libres entre les cloisons longitudinales 14, par une absence de bord d'extrémité 15 du corps 4. The channels 12 for fresh air currents are open at their two ends either through windows 17 drilled in the two transverse end edges 15 of the body 4, or on one side through windows 17 drilled in an edge end 15 and on the opposite side through spaces left free between the longitudinal partitions 14, by an absence of end edge 15 of the body 4.

Les canaux 13 pour courants d'air chaud sont d'une part fermés au moins à l'une de leurs extrémités, par le bord transversal d'extrémité du corps 4, et d'autre part ouverts vers l'intérieur de la machine tournante 1, au niveau des têtes de bobinages 11 du stator 2 et des ailettes 9 et turbine de refroidissement 10 respectivement par des fenêtres 18 et 19 percées dans la paroi du corps 4.The channels 13 for hot air currents are on the one hand closed at least at one of their ends, by the transverse edge of the end of the body 4, and on the other hand open towards the inside of the rotary machine 1, at the level of the winding heads 11 of the stator 2 and of the fins 9 and cooling turbine 10 respectively through windows 18 and 19 drilled in the wall of the body 4.

Le corps 4 est fermé du côté de son ouverture 16, opposé à celui de son flasque intégré 6, d'une part par un capot 30 et/ou un bâti 32 d'un appareil sur lequel est montée cette machine électrique et d'autre part par un couvercle 20 muni d'un trou central 21. Un déflecteur 22 ayant une dimension plus grande que celle du trou 21 tournant avec l'arbre 8 permet de renvoyer à la périphérie du couvercle 20 ou corps 4 de la machine, les liquides ou corps étrangers qui pénètrent éventuellement dans celle-ci à travers l'espace libre 31 défini par le capot 30 et le bord transversal 15 du corps 4.Le couvercle 20 le déflecteur 22 et le capot 30 sont axialement espacés les uns par rapport aux autres pour former un passage circulaire 23 pour une entrée axiale d'air frais par le trou 21 dans la turbine de refroidissement 10, fixée sur le rotor 3 à proximité de ce couvercle 20. The body 4 is closed on the side of its opening 16, opposite that of its integrated flange 6, on the one hand by a cover 30 and / or a frame 32 of an apparatus on which is mounted this electric machine and on the other share by a cover 20 provided with a central hole 21. A deflector 22 having a dimension larger than that of the hole 21 rotating with the shaft 8 makes it possible to return to the periphery of the cover 20 or body 4 of the machine, the liquids or foreign bodies which possibly penetrate into it through the free space 31 defined by the cover 30 and the transverse edge 15 of the body 4. The cover 20 the deflector 22 and the cover 30 are axially spaced from one another to form a circular passage 23 for an axial entry of fresh air through the hole 21 in the cooling turbine 10, fixed on the rotor 3 near this cover 20.

Quand la machine tournante 1 fonctionne la turbine 10 aspire de l'air frais qui entre dans la machine 1 par le passage circulaire 23. Cet appel d'air crée des courants d'air frais non seulement dans la zone immédiate enveloppant le couvercle 20 et le capot 30 mais également à travers les fenêtres 17 du bord 15 et sur le long des canaux longitudinaux 12. L'air frais aspiré et refoulé par la turbine 10 sur les différentes parties échauffées de la machine tournante 1 et notamment sur les bobinages chauds 1 1 du stator 2, leur enlève de la chaleur et forme ensuite des courants d'air chaud qui sont expulsés radialement à travers les fenêtres 19 des canaux longitudinaux 13 pour courants d'air chaud. When the rotating machine 1 operates the turbine 10 sucks in fresh air which enters the machine 1 through the circular passage 23. This draft of air creates streams of fresh air not only in the immediate area enveloping the cover 20 and the cover 30 but also through the windows 17 of the edge 15 and along the longitudinal channels 12. The fresh air sucked in and discharged by the turbine 10 on the various heated parts of the rotary machine 1 and in particular on the hot windings 1 1 of the stator 2, removes heat from them and then forms hot air currents which are expelled radially through the windows 19 of the longitudinal channels 13 for hot air currents.

En même temps les ailettes de refroidissement 9 aspirent de l'air frais par les ouvertures 24 du flasque intégré 6, le refoulent sur les bobinages 11 et créent des courants d'air chaud qui sont expulsés radialement à travers les fenêtres 18 des canaux longitudinaux 13 pour courants d'air chaud. Les cloisons longitudinales 14 et le ou les bords d'extrémité 15 du corps 4 séparent ainsi les courants d'air frais et les courants d'air chaud. L'efficacité du refroidissement de la machine tournante 1 est ainsi fortement augmentée par rapport à celle réalisée dans des machines tournantes connues où les courants d'air chaud refoulés se mélangent facilement aux courants d'air frais aspirés. At the same time the cooling fins 9 suck in fresh air through the openings 24 of the integrated flange 6, discharge it onto the windings 11 and create currents of hot air which are expelled radially through the windows 18 of the longitudinal channels 13 for drafts. The longitudinal partitions 14 and the end edge or edges 15 of the body 4 thus separate the streams of fresh air and the streams of hot air. The cooling efficiency of the rotary machine 1 is thus greatly increased compared to that achieved in known rotary machines where the discharged hot air currents easily mix with the sucked in fresh air currents.

En outre dans la machine tournante 1, les courants d'air frais se déplaçant le long des canaux longitudinaux 12 ont une durée de contact d'échange thermique relativement longue avec le corps 4, son bord d'extrémitél5et les cloisons longitudinales 14 qui jouent en même temps le rôle d'aillettes de radiation thermique tandis que les courants d'air chaud projetés radialement à travers les fenêtres 18 et 19 ont un contact assez bref avec ces derniers. In addition, in the rotary machine 1, the streams of fresh air moving along the longitudinal channels 12 have a relatively long duration of heat exchange contact with the body 4, its end edge 15 and the longitudinal partitions 14 which act in at the same time the role of thermal radiation fins while the streams of hot air projected radially through the windows 18 and 19 have a fairly brief contact with them.

Une longue durée de contact d'échange thermique entre la machine et les courants d'air frais, renforce l'efficacité et augmente la rapidité de l'évacuation de la chaleur dégagée par la machine tournante 1. Les nombreuses cloisons longitudinales 14, les bords transversaux 15 et le corps 4 forment d'ailleurs une grande surface d'échange thermique entre la machine et le milieu extérieur. Selon un premier exemple de réalisation de l'invention illustré dans la figure 1, dans le corps 4 les canaux longitudinaux 12 et 13 sont ouverts sur toute leur longueur. Les canaux 12 pour courants d'air frais sont ouverts également à leur extrémité tandis que les canaux 13 pour courants d'air chaud sont fermés à une de ses extrémités par le bord 15 du corps 14. Le corps 4 est muni de pattes de fixation 26. A long duration of heat exchange contact between the machine and the fresh air currents, reinforces the efficiency and increases the rapidity of the evacuation of the heat released by the rotary machine 1. The numerous longitudinal partitions 14, the edges transverse 15 and the body 4 also form a large heat exchange surface between the machine and the outside environment. According to a first embodiment of the invention illustrated in Figure 1, in the body 4 the longitudinal channels 12 and 13 are open over their entire length. The channels 12 for fresh air currents are also open at their end while the channels 13 for hot air currents are closed at one of its ends by the edge 15 of the body 14. The body 4 is provided with fixing lugs 26.

Dans un deuxième exemple de réalisation de l'invention, illustré dans les figures 2 et 3, les canaux 12 pour courant d'air frais sont ouverts aux deux extrémités comme ceux du premier exemple mais fermés latéralement à partir du bord 15 sur une partie 25 de leur longeur. La partie fermée latéralement 25 contribue non seulement à isoler davantage spatialement les courants d'air chaud expulsés et les courants d'air frais aspirés mais permet également d'augmenter la surface d'échange thermique de la machine avec ces courants d'air frais aspirés. L'efficacité du refroidissement de la machine 1 est ainsi encore renforcée. Dans ce deuxième exemple, les canaux pour air chaud 13 sont comme ceux du premier exemple, ouverts latéralement sur toute leur longueur et à l'une de leurs extrémités et fermés à l'autre de leurs extrémités par le bord 15 du corps 4. In a second embodiment of the invention, illustrated in FIGS. 2 and 3, the channels 12 for the flow of fresh air are open at both ends like those of the first example but closed laterally from the edge 15 on a portion 25 of their length. The laterally closed portion 25 not only helps to further isolate the expelled hot air streams and the drawn fresh air streams, but also makes it possible to increase the heat exchange surface of the machine with these fresh drawn air streams. . The cooling efficiency of the machine 1 is thus further enhanced. In this second example, the hot air channels 13 are like those of the first example, open laterally over their entire length and at one of their ends and closed at the other of their ends by the edge 15 of the body 4.

Dans une variante de réalisation non représentée, les canaux 13 pour courants d'air chauds expulsés sont ouverts latéralement sur toute leur longueur mais fermés à leurs deux extrémités respectivement par le bord d'extrémité 15 et un bord d'extrémité non représenté du corps 4 interrompu aux endroits occupés par les canaux 12 pour les courants d'air frais aspirés. In an alternative embodiment not shown, the channels 13 for expelled hot air streams are open laterally over their entire length but closed at their two ends respectively by the end edge 15 and an end edge not shown of the body 4 interrupted at the places occupied by the channels 12 for the fresh air currents sucked in.

Dans cette variante de réalisation de l'invention, les courants d'air chaud expulses sont séparés des courants d'air frais aspirés empruntant les canaux 12 et ceux aspirés par des ailettes 9 et de turbine 10 du rotor 3. L'efficacité du refroidissement de la machine tournante 1 est ainsi encore renforcée. In this variant embodiment of the invention, the hot air streams expelled are separated from the fresh air streams sucked through the channels 12 and those sucked by fins 9 and turbine 10 of the rotor 3. The cooling efficiency of the rotating machine 1 is thus further reinforced.

Grâce à la structure de la machine 1 décrite ci-dessus et notamment celle du corps 4 et de ses couvercles 20 et capot 30, la machine tournante 1 dont le rotor 3 est munie d'une turbine d'air de refroidissement 10 a un encombrement axial nettement plus faible que celui des machines tournantes connues à turbine d'air de refroidissement alimenté par une entrée axiale d'air. En effet la machine tournante 1 ne comporte à proximité de sa turbine 10 ni dispositif encombrant connu de canalisation d'air vers le centre de cette turbine ni deuxième palier qui augmente son encombrement axial, le couvercle 20 servant de déflecteur pouvant être rapproché au maximum de la turbine 10. Thanks to the structure of the machine 1 described above and in particular that of the body 4 and its covers 20 and cover 30, the rotary machine 1, the rotor 3 of which is provided with a cooling air turbine 10, takes up space. significantly lower axial than that of known rotary machines with cooling air turbine supplied by an axial air inlet. Indeed, the rotary machine 1 does not have, near its turbine 10, any known bulky device for air ducting towards the center of this turbine, nor a second bearing which increases its axial dimensions, the cover 20 serving as a deflector can be brought together as much as possible. the turbine 10.

La structure du corps 4 de la machine tournante à monopalier 1 permet en outre d'obtenir facilement par un usinage effectué dans une même pièce, une grande précision de centrage du stator 2 et du rotor 3 autrement dit un entrefer rotorique minimal, et par conséquent un excellent rendement de la machine tournante 1. The structure of the body 4 of the single-bearing rotary machine 1 also makes it possible to easily obtain, by machining carried out in the same piece, high centering precision for the stator 2 and the rotor 3, in other words a minimum rotor air gap, and consequently excellent performance of the rotating machine 1.

Claims

1. Rotating single-bearing electric machine having a bowl-shaped body (4) constituting at the same time a carcass (5) for mounting a stator (2), an integrated end flange (6) and a long bearing (7) for the shaft (8) of a rotor (3), characterized in that it comprises means (12, 13, 14, 15, i6, 17, 18,19, 24) producing a on the one hand, a spatial insulation between the fresh air streams drawn in and the hot air streams expelled, effecting its cooling, and on the other hand a large heat exchange surface between the machine (1) and the external environment, a long duration of contact between this surface and these fresh air streams drawn and a reduced contact time between this surface and these hot air streams expelled.

2. Machine according to claim 1, characterized in that it comprises a body (4) having longitudinal channels intended respectively some (12) for a circulation of the fresh air streams sucked in and the others (13) for a circulation of the streams hot air expelled.

3. Machine according to one of claims 1 and 2, characterized in that it comprises on the outer surface of its body (4), spaced longitudinal radial partitions (14) and at least one transverse, outer, circular edge d end (15) defining longitudinal channels (12, 13) and ensuring spatial isolation of the fresh air streams drawn in and the expelled hot air streams cooling the machine (1).

4. Machine according to one of claims 2 and 3, characterized in that it comprises in its body (4) longitudinal channels (12) open laterally over their entire length and at their two ends, intended for the circulation of currents fresh air drawn in, and longitudinal channels (13) which, open laterally over their entire length, closed at least at one of their ends, and open towards the inside of the machine (1), at the level of the heads windings (11) of the stator (2) and cooling fins (9) and turbine (10), through windows (18, 19) drilled in the wall of this body (4), are intended for the circulation of currents hot air expelled.

5. Machine according to one of claims 2 and 3, characterized in that it comprises in its body (4) longitudinal channels (12) closed laterally over a part (25) of their length and open at their two ends, intended for the circulation of the fresh air streams drawn in, and the longitudinal channels (13) closed at least at one of their ends and open laterally over their entire length, intended for the circulation of the hot air streams expelled.

6. Machine according to one of claims 4 and 5, characterized in that it comprises in the end of the body (4) opposite the integrated flange (6) a cover (20) with central hole (21) a deflector ( 22) and a cover (30), axially spaced, closing the opening (16) of this body (4) and defining an axial inlet (23) for fresh air currents, in an adjacent turbine (10), carried by the rotor (3).