FR2835109A1

FR2835109A1 - Cooling system for rotating electrical machine e.g. used on aerogenerator, comprises fan which circulates air through axial tubes located between stator and casing and externally driven cooling liquid flowing around tubes

Info

Publication number: FR2835109A1
Application number: FR0200621A
Authority: FR
Inventors: Jean Begue
Original assignee: Moteurs Leroy Somer SA
Current assignee: Moteurs Leroy Somer SA
Priority date: 2002-01-18
Filing date: 2002-01-18
Publication date: 2003-07-25
Anticipated expiration: 2022-01-18
Also published as: FR2835109B1

Abstract

A space between the outside of the stator (41) and the external casing (42) of a rotating electrical machine is occupied by axial tubes which contain air. The space is partly cylindrical (42a) and partly rectangular (42b,42c). The air in the tubes is driven by a rotor fan and is cooled by an externally circulated liquid such as ethylene glycol which enters and leaves the space through orifices (60,61)

Description

La présente invention concerne le refroidissement des machines électriques tournantes. The present invention relates to the cooling of rotating electrical machines.

L'invention a notamment pour objet une nouvelle machine électrique tournante dans laquelle l'évacuation de la chaleur dégagée par le fonctionnement de la machine est améliorée, tout en étant d'un encombrement relativement réduit, compatible par exemple avec son transport par la route et son installation au sommet d'une éolienne. The invention particularly relates to a new rotary electrical machine in which the evacuation of the heat released by the operation of the machine is improved, while being relatively compact in size, compatible for example with its transport by road and its installation at the top of a wind turbine.

Cette machine peut se caractériser, selon un aspect de l'invention, par le fait qu'elle comporte un rotor et un stator, le stator comportant au moins une enceinte apte à contenir un liquide de refroidissement et une pluralité de tubes s'étendant à l'intérieur de ladite enceinte, pour échanger de la chaleur avec le liquide de refroidissement, ces tubes étant disposés de manière à être parcourus par de l'air mis en mouvement par au moins un ventilateur. This machine can be characterized, according to one aspect of the invention, by the fact that it comprises a rotor and a stator, the stator comprising at least one enclosure capable of containing a coolant and a plurality of tubes extending inside said enclosure, for exchanging heat with the coolant, these tubes being arranged so as to be traversed by air set in motion by at least one fan.

Une telle disposition des tubes permet de refroidir d'une manière efficace la machine sans que son encombrement devienne excessif. Such an arrangement of the tubes makes it possible to cool the machine effectively without its bulk becoming excessive.

Dans une réalisation particulière, le ventilateur est entraîné en rotation par le rotor. Cela peut être le cas lorsque le ventilateur est disposé à l'intérieur de la carcasse de la machine. In a particular embodiment, the fan is rotated by the rotor. This can be the case when the fan is placed inside the machine housing.

La machine peut comporter plusieurs rangées de tubes disposées concentriquement. The machine can have several rows of tubes arranged concentrically.

Le circuit magnétique du stator peut être disposé au contact d'une paroi délimitant l'enceinte. Ainsi, l'évacuation des calories peut également s'effectuer par conduction, du circuit magnétique vers le liquide circulant dans l'enceinte. The magnetic circuit of the stator can be arranged in contact with a wall delimiting the enclosure. Thus, the evacuation of calories can also be carried out by conduction, from the magnetic circuit to the liquid circulating in the enclosure.

L'enceinte peut présenter, dans le sens radial, une dimension non constante. The enclosure may have, in the radial direction, a non-constant dimension.

Cela peut permettre de créer un ou plusieurs espaces supplémentaires pour loger des tubes. This can create one or more additional spaces to accommodate tubes.

La machine peut comporter une première paroi comportant au moins deux portions planes sensiblement perpendiculaires entre elles, disposées en regard d'une portion sensiblement cylindrique d'une deuxième paroi, les deux parois délimitant entre elles l'enceinte, les deux portions sensiblement perpendiculaires entre elles pouvant se raccorder par une portion oblique. The machine may comprise a first wall comprising at least two planar portions substantially perpendicular to each other, arranged opposite a substantially cylindrical portion of a second wall, the two walls delimiting between them the enclosure, the two portions substantially perpendicular to each other. can be connected by an oblique portion.

Des cloisons peuvent être disposées dans l'enceinte, de manière à créer des chicanes allongeant le trajet du liquide circulant dans l'enceinte. Partitions can be arranged in the enclosure, so as to create baffles lengthening the path of the liquid circulating in the enclosure.

Les tubes peuvent présenter chacun une surface intérieure recouverte d'une résine isolante électriquement. The tubes may each have an interior surface covered with an electrically insulating resin.

L'invention pourra être mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui va suivre, d'un exemple de mise en oeuvre non limitatif, et à l'examen du dessin annexé, sur lequel : - la figure 1 est une coupe axiale, schématique et partielle, d'un exemple de machine conforme à l'invention,

- la figure 2 représente isolément une partie de la carcasse de la machine, - la figure 3 illustre, de manière schématique, la disposition relative de cloisons à l'intérieur de l'enceinte afin de créer des chicanes pour la circulation du liquide de refroidissement, et - la figure 4 représente isolément, de manière schématique et partielle, en coupe transversale selon IV-IV de la figure 2, la carcasse de la machine. The invention will be better understood on reading the detailed description which follows, of a nonlimiting example of implementation, and on examining the appended drawing, in which: FIG. 1 is an axial section, schematic and partial, of an example of a machine according to the invention,

- Figure 2 represents a part of the machine carcass, - Figure 3 illustrates, schematically, the relative arrangement of partitions inside the enclosure in order to create baffles for the circulation of the coolant , and - Figure 4 shows in isolation, schematically and partially, in cross section along IV-IV of Figure 2, the carcass of the machine.

On a représenté sur la figure 1 une machine électrique tournante 1, comportant un stator 2 et un rotor 3 tournant autour d'un axe géométrique de rotation X. Le stator 2 comporte une carcasse 10 logeant un circuit magnétique 11. Ce circuit magnétique comporte un empilage de tôles magnétiques, et des bobinages, de manière conventionnelle. FIG. 1 shows a rotary electrical machine 1, comprising a stator 2 and a rotor 3 rotating around a geometric axis of rotation X. The stator 2 comprises a carcass 10 housing a magnetic circuit 11. This magnetic circuit comprises a stacking of magnetic sheets, and coils, in a conventional manner.

Le rotor 3 comporte un arbre 20 portant un circuit magnétique 21 bobiné et un ventilateur 22, ce dernier permettant de générer à l'intérieur de la carcasse 10 un courant d'air de refroidissement. The rotor 3 comprises a shaft 20 carrying a coiled magnetic circuit 21 and a fan 22, the latter making it possible to generate inside the carcass 10 a stream of cooling air.

L'arbre 20 est supporté par des roulements à billes 30, de part et d'autre du circuit magnétique 21. The shaft 20 is supported by ball bearings 30, on either side of the magnetic circuit 21.

La carcasse 10 comporte une enceinte 40 qui est délimitée par deux parois 41 et 42 et dans laquelle s'étendent des tubes parallèles à l'axe X, non représentés sur la figure 1 dans un souci de clarté du dessin. Ces tubes, référencés 45, sont représentés sur la figure 4. On remarquera à l'examen de cette figure que la paroi 41, radialement la plus intérieure, est généralement cylindrique de révolution autour de l'axe X, tandis que la paroi 42, qui définit une surface extérieure de la machine, comporte une portion 42a cylindrique de révolution autour de l'axe X, concentrique à la paroi 41 et deux portions planes 42b, sensiblement perpendiculaires entre elles, raccordées par une portion oblique 42c. The carcass 10 comprises an enclosure 40 which is delimited by two walls 41 and 42 and in which extend tubes parallel to the axis X, not shown in FIG. 1 for the sake of clarity of the drawing. These tubes, referenced 45, are shown in FIG. 4. It will be noted on examining this figure that the wall 41, radially innermost, is generally cylindrical of revolution around the axis X, while the wall 42, which defines an exterior surface of the machine, comprises a cylindrical portion 42a of revolution around the axis X, concentric with the wall 41 and two planar portions 42b, substantially perpendicular to each other, connected by an oblique portion 42c.

La machine repose sur des pattes de support 51 et comporte également des pattes de levage 52 dans deux coins supérieurs. The machine rests on support legs 51 and also includes lifting legs 52 in two upper corners.

Des flasques d'extrémité 15 et 16 sont fixés à la paroi extérieure 42 à leur périphérie. Ces flasques 15 et 16 supportent des cages respectives 17 et 18 dans lesquelles sont placés les roulements 30. End plates 15 and 16 are fixed to the outer wall 42 at their periphery. These flanges 15 and 16 support respective cages 17 and 18 in which the bearings 30 are placed.

La carcasse 10 est pourvue d'une entrée 60 et d'une sortie 61 pour le liquide de refroidissement, et en partie inférieure, d'un orifice de vidange 62, normalement obturé. The carcass 10 is provided with an inlet 60 and an outlet 61 for the coolant, and in the lower part, with a drain orifice 62, normally closed.

L'entrée 60 et la sortie 61 sont destinées à être raccordées à un circuit de refroidissement extérieur à la machine, non représenté, permettant de faire circuler le liquide de refroidissement dans l'enceinte 40 et de le refroidir. The inlet 60 and the outlet 61 are intended to be connected to a cooling circuit external to the machine, not shown, making it possible to circulate the coolant in the enclosure 40 and to cool it.

Les tubes 45 sont fixés à leurs extrémités, comme on peut le voir sur la figure 2, de manière étanche à des cloisons 46 et 47 qui délimitent axialement l'enceinte 40. The tubes 45 are fixed at their ends, as can be seen in FIG. 2, in a sealed manner to partitions 46 and 47 which axially delimit the enclosure 40.

A l'intérieur de cette dernière sont disposés des ensembles de cloisons 48 et 49 fixés respectivement sur les parois 41 et 42, créant des chicanes à l'intérieur de l'enceinte pour forcer le liquide de refroidissement à circuler dans une direction généralement transversale aux tubes 45 en effectuant de nombreux aller et retour entre les parois 41 et 42, comme illustré sur la figure 3. Inside the latter are arranged sets of partitions 48 and 49 fixed respectively on the walls 41 and 42, creating baffles inside the enclosure to force the coolant to flow in a direction generally transverse to tubes 45 by making numerous round trips between the walls 41 and 42, as illustrated in FIG. 3.

Pendant le fonctionnement de la machine, l'air chassé par le ventilateur 22 circule selon les flèches A à l'intérieur des tubes 45, d'une extrémité à l'autre de l'enceinte, tandis que le liquide de refroidissement circule à l'extérieur des tubes, à l'intérieur de l'enceinte 40. On peut utiliser comme liquide de refroidissement de l'eau mélangée à un produit antigel, par exemple de l'éthylène glycol, mais on ne sort pas du cadre de la présente invention en utilisant d'autres liquides de refroidissement. During the operation of the machine, the air expelled by the fan 22 circulates according to the arrows A inside the tubes 45, from one end to the other of the enclosure, while the coolant circulates at the outside the tubes, inside the enclosure 40. Water mixed with an antifreeze product, for example ethylene glycol, can be used as coolant, but it is not going beyond the scope of this invention using other coolants.

Lors de la fabrication de la machine, on peut procéder à l'imprégnation du stator par une résine isolante électriquement, cette résine pénétrant dans les tubes, recouvrant leur surface intérieure et protégeant ainsi ces derniers de la corrosion. During the manufacture of the machine, the stator can be impregnated with an electrically insulating resin, this resin penetrating into the tubes, covering their internal surface and thus protecting the latter from corrosion.

L'invention s'applique à tout type de machine électrique tournante, et notamment à une machine asynchrone comportant un rotor bobiné. L'invention s'applique tout particulièrement aux machines électriques tournantes ayant une puissance relativement élevée, par exemple supérieure à 500 kW, voire supérieure à 2 MW ou plus, The invention applies to any type of rotary electric machine, and in particular to an asynchronous machine comprising a wound rotor. The invention applies very particularly to rotary electrical machines having a relatively high power, for example greater than 500 kW, or even greater than 2 MW or more,

par exemple de l'ordre de 3 MW, de telles machines pouvant être disposées au sommet d'éoliennes. for example of the order of 3 MW, such machines can be placed on top of wind turbines.

Claims

1. Rotating electric machine, comprising a rotor and a stator, this machine being characterized in that the stator comprises at least one enclosure (40) capable of containing a coolant and a plurality of tubes (45) extending to inside said enclosure, for exchanging heat with the coolant, these tubes (45) being arranged so as to be traversed by air set in motion by at least one fan (22).

2. Machine according to claim 1, characterized in that the fan (22) is rotated by the rotor (20).

3. Machine according to claim 2, characterized in that the fan (22) is arranged inside a carcass (10) of the machine.

4. Machine according to any one of the preceding claims, characterized in that it comprises several rows of tubes (45) arranged concentrically.

5. Machine according to any one of the preceding claims, characterized in that a magnetic circuit (11) of the stator is arranged in contact with a wall (41) delimiting the enclosure (40).

6. Machine according to any one of the preceding claims, characterized in that the enclosure (40) has, in the radial direction, a non-constant dimension.

7. Machine according to the preceding claim, characterized in that it comprises a first wall (42) comprising at least two portions (42b) planar and substantially perpendicular to each other, arranged opposite a substantially cylindrical portion of a second wall (41), the two walls defining between them the enclosure (40).

8. Machine according to the preceding claim, characterized in that said two portions substantially perpendicular to each other, are connected by an oblique portion (42c).

9. Machine according to any one of the preceding claims, characterized in that it comprises partitions (48,49) arranged in the enclosure so as to create baffles.

10. Machine according to any one of the preceding claims, characterized in that the tubes (45) each have an inner surface covered with an electrically insulating resin.