FR3004601A1 - Machine electrique dotee d'un dispositif de refroidissement interne - Google Patents

Abstract

L'invention se rapporte à une machine électrique (1,100) comprenant au moins un rotor (25) bobiné autour d'un moyeu allongé (2,102) et un dispositif de refroidissement dudit rotor (25) fondé sur un circuit de fluide (4,104). La principale caractéristique d'une machine électrique selon l'invention, est que ledit circuit (4,104) est réalisé dans le moyeu (2,102) et comprend au moins un canal d'alimentation (5,105) en fluide frais relié à une entrée (16) et s'étendant longitudinalement dans ledit moyeu (2,102), et au moins un canal d'évacuation (6,106) dudit fluide relié à une sortie (18), et en ce que chaque canal d'alimentation (5,105) est en communication avec un canal d'évacuation (6,106).

Description

MACHINE ELECTRI QUE DOTEE D'UN DISPOSITIF DE REFROI Dl SSEMENT INTERNE L'invention se rapporte à une machine électrique dotée d'un dispositif de refroidissement interne. En effet une telle machine électrique comporte généralement un stator et un rotor, et lorsque ladite machine fonctionne, fonctionne, elle a tendance à surchauffer en raison du déplacement des pièces du rotor qui le composent, et de la création de courants électriques à l'intérieur de ceux-ci. Si aucune mesure n'est prise pour éviter ou limiter cette surchauffe, ladite machine peut s'enrayer ou subir une usure prématurée. L'invention se rapporte à une machine électrique dotée d'un dispositif de refroidissement amélioré. Les machines électriques possédant un dispositif de refroidissement existent et ont déjà fait l'objet de brevet. On peut, par exemple, citer la demande W02009/129882, qui se rapporte à une machine électrique rotative possédant un rotor et un dispositif de refroidissement dudit rotor, ledit dispositif impliquant plusieurs conduites incurvées, destinées à faire circuler un élément de fluide de refroidissement dans et sur ledit rotor. La vitesse absolue de l'élément de fluide dans lesdites conduites est obtenue en superposant la vitesse de rotation du rotor et la vitesse relative dudit élément de fluide par rapport audit rotor. La géométrie des conduites est configurée de telle manière que le fluide de refroidissement circule dans lesdites conduites avec une vitesse, dont le sens est opposé à celui de la vitesse circonférentielle dudit rotor. Une telle machine électrique présente l'inconvénient de posséder un dispositif de refroidissement de conception complexe, qui est difficile à réaliser et qui est donc coûteux. Une machine électrique selon l'invention dispose d'un dispositif de refroidissement simple et peu encombrant, permettant de refroidir efficacement et de façon homogène, le rotor.

L'invention a pour objet une machine électrique comprenant au moins un rotor bobiné autour d'un moyeu allongé et un dispositif de refroidissement dudit rotor fondé sur un circuit de fluide.

La principale caractéristique d'une machine électrique selon l'invention est que ledit circuit est réalisé dans le moyeu et comprend au moins un canal d'alimentation en fluide frais relié à une entrée et s'étendant longitudinalement dans ledit moyeu, et au moins un canal d'évacuation dudit fluide relié à une sortie, chaque canal d'alimentation étant en communication avec un canal d'évacuation. En étant ainsi étendu le long du moyeu allongé du rotor, le canal d'alimentation en fluide frais inonde une zone importante du rotor, pour assurer un refroidissement rapide et homogène dudit rotor. Chaque canal d'alimentation peut par exemple être rectiligne ou en spirales.

Le canal d'évacuation est destiné à acheminé le fluide qui a servi à refroidir le rotor, et qui s'est donc réchauffé, vers l'extérieur dudit rotor. Ce canal d'évacuation n'ayant aucune fonction thermique au sein du rotor, peut indifféremment être orienté longitudinalement dans le moyeu, ou transversalement ou dans toute autre direction. Il peut également être de longueur variable. Préférentiellement le canal d'évacuation a un diamètre égal à celui du canal d'alimentation pour ne pas perturber la vitesse d'écoulement du fluide dans le rotor et entraver ainsi la qualité du refroidissement. Le fluide de refroidissement peut être gazeux ou liquide. Dans le cas d'un liquide, il peut être avantageusement constitué par de l'eau. Le nombre de canaux d'alimentation en fluide de refroidissement peut être inférieur, égal ou supérieur au nombre de canaux d'évacuation dudit fluide. Il est supposé que l'entrée et la sortie sont réalisées dans le moyeu, ladite entrée pouvant par exemple être reliée à une réserve de fluide externe au rotor. Avantageusement, chaque canal d'évacuation est longitudinal, chaque canal d'alimentation et chaque canal d'évacuation s'étendant sur au moins 50% de la longueur totale du moyeu. En effet, afin d'assurer un refroidissement efficace de l'intégralité du rotor, les canaux d'alimentation en fluide de refroidissement doivent majoritairement être longitudinaux et ainsi posséder une longueur minimum au sein du moyeu dudit rotor. De façon avantageuse, ladite longueur minimum est supérieure ou égale à 90% de la longueur totale du moyeu.

De façon préférentielle, chaque canal d'alimentation et chaque canal d'évacuation sont situés à l'intérieur du moyeu. En effet, puisque le dispositif de refroidissement ne doit pas entraver le bon fonctionnement de la machine, il est recommandé de ne pas le faire déborder du moyeu du rotor. Ce dispositif de refroidissement doit être d'un encombrement réduit et doit ainsi se fondre dans le moyeu du rotor. Préférentiellement, le moyeu est cylindrique, l'entrée et la sortie du circuit de fluide étant situées à une même extrémité du moyeu. Pour cette configuration, la longueur de chaque canal d'alimentation et de chaque canal d'évacuation est sensiblement égale. Autrement dit, la différence de longueur entre chaque canal d'alimentation et chaque canal d'évacuation ne doit pas excéder 10% de la plus grande desdites longueurs. De cette manière, chaque canal d'alimentation est assimilable à un canal « aller », et chaque canal d'évacuation à un canal « retour ». Il est avantageusement supposé que les canaux d'alimentation ont la même longueur, et que les canaux d'évacuation ont également la même longueur. De façon avantageuse, le moyeu possède au moins un canal d'alimentation dont une première extrémité est reliée à l'entrée de fluide et dont une deuxième extrémité est en communication avec une première extrémité d'un canal d'évacuation au moyen d'une tubulure radiale, une deuxième extrémité dudit canal d'évacuation étant reliée à la sortie de fluide. De cette manière, chaque canal d'alimentation en fluide de refroidissement peut être couplé à un canal d'évacuation qui lui est spécifique, ou à un seul canal d'évacuation qui est commun à tous lesdits canaux d'alimentation. La communication entre chaque canal d'alimentation et un canal d'évacuation est assurée au moyen d'une tubulure transversale par rapport à l'axe longitudinal du moyeu. Le terme d' « extrémité » est d'interprétation large et désigne une zone d'extrémité pouvant tout aussi bien représenter la partie distale d'un canal qu'une partie en léger retrait par rapport cette partie distale.

Avantageusement, le moyeu comprend plusieurs canaux périphériques d'alimentation en fluide frais et un canal central d'évacuation dudit fluide placé au milieu desdits canaux d'alimentation, chaque canal d'alimentation étant relié au canal central d'évacuation au moyen d'une tubulure radiale. Pour cette configuration le canal d'évacuation est commun aux canaux périphériques d'alimentation. Les tubulures radiales reliant chaque canal d'alimentation au canal d'évacuation définissent ainsi un motif étoilé s'inscrivant dans un plan transversal du moyeu allongé. De façon préférentielle, l'entrée de fluide débouche dans une gorge annulaire d'entrée du moyeu qui est en communication avec la première extrémité de chaque canal d'alimentation, et en ce que la deuxième extrémité dudit canal d'évacuation est reliée à une gorge annulaire de sortie débouchant sur la sortie de fluide. La gorge d'entrée est alimentée en fluide frais et sert d'organe de distribution dudit fluide dans les canaux d'alimentation. La gorge de sortie permet de recueillir facilement le fluide réchauffé en provenance du canal central d'évacuation avant de l'acheminer vers la sortie. Il est à préciser que le terme d' « extrémité » est d'interprétation large et désigne une zone d'extrémité pouvant tout aussi bien désigner la partie distale d'un canal qu'une partie en léger retrait par rapport cette partie distale. De façon avantageuse, chaque gorge est bordée extérieurement par un joint. Plus précisément, ledit joint entoure le moyeu sur toute sa circonférence et permet de rendre étanches lesdites gorges. Préférentiellement, chaque tubulure radiale possède une extrémité débouchant au niveau d'un bord périphérique du moyeu. Avantageusement, chaque tubulure radiale, chaque canal d'alimentation et chaque canal d'évacuation qui débouchent sur l'extérieur du moyeu sont obturés au moyen d'une pièce rapportée. En effet, l'élaboration du circuit de fluide au sein du moyeu peut nécessiter la réalisation de trous de perçage dans ledit moyeu pour effectuer les différents canaux et tubulures impliqués dans ledit circuit. Il est donc fondamental d'obturer leurs extrémités débouchant à l'extérieur du moyeu, pour fermer de façon étanche ledit circuit, et éviter qu'une partie du fluide ne coule vers l'extérieur du moyeu. La pièce rapportée est préférentiellement usuelle, et peut par exemple être représentée par une vis ou une pastille. Les machines électriques selon l'invention, présentent l'avantage de posséder un circuit de refroidissement intégré, évitant ainsi l'installation d'un équipement extérieur, encombrant et coûteux, pour réaliser cette opération de refroidissement. Elles ont de plus l'avantage de posséder un dispositif de refroidissement efficace et sûr, agencé de façon judicieuse dans lesdites machines pour ne pas interférer avec le fonctionnement desdites machines, ni générer un encombrement important. Elles présentent enfin l'avantage de pouvoir être issues de machines électriques existantes, dans lesquelles le circuit de refroidissement aura été réalisé par de simples perçages effectués depuis l'extérieur desdites machines. On donne ci-après une description détaillée de deux modes de réalisation préférés d'une machine électrique selon l'invention, en se référant aux figures 1 à 7 : La figure 1 est une vue en coupe axiale longitudinale du rotor d'un premier mode de réalisation préféré d'une machine électrique selon l'invention, La figure 2 est une vue de coté du moyeu d'un rotor d'un deuxième mode de réalisation préféré d'une machine électrique selon l'invention, La figure 3 est une vue en perspective de la structure interne du moyeu de la figure 2 montrant le circuit de refroidissement, La figure 4 est une vue en coupe transversale selon le plan IV-IV du moyeu de la figure 2, La figure 5 est une vue en coupe transversale selon le plan V-V du moyeu de la figure 2, La figure 6 est une vue en coupe transversale selon le plan VI-VI du moyeu de la figure 2, La figure 7 est une vue en perspective du moyeu de la figure 2 En se référant à la figure 1, un premier mode de réalisation préféré d'une machine électrique 1 selon l'invention comprend un rotor 25 possédant un moyeu 2 cylindrique central, entouré par un bobinage 3 annulaire. Le moyeu 2 est allongé le long de son axe de révolution et possède un dispositif de refroidissement interne, fondé sur un circuit d'eau 4. Ledit circuit 4 présente principalement un premier canal 5 rectiligne et longitudinal d'alimentation en eau fraiche et un deuxième canal 6 rectiligne et longitudinal d'évacuation de ladite eau, lesdits canaux 5,6 étant mis en communication par une tubulure de liaison 7 radiale. Plus spécifiquement, le canal d'alimentation 5 et le canal d'évacuation 6 sont parallèles entre eux et s'étendent sur quasiment toute la longueur du moyeu 2. Le terme « quasiment » signifie sur au moins 90% de la longueur totale du moyeu 2. Une première extrémité 8 du canal d'alimentation 5 débouche sur l'extérieur du moyeu 2 et une deuxième extrémité 9 dudit canal 5 est reliée à une première extrémité 10 du canal d'évacuation 6 par l'intermédiaire de la tubulure radiale 7 traversant de par en par le moyeu 2. Une deuxième extrémité 11 du canal d'évacuation 6 débouche sur l'extérieur du moyeu 2. De cette manière, la première extrémité 8 du canal d'alimentation 5 et la deuxième extrémité 11 du canal d'évacuation 6 sont alignées selon un diamètre dudit moyeu 2. De même, la deuxième extrémité 9 du canal d'alimentation 5 et la première extrémité 10 du canal d'évacuation 6 sont reliées par la tubulure radiale 7 qui s'étend selon un diamètre du moyeu 2. Les deux extrémités de la tubulure de liaison 7 sont obturées chacune par une pastille 12 pour éviter à l'eau de couler à l'extérieur du moyeu 2, lesdites obturations assurant également une bonne étanchéité de ladite tubulure radiale 7. De même, la première extrémité 9 du canal d'alimentation 5 et la deuxième extrémité 11 du canal d'évacuation 6 sont également bouchées par des pastilles 13 pour les mêmes raisons. Le moyeu 2 possède une gorge annulaire d'entrée 14 et une gorge annulaire de sortie 15, lesdites gorges 14,15 s'étendant sur 360° autour du moyeu 2 et étant placées cote à cote au niveau d'une même extrémité dudit moyeu 2. La gorge annulaire d'entrée 14 est reliée, d'une part, à une ouverture d'entrée 16 de l'eau placée sur le bord extérieur 17 de ladite gorge 14, et d'autre part, au canal d'alimentation 5 au voisinage de sa première extrémité 8. La gorge annulaire de sortie 15 est reliée, d'une part, au canal d'évacuation 6 au voisinage de sa deuxième extrémité 13, et d'autre part, à une ouverture de sortie 18 de l'eau placée sur le bord extérieur 19 de ladite gorge 15. De cette manière, de l'eau arrive par l'ouverture d'entrée 16, puis circule dans la gorge annulaire d'entrée 14 avant de pénétrer dans le canal d'alimentation 5. L'eau poursuit son cheminement dans le moyeu 2 en passant par la tubulure 7 de liaison puis dans le canal d'évacuation 6, avant d'être acheminée dans la gorge annulaire de sortie 15 pour ensuite être évacuée dudit moyeu 2 par l'ouverture de sortie 18 prévue à cet effet. De cette manière, le refroidissement du moyeu 2 s'effectue sur quasiment toute sa longueur, et est donc homogène et performant. Le circuit d'eau 4 est peu encombrant puisqu'il demeure à l'intérieur du moyeu 2. En se référant aux figures 2 à 7, un deuxième mode de réalisation préféré d'une machine électrique 100 selon l'invention comprend un moyeu 102 cylindrique central et un dispositif de refroidissement fondé sur un circuit d'eau 104. Ce deuxième mode de réalisation 100 se distingue du premier mode 1 ci-avant décrit, par le fait que le circuit de refroidissement d'eau comporte six canaux périphériques d'alimentation 105 et un canal central d'évacuation 106 de ladite eau qui est commun aux six canaux d'alimentation périphériques 105. Les six canaux d'alimentations 105 sont régulièrement espacés autour d'un cercle fictif, dont le diamètre est inférieur à celui du moyeu 102, le canal central d'évacuation 106 possédant un axe de révolution qui est confondu avec celui dudit moyeu 102. Les six canaux d'alimentation 105 et le canal central d'évacuation 106 s'étendent longitudinalement dans le moyeu 102, sur quasiment toute la longueur dudit moyeu 102. Le terme « quasiment » signifie sur au moins 90% de la longueur totale du moyeu 102. Le moyeu 102 possède une gorge annulaire d'entrée 114 et une gorge annulaire de sortie 115, lesdites gorges 114,115 s'étendant sur 360° autour du moyeu 102 et étant placées cote à cote au niveau d'une même extrémité dudit moyeu 102.

En se référant aux figures 2, 3 et 5, la gorge annulaire d'entrée 114 est reliée, d'une part, à une ouverture d'entrée de l'eau placée sur le bord extérieur de ladite gorge 114, et d'autre part, au voisinage d'une première extrémité 108 de chacun desdits six canaux d'alimentation 105 par l'intermédiaire de six tubulures radiales 120. La première extrémité 108 de chacun desdits canaux d'alimentation 105 débouche sur l'extérieur du moyeu 102. En se référant aux figures 2,3 et 4, une deuxième extrémité 109 de chacun desdits canaux d'alimentation 105 est en communication avec une première extrémité 110 du canal central d'évacuation 106, par l'intermédiaire d'une tubulure radiale 107 de liaison. De façon plus précise, une extrémité de chacune desdites tubulures radiales 107 débouchent sur l'extérieur du moyeu 102 à sa périphérie, et une autre extrémité de chacune desdites tubulures 107 débouche dans le canal central 106 d'évacuation. L'extrémité de chaque tubulure 107 débouchant sur l'extérieur du moyeu 102 est obturée par une pastille 112 pour éviter à l'eau de couler à l'extérieur du moyeu 2, lesdites obturations assurant également une bonne étanchéité desdites tubulures radiales 7. De même, la deuxième extrémité 109 de chaque canal d'alimentation 105 et la première extrémité 110 du canal d'évacuation débouchent sur l'extérieur du moyeu 102 et sont également bouchée par une pastille 113,130 ou une vis. En se référant aux figures 2, 3 et 6, le canal central d'évacuation 106 est reliée au voisinage d'une deuxième extrémité 111, à la gorge annulaire de sortie 115 au moyen de six tubulures radiales 121, chacune desdites tubulures possédant ainsi une extrémité débouchant dans ledit canal 106 d'évacuation, et une autre extrémité débouchant dans ladite gorge annulaire 115. Cette gorge annulaire 115 de sortie est reliée à une ouverture de sortie de l'eau placée sur le bord extérieur de ladite gorge 115. La deuxième extrémité 111 du canal d'évacuation 106 central débouche sur l'extérieur du moyeu 102.

En se référant à la figure 3, les deux gorges annulaires d'entrée 114 et de sortie 115 sont chacune bordées extérieurement par un joint annulaire 125, qui vient se plaquer contre le moyeu 102 autour desdites gorges 114,115. En se référant aux figures 2 et 7, la première extrémité 108 de chaque canal d'alimentation 105 et la deuxième extrémité 111 du canal central d'évacuation 106, débouchent sur une même face circulaire 122 d'extrémité du moyeu 102 et sont donc obturées chacune par une pastille ou par tout autre moyen, pour éviter à l'eau de couler à l'extérieur du moyeu 102, lesdites obturations assurant une bonne étanchéité au niveau desdits canaux 105,106.

Le parcours de l'eau de refroidissement est analogue à celui du premier mode de réalisation précédemment décrit. Schématiquement, l'eau arrive par l'ouverture d'entrée, puis circule à l'intérieur de la gorge annulaire 114 d'entrée, qui la distribue dans les canaux d'alimentation 105. L'eau parvient ensuite aux tubulures de liaison 107 avant de progresser à l'intérieur du canal central 106 d'évacuation. L'eau issue de ce canal d'évacuation 106 envahit alors la gorge annulaire de sortie 115 avant de sortir du moyeu 102 par l'ouverture prévue à cet effet. Le circuit de fluide de refroidissement 4,104 peut être réalisé sur des machines électriques déjà existantes et qui sont dépourvues de moyens de refroidissement, par l'intermédiaire de simples perçages effectués depuis l'extérieur desdites machines grâce à des outils conventionnels. Ces perçages peuvent permettre d'élaborer les canaux d'alimentation 5,105 et d'évacuation 6,106, les tubulures de liaison 7,107 entre lesdits canaux ainsi que les tubulures 120,121 au niveau des gorges annulaires d'entrée 14,114 et de sortie 15,115. Ceci justifie la présence de vis ou de pastilles d'obturation desdits canaux et tubulures, pour fermer le circuit de fluide 4,104 dans le moyeu 2,102 du rotor 25. L'invention présente un avantage important dans le cadre d'une machine électrique : le système de refroidissement 4,104 est isolé de la zone électromagnétique et du collecteur où d'éventuelles fuites autour de ce dernier restent sans conséquence pour la partie électromagnétique constituée de la zone tôles-aimants-bobinage. Il est ainsi avantageux que le collecteur soit à l'extérieur de la zone délimitée par les roulements.

II est de même pour les pastilles de bouchage 112,113,130 qui, à cause des risques de fuites, ne doivent pas être situées entres les roulements. De plus, il peut y avoir, soit un seul collecteur qui fait le flux et le reflux du liquide de refroidissement, soit deux collecteurs de part et d'autre du moyeu 2,102, mais toujours à l'extérieur de la zone délimitée par les 10 roulements. Ces derniers assurent une étanchéité entre la zone électromagnétique et l'extérieur.

Claims (10)

1. REVENDICATIONS1. Machine électrique (1,100) comprenant au moins un rotor (25) bobiné autour d'un moyeu allongé (2,102) et un dispositif de refroidissement dudit rotor (25) fondé sur un circuit de fluide (4,104), caractérisée en ce que ledit circuit (4,104) est réalisé dans le moyeu (2,102) et comprend au moins un canal d'alimentation (5,105) en fluide frais relié à une entrée (16) et s'étendant longitudinalement dans ledit moyeu (2,102), et au moins un canal d'évacuation (6,106) dudit fluide relié à une sortie (18), et en ce que chaque canal d'alimentation (5,105) est en communication avec un canal d'évacuation (6,106).
2. 2. Machine électrique selon la revendication 1, caractérisée en ce que chaque canal d'évacuation (6,106) est longitudinal, et en ce que chaque canal d'alimentation (5,105) et chaque canal d'évacuation (6,106) s'étendent sur au moins 50% de la longueur totale du moyeu (2,102).
3. 3. Machine électrique selon la revendication 2, caractérisée en ce que chaque canal d'alimentation (5,105) et chaque canal d'évacuation (6,106) sont situés à l'intérieur du moyeu (2,102).
4. 4. Machine électrique selon l'une quelconque des revendications 2 ou 3, caractérisée en ce que le moyeu (2,102) est cylindrique et en ce que l'entrée (16) et la sortie (18) du circuit de fluide (4,104) sont situées à une même extrémité du moyeu (2,102).
5. 5. Machine électrique selon la revendication 4, caractérisée en ce que le moyeu (2,102) possède au moins un canal d'alimentation (5,105) dont une première extrémité (8,108) est reliée à l'entrée (16) de fluide et dont une deuxième extrémité (9,109) est en communication avec une première extrémité (10,110) d'un canal d'évacuation (6,106) au moyen d'une tubulure radiale (7,107), et en ce qu'une deuxième extrémité (11,111) dudit canal d'évacuation (6,106) est reliée à la sortie (18) de fluide.
6. 6. Machine électrique selon la revendication 5, caractérisée en ce que le moyeu (102) comprend plusieurs canaux périphériques d'alimentation (105) en fluide frais et un canal central d'évacuation (106) dudit fluide placé au milieu desdits canaux d'alimentation (105), et en ce que chaque canal d'alimentation (105) est relié au canal central d'évacuation (106) au moyen d'une tubulure radiale (107).
7. 7. Machine électrique selon la revendication 6, caractérisée en ce que l'entrée de fluide (16) débouche dans une gorge annulaire d'entrée (114) du moyeu (102) qui est en communication avec la première extrémité (108) de chaque canal d'alimentation (105), et en ce que la deuxième extrémité (111) dudit canal d'évacuation (106) est reliée à une gorge annulaire de sortie (115) débouchant sur la sortie (18) de fluide.
8. 8. Machine électrique selon la revendication 7, caractérisée en ce que chaque gorge (114,115) est bordée extérieurement par un joint (125).
9. 9. Machine électrique selon l'une quelconque des revendications 5 à 8, caractérisée en ce que chaque tubulure radiale (107) possède une extrémité débouchant au niveau d'un bord périphérique du moyeu (102).
10. 10.Machine électrique selon l'une quelconque des revendications 5 à 9, caractérisée en ce que chaque tubulure radiale (7,107), chaque canal d'alimentation (5,105) et chaque canal d'évacuation (6,106) qui débouchent sur l'extérieur du moyeu (2,102) sont obturés au moyen d'une pièce rapportée (12,12,112,113).