FR3045235A1 - Machine électrique tournante comportant un stator avec un paquet de tôles magné- tiques et un carter, permettant l'amélioration de l'efficacité du refroidissement - Google Patents

Abstract

Machine électrique tournante (1) comportant un stator, ce stator comportant un paquet (10) de tôles magnétiques (20) composé d'au moins un premier sous-paquet (50) et d'au moins un deuxième sous-paquet (60) adjacent au premier, les tôles des premier et deuxième sous-paquets comportant chacune au moins une ailette (100) formée à la périphérie de la tôle correspondante, les ailettes (100) de deux sous-paquets consécutifs étant décalées angulairement l'une par rapport à l'autre, de façon à créer une perturbation de l'écoulement d'un fluide de refroidissement entre les ailettes à la transition entre les premier et deuxième sous-paquet, la machine comportant en outre un carter (5) recouvrant au moins partiellement le paquet de tôles (10), notamment un carter en tôle.

Description

La présente invention concerne les machines électriques tournantes comportant au stator un paquet de tôles magnétiques. Les tôles forment classiquement des encoches recevant les spires des bobinages stator de la machine. Pour faciliter le refroidissement de la machine, il est connu de former les tôles avec des ailettes et/ou des canaux de refroidissement.

Par ailleurs, les machines peuvent être répertoriées en deux familles, à savoir les machines avec carcasse et les machines sans carcasse. On désigne par « carcasse » une partie de la machine destinée à entourer extérieurement le stator, laquelle partie est venue de fonderie, étant par exemple en aluminium. On distingue la « carcasse » d’un simple « carter », lequel désigne une partie formée dans une simple tôle pliée ou emboutie. La carcasse a une fonction structurelle. Le carter n'a pas de fonction structurelle mais une fonction de guidage de l'écoulement du fluide de refroidissement, par exemple de l'air.

Dans la première catégorie, le paquet de tôles stator est reçu dans une carcasse. La demande FR 2 927 736 et les brevets US 5 331 238 et US 7 633 194 divulguent des machines avec carcasse. Le paquet de tôles du stator peut comporter des sous-paquets munis d’ailettes, qui sont disposées en quinconce le long de la machine, de façon à créer des turbulences et accroître l’efficacité du refroidissement.

Dans la seconde catégorie, la machine étant dépourvue de carcasse, le paquet de tôles définit directement la surface extérieure de la machine, indépendamment de la présence d’un carter éventuel. Des machines sans carcasse sont connues des publications WO 2007/002216, US 8 519 580, US 2005/0067905 et WO 2005/022718. Ces machines utilisent le plus souvent une tôle de forme générale carrée. Dans WO 2007/002216, le paquet de tôles du stator est réalisé avec des ailettes. Dans US 8 519 580, le paquet de tôles est réalisé avec des canaux internes.

La carcasse représente un coût relativement important et crée une barrière thermique supplémentaire avec l’extérieur. Elle est toutefois nécessaire dans certaines machines pour fermer les canaux de fluide de refroidissement.

Une machine sans carcasse peut s’avérer moins coûteuse à fabriquer; néanmoins, les arêtes vives qui résultent du découpage des ailettes sur l’extérieur du paquet de tôles peuvent donner lieu à des blessures lors de la manutention du stator. L’invention vise à remédier à une partie au moins des inconvénients des machines connues et à perfectionner encore les machines électriques et elle y parvient grâce à une machine électrique tournante comportant un stator, ce stator comportant un paquet de tôles magnétiques composé d'au moins un premier sous-paquet et d'au moins un deuxième sous-paquet adjacent au premier, les tôles des premier et deuxième sous-paquets comportant chacune au moins une ailette formée à la périphérie de la tôle correspondante, les ailettes de deux sous-paquets consécutifs étant décalées angulairement l'une par rapport à l'autre, de façon à créer une perturbation de l'écoulement d’un fluide de refroidissement entre les ailettes à la transition entre les premier et deuxième sous-paquet, la machine comportant en outre un carter recouvrant au moins partiellement le paquet de tôles, notamment un carter en tôle.

Un tel carter peut servir d’habillage et guider le fluide de refroidissement sur l’extérieur du paquet de tôles, et ainsi améliorer encore davantage l’efficacité du refroidissement. Le carter peut entourer le stator afin de guider le fluide de refroidissement entre les ailettes. Le carter peut venir en contact avec au moins une partie des ailettes, voire toutes les ailettes. Le carter peut être différent d’une carcasse réalisée par fonderie, comme dans les machines de l’art antérieur. L’invention permet de réduire, voire d’éliminer, du fait de la présence du carter, la présence d’arêtes vives sur la surface extérieure de la machine, et ainsi d’améliorer la sécurité en l’absence de carcasse.

Le carter peut comporter une tôle enroulée autour du paquet de tôles magnétiques du stator. La tôle du carter peut avoir une épaisseur inférieure à 4 mm, mieux inférieure à 3, par exemple de l’ordre de 2 mm. Avantageusement, un carter en tôle peut permettre, pour un coût très modique, de favoriser la circulation du fluide de refroidissement entre les ailettes. Ce carter peut également servir à personnaliser la machine, en étant de toute couleur et/ou en portant toute décoration souhaitée, par exemple un logo.

La machine selon l’invention est de préférence dépourvue de carcasse, sans les inconvénients des machines sans carcasse connues et avec une possibilité de refroidissement accrue.

La machine peut comporter des canaux ménagés entre les ailettes, au moins la moitié de ces canaux, voire au moins les deux tiers des canaux, mieux au moins les trois quarts des canaux, voire tous les canaux étant ouverts vers l'extérieur.

La perturbation de l’écoulement au sein des canaux à la transition entre les sous-paquets permet d’accroître l’échange thermique entre le paquet de tôles et le fluide de refroidissement par rapport à un passage droit qui n’induit que peu de turbulences. Le refroidissement est donc amélioré par rapport à une machine sans carcasse dont les canaux sont droits du fait de l’emploi de tôles identiques superposées pour les réaliser. L’invention permet un refroidissement amélioré et permet en outre si on le souhaite d’utiliser des canaux avec des formes qui ne sont pas bien adaptées à un montage dans une carcasse, contrairement à l’art antérieur. L’invention permet d’éviter d’avoir à réaliser des pièces de fonderie de formes compliquées.

La machine peut être une machine fermée respectant la norme IP 55 ou une machine ouverte selon la norme IP 23.

La machine peut être dépourvue de canaux fermés. Par "canal fermé", on entend un canal formé au sein de la tôle magnétique du stator, qui n’est pas ouvert radialement sur l’extérieur sur une partie au moins de sa longueur, étant par exemple délimité par des parois extérieures réalisées lors du découpage des tôles, par opposition avec un canal ouvert. Dans l'invention, la machine comporte des canaux ouverts ménagés entre les ailettes.

Les tôles des sous-paquets peuvent être identiques mais décalées angulairement entre elles d'un sous paquet à l'autre d'un angle 360°/n autour de l’axe X de la machine, avec n entier non nul, les tôles étant sans symétrie par une rotation de 360°/n de telle sorte que les ailettes des tôles ainsi décalées créent ladite perturbation de l’écoulement à la transition entre les sous-paquets. La variable n peut être égale à 2, 4 ou 8. Dans ce cas, les tôles peuvent comporter au moins une encoche de repérage externe, renseignant sur l’orientation de chaque sous-paquet au sein du paquet.

En variante, les tôles des premier et deuxième sous-paquets peuvent différer entre elles seulement par la position des ailettes. Les ailettes des tôles du premier sous-paquet et les ailettes des tôles du deuxième sous-paquet peuvent être décalées angulairement entre elles d'un sous paquet à l'autre, par exemple d'un angle compris entre 0,25° et 1,25°, mieux entre 0,5° et 1,0°, étant par exemple de l’ordre de 0,75°.

Les ailettes des tôles des premier et deuxième sous-paquets peuvent être décalées d’au moins 1 mm, voir d’au moins 2 mm, mieux d’au moins 3 mm. L’une au moins des ailettes d’un sous-paquet peut se positionner entre deux ailettes du sous-paquet adjacent, de sorte qu’un canal parcourant un sous-paquet débouche dans deux canaux du sous-paquet adjacent.

Les tôles peuvent être de contour généralement circulaire. En variante, elles peuvent être de contour généralement polygonal, notamment carré, de préférence carré à coins tronqués.

Les tôles peuvent être symétriques par rapport à chacun de deux plans perpendiculaires entre eux et contenant l’axe de la machine. En variante, elles peuvent être non symétrique par rapport à chacun de deux plans perpendiculaires entre eux et contenant l’axe de la machine.

Chaque sous-paquet comporte par exemple entre 35 et 140 tôles. De préférence, au sein du paquet, les tôles sont toutes identiques, au décalage près entre les sous-paquets. Chaque tôle peut être monolithique ou formée de secteurs assemblés.

La machine peut comporter une alternance d’au moins quatre sous-paquets. Les sous-paquets peuvent être strictement identiques deux-à-deux, étant disposés en alternance. La machine peut comporter dans un exemple de réalisation une alternance d’au moins deux premiers sous-paquets et deux deuxièmes sous-paquets.

Le paquet de tôles peut comporter des trous débouchant par un passage latéralement vers l’extérieur, des tirants étant engagés dans ces trous et soudés aux tôles via lesdits passages, les trous étant de préférence situés entre les ailettes.

La machine peut être montée ou non en porte-à-faux sur un organe à entraîner ou entraîneur, notamment un compresseur à air, comme divulgué dans le brevet US 7 573 165 notamment.

La machine peut comporter un flasque avant adjacent à l’organe à entraîner ou entraîneur, pourvu de pattes de support, et un flasque arrière dépourvu de pattes de support.

En variante, la machine comporte des flasques avant et arrière chacun munis de pattes de support.

Le refroidissement de la machine peut s’effectuer avec un ventilateur entraîné par l’arbre de la machine ou avec un moto-ventilateur indépendant, rapporté sur le paquet de tôles ou sur un flasque de la machine. L’invention pourra être mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui va suivre, d’exemples de mise en œuvre non limitatifs de celle-ci, et à l’examen du dessin annexé, sur lequel : la figure 1 représente, de façon schématique et en perspective, une machine électrique tournante selon l’invention, la figure 2 en est une vue après enlèvement d’une partie du carter, la figure 3 illustre un détail de la figure 2, la figure 4 est une vue de face, schématique et partielle, du détail de la figure 3, la figure 5 en est une vue rapprochée, et les figures 6 et 7 sont des vues de face, schématiques et partielles, d’une tôle magnétique de la machine des figures 1 à 5.

On a représenté sur les figures 1 à 7 une machine électrique tournante 1 conforme à l’invention, comportant un stator 2 et un rotor 3 logés dans un carter 5. Il peut s’agir d’un moteur ou d’un alternateur, synchrone ou asynchrone, à aimants permanents ou non. La machine est dépourvue de carcasse. Le carter 5 comporte une tôle 6 enroulée autour du stator. Un tel carter peut ainsi servir d’habillage à la machine.

Le stator 3 comporte un paquet 10 composé d’un assemblage de tôles magnétiques 20 superposées, dont l’une d’elles est représentée isolément en vue de face à la figure 6.

Chaque tôle 20 est réalisée par exemple en acier magnétique recouvert d’un vernis isolant électrique sur ses faces opposées, de façon connue en soi.

Dans l’exemple considéré, la machine est à rotor intérieur et chaque tôle 20 comporte une ouverture centrale 21 pour le passage du rotor 3, dans laquelle débouchent des encoches 23 découpées dans la tôle, ménagées entre des dents 2b qui sont destinées à recevoir les conducteurs électriques des bobinages du stator.

La tôle 20 présente une culasse annulaire continue 2a en arrière des encoches, le contour extérieur étant généralement de forme circulaire.

Le paquet 10 est lui-même composé de deux premiers sous-paquets 50 et de deux deuxièmes sous-paquets 60 qui se succèdent selon l’axe X du stator et qui sont disposés en alternance, chaque premier sous-paquet 50 étant adjacent à au moins un deuxième sous-paquet 60.

Les tôles 20 des premiers et deuxièmes sous-paquets comportent chacune des ailettes 100 formée à la périphérie de la tôle correspondante. Les tôles des premier et deuxième sous-paquets diffèrent entre elles seulement par la position des ailettes. Au sein de chaque sous-paquet, les tôles sont identiques. Les ailettes 100 de deux sous-paquets 50, 60 consécutifs sont décalées angulairement l'une par rapport à l'autre d’un angle a, comme on peut le voir sur la figure 4, de façon à créer une perturbation de l'écoulement d’un fluide de refroidissement entre les ailettes 100 à la transition entre les premiers 50 et deuxièmes 60 sous-paquets, en le rendant plus turbulent. Il en résulte un échange thermique amélioré entre le fluide et le paquet de tôles et un meilleur refroidissement de la machine.

Les ailettes 100 d’un sous-paquet 50 peuvent se positionner entre deux ailettes 100 du sous-paquet adjacent 60, de sorte qu’un canal 110 parcourant un sous-paquet débouche dans deux canaux du sous-paquet adjacent. Dans ces canaux 110 peut circuler un fluide participant au refroidissement du stator, par exemple de l’air.

Les ailettes 100 des tôles des premier et deuxième sous-paquets peuvent être décalées d’une distance e qui peut être équivalente à une valeur comprise entre un tiers et deux tiers du pas des ailettes et de préférence la moitié du pas des ailettes, cette distance e étant mesurée à la surface de la culasse 2a du stator 2.

Le carter entoure le paquet 10 de tôles magnétiques 20 du stator afin de guider le fluide de refroidissement sur l’extérieur du paquet de tôles, entre les ailettes 100. Le carter peut être monté avec un faible jeu par rapport à l'extrémité des ailettes, par exemple un jeu de l'ordre de 1 à 2 mm. Ce faible jeu contribue à forcer le fluide de refroidissement à passer entre les ailettes.

La machine comporte à cet effet des canaux 110 ménagés entre les ailettes 100, ces canaux étant ouverts vers l'extérieur. La machine 1 est ainsi dépourvue de canaux fermés.

Les tôles 20 sont de contour généralement circulaire et sont symétriques par rapport à chacun de deux plans P et Q perpendiculaires entre eux et contenant l’axe de la machine.

Le paquet de tôles comporte des parties 30 traversées chacune par un trou 31 débouchant par un passage latéralement vers l’extérieur, des tirants 33 étant engagés dans ces trous 31 et soudés aux tôles via lesdits passages, les trous 31 étant situés entre les ailettes 100. Le montage du paquet de tôles du stator est ainsi assuré par l’insertion de quatre tirants en acier 33 dans les trous 31, qui sont ensuite soudés tout le long desdits passages.

La tôle 20 est de préférence fabriquée de façon monolithique par découpe d’un feuillard avec sa forme définitive, mais en variante le paquet 10 est formé en enroulant sur lui-même un chapelet de secteurs ou par assemblage de secteurs (constituant chacun 1/4 ou 1/8 d’une tôle complète) pour les très grosses machines. L’utilisation d’une tôlerie à secteurs est avantageuse pour ce type de machine électrique.

Les tirants 33 servent éventuellement à assembler le paquet 10 avec des flasques avant et arrière de la machine.

Les tôles 20 peuvent être également assemblées entre elles par agrafage, de façon connue en soi.

Bien entendu, l’invention n’est pas limitée aux exemples qui viennent d’être décrits.

La machine peut comporter un ventilateur entraîné en rotation par l’arbre de la machine, de façon à ce que les canaux 110 soient parcourus par une circulation d’air forcée durant le fonctionnement de la machine. Il est également possible de monter un moto-ventilateur à l’intérieur de la machine afin d’assurer le refroidissement sur toute la plage de fonctionnement.

Claims (14)

1. REVENDICATIONS

   1. Machine électrique tournante (1) comportant un stator, ce stator comportant un paquet (10) de tôles magnétiques (20) composé d'au moins un premier sous-paquet (50) et d’au moins un deuxième sous-paquet (60) adjacent aupremier, les tôles des premier et deuxième sous-paquets comportant chacune au moins une ailette (100) formée à la périphérie de la tôle correspondante, les ailettes (100) de deux sous-paquets consécutifs étant décalées angulairement l'une par rapport à l'autre, de façon à créer une perturbation de l'écoulement d’un fluide de refroidissement entre les ailettes à la transition entre les premier et deuxième sous-paquet, la machine comportant en outre un carter (5) recouvrant au moins partiellement le paquet de tôles (10), notamment un carter en tôle.
2. 2. Machine électrique selon la revendication précédente, le carter comportant une tôle enroulée autour du paquet (10) de tôles magnétiques du stator.
3. 3. Machine électrique selon l'une des revendications précédentes, étant dépourvue de carcasse.
4. 4. Machine électrique selon l'une quelconque des revendications précédentes, comportant des canaux ménagés entre les ailettes.
5. 5. Machine électrique selon l'une quelconque des revendications précédentes, étant dépourvue de canaux fermés.
6. 6. Machine électrique selon l'une quelconque des revendications précédentes, les tôles (20) des sous-paquets étant identiques mais décalées angulairement entre elles d'un sous paquet à l'autre d'un angle 360°/n autour de Taxe (X) de la machine, avec n entier non nul, les tôles (20) étant sans symétrie par une rotation de 360°/n de telle sorte que les ailettes (100) des tôles ainsi décalées créent ladite perturbation de l’écoulement à la transition entre les sous-paquets (50,60).
7. 7. Machine électrique selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, les tôles (20) du premier et deuxième sous-paquets différant entre elles seulement par la position des ailettes.
8. 8. Machine selon l'une quelconque des revendications précédentes, les ailettes (100) des tôles (20) des premier et deuxième sous-paquets étant décalées d’au moins 1mm, voir dau moins 2 mm, mieux dau moins 3 mm.
9. 9. Machine selon Fune quelconque des revendications précédentes, comportant une alternance d’au moins deux premiers sous-paquets et deux seconds sous-paquets.
10. 10. Machine selon Fune quelconque des revendications précédentes, Fune au moins des ailettes (100) d’un sous-paquet se positionnant entre deux ailettes (100) du sous-paquet adjacent, de sorte qu’un canal (110) parcourant un sous-paquet débouche dans deux canaux du sous-paquet adjacent.
11. 11. Machine selon Fune quelconque des revendications précédentes, les tôles (20) étant de contour généralement circulaire.
12. 12. Machine selon l’une quelconque des revendications précédentes, chaque sous-paquet comportant entre 35 et 140 tôles (20).
13. 13. Machine selon Fune quelconque des revendications précédentes, le paquet de tôles comportant des trous (31) débouchant par un passage (32) latéralement vers Fextérieur, des tirants (33) étant engagés dans ces trous (31) et soudés aux tôles via lesdits passages (32).
14. 14. Machine selon Fune quelconque des revendications précédentes, étant montée en porte-à-faux sur un organe à entraîner ou entraîneur, notamment un compresseur à air.