WO2009125096A1 - Machine electrique comportant un ventilateur a canaux multiples - Google Patents

Machine electrique comportant un ventilateur a canaux multiples Download PDF

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WO2009125096A1
WO2009125096A1 PCT/FR2009/050242 FR2009050242W WO2009125096A1 WO 2009125096 A1 WO2009125096 A1 WO 2009125096A1 FR 2009050242 W FR2009050242 W FR 2009050242W WO 2009125096 A1 WO2009125096 A1 WO 2009125096A1
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Alexis Dutau
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Moteurs Leroy-Somer
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K9/00—Arrangements for cooling or ventilating
    • H02K9/02—Arrangements for cooling or ventilating by ambient air flowing through the machine
    • H02K9/04—Arrangements for cooling or ventilating by ambient air flowing through the machine having means for generating a flow of cooling medium
    • H02K9/06—Arrangements for cooling or ventilating by ambient air flowing through the machine having means for generating a flow of cooling medium with fans or impellers driven by the machine shaft

Definitions

  • the present invention relates to rotating electrical machines and more particularly to the cooling of such machines.
  • the invention aims to further improve the cooling of electrical machines called "open" in which the air is taken from the environment of the machine and then rejected by the fan therein.
  • US Patent 1,896,749 discloses a dual channel fan. The two air flows generated by this fan meet before crossing the machine.
  • the application US 2004/0 150 270 A1 discloses dual channel fan machines in which the air flows in opposite directions through the rotor and the stator.
  • the invention relates to a rotary electric machine comprising a rotor rotating relative to at least one stator and defining at least one gap with the stator, the rotor rotating at least one channel fan. multiple, this fan comprising a first channel generating a first flow of cooling air passing through the stator and a second channel generating a second flow of cooling air passing through the rotor, the fan comprising a web of material separating the first and second flows air.
  • the first and second air flows can circulate separately in the machine, and in the same direction, for example from a common inlet to the fan.
  • the invention makes it possible, to a certain extent, to increase the overall flow rate of air passing through the machine, thus the convective exchanges, in particular at the level of the rotor, thanks to the separation of the air flows.
  • the material web of the fan can locally increase the convective exchange coefficients on the rotor windings.
  • the web of material may be located substantially in the extension of the surface of the stator adjacent to the gap.
  • the inner diameter of this material web may correspond to the inner diameter of the stator.
  • the web of material may have an angularly continuous shape up to its free end.
  • the web of material may have at least one aperture. This a journey is for example defined by a notch extending from the end of the web of material adjacent to the air gap.
  • the aperture extends preferably elsewhere than in the extension of an interpolar channel of the rotor, which allows the web of material to effectively capture the flow of air flowing in this interpolar channel. The presence of the openings makes it possible to limit the loss of load induced by the presence of this veil of material.
  • the web of material may extend substantially to a bundle of rotor plates and / or may come axially in total or partial recovery of the coil heads of the stator.
  • the web of material may have a divergent shape away from its free edge adjacent to the gap.
  • the web may have a slightly conical entry portion, with an apex angle of between 0 ° and 45 °, more preferably between 0 and 20 °.
  • the material web may have, within the fan, an outwardly oriented profile, which may end with a conical end portion, with an apex angle of between 0 ° and 60 °, more preferably between 5 and 20.
  • fan can define air ejection channels oriented obliquely to the axis of rotation of the machine.
  • the blades generating the first air flow may be shorter than those generating the second air flow when the losses through the stator are less than those through the rotor.
  • the flow rate of the first air stream is for example between 0 and 20 m 3 / s and that of the second is for example between 0 and 20 m 3 / s.
  • the rotor may be a wound rotor.
  • the machine can constitute an alternator.
  • the first and second air streams can enter the machine through openings arranged around an exciter of the alternator.
  • the alternator can still be built-in exciter.
  • the machine can still be a motor.
  • the electrical power of the machine is for example greater than or equal to I kVA.
  • FIG. 1 represents, in side view, a machine produced according to the invention
  • FIG. 2 is a diagrammatic and partial longitudinal section of the machine of FIG. 1;
  • FIG. 3 is a view similar to FIG. 2, in a different sectional plane;
  • FIG. 4 represents a detail of FIG. 2,
  • FIG. 5 represents a detail of FIG. 3,
  • FIG. 6 represents, in isolation, the rotor
  • FIG. 7 is a diagrammatic perspective view of the rotor;
  • FIG. 8 represents, in perspective, the fan,
  • FIG. 9 is a view similar to FIG. 6 of a variant embodiment of the rotor.
  • FIG. 10 schematically and in perspective shows the rotor of FIG. 9, and FIG. 11 represents the fan of FIG.
  • the rotary electric machine 1 shown in FIGS. 1 to 3 comprises a casing 2, of which is secured a stator 4 comprising a stack of stator magnetic laminations and windings 5.
  • the machine 1 also comprises a rotor 10, which is shown separately in FIGS. 6 and 7, which comprises a shaft 12 carrying a bundle of rotor plates 13 and windings 14.
  • the machine 1 is a high power alternator and the rotor, also called a pole wheel, has shims 16 which hold the windings as visible in FIG. 6.
  • Interpolar channels 17 are formed between the poles of the rotor , as can be seen in particular in Figure 7.
  • the rotor 10 can carry an exciter 19 which can interact with an exciter stator 20 within a first end flange 23, which is in the example considered reported on the casing 2 at the axial end thereof. ci, and supports 38 bearings.
  • the flange 23 has openings 25 which define cooling air inlets of the machine.
  • the machine 1 also comprises a second end plate 30, opposite the first, which has openings 32 for the discharge of cooling air from the machine.
  • the second end flange 30 supports a set of bearings 36.
  • the rotor 10 rotates a fan 40, which is partially housed inside the second end flange 30.
  • This fan 40 comprises a first channel 42 in which blades 43 are arranged to create a first flow of cooling air A flowing from the air inlets 25 into at least one passage 50 located between the casing 2 and the airbag. stator plates 6.
  • the fan 40 comprises a second channel 50 provided with blades 51, which generate a second flow of cooling air B, circulating both in the air gap 55 between the rotor and the stator, as seen in FIG. and also in the interpolar channels 17.
  • the fan 40 comprises a web of material 60 which separates the channels 42 and
  • the web 60 has at its end an inner diameter which corresponds substantially to that of the stator, so that the free edge 62 of the web 60 is located substantially in the extension of the radially inner surface 64 of the stator.
  • the web 60 is axially overlapping with the coil heads 100 of the stator over a distance L, as can be seen in FIG.
  • the web 60 forms, inside the fan 40, the downstream veil of the channel 42.
  • the fan 40 has a second web 76 which delimits the channel 50, the web 76 extending from the hub 80 of the fan 40 to the end 83 thereof furthest away axially from the stack of stator laminations.
  • the web 76 is oriented, at the outlet of the fan, substantially parallel to the web 60.
  • the web 60 is angularly continuous.
  • the web 60 has openings 90 on the portion that overlaps the coil heads 100. These openings 90 are in the form of notches and allow to reduce the pressure losses.
  • the solid portions 95 extending between the openings 90 are positioned angularly in the extension of the interpolar channels 17, which makes it possible to apply the depression created by the fan at the end of these interpolar channels 17, as can be seen in FIG.
  • the machine can be made differently, in particular as regards the shape of the fan, the rotor (s) and / or the stators.
  • the machine may be devoid of exciter.
  • the machine may be an inner rotor, as illustrated, or an outer rotor.
  • the machine may not be an alternator but a motor.
  • the fan can be made with channels and / or blades arranged otherwise.
  • the invention applies to any open machine cooled by a fluid set in motion by the action of at least one fan.

Landscapes

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

Abstract

La présente invention concerne une machine électrique tournante comportant un rotortournant relativement à au moins un stator et définissant au moins un entrefer avec le stator, le rotor entraînant en rotation au moins un ventilateur (40) à deux canaux au moins, ce ventilateur comportant un premier canal (42) générant un premier flux d'air de refroidissement traversant le stator et un deuxième canal générant un deuxième flux d'air de refroidissement traversant le rotor, le ventilateur comportant un voile de matière (60) séparant les premier et second flux d'air.

Description

Machine électrique comportant un ventilateur à canaux multiples La présente invention concerne les machines électriques tournantes et plus particulièrement le refroidissement de telles machines.
Il est connu d'entraîner avec le rotor un ventilateur qui assure la circulation d'un fluide de refroidissement au travers de la machine.
L'invention vise à perfectionner encore le refroidissement des machines électriques dites « ouvertes » dans lesquelles l'air est prélevé dans l'environnement de la machine puis rejeté par le ventilateur dans celui-ci.
Le brevet US 1 896 749 décrit un ventilateur à double canal. Les deux flux d'air générés par ce ventilateur se rejoignent avant de traverser la machine.
La demande US 2004/0 150 270 Al divulgue des machines à ventilateur à double canal dans lesquelles les flux d'air circulent en sens contraires à travers le rotor et le stator.
L'invention a pour objet, selon l'un de ses aspects, une machine électrique tournante comportant un rotor tournant relativement à au moins un stator et définissant au moins un entrefer avec le stator, le rotor entraînant en rotation au moins un ventilateur à canaux multiples, ce ventilateur comportant un premier canal générant un premier flux d'air de refroidissement traversant le stator et un deuxième canal générant un deuxième flux d'air de refroidissement traversant le rotor, le ventilateur comportant un voile de matière séparant les premier et second flux d'air.
De façon avantageuse, les premier et second flux d'air peuvent circuler de façon séparée dans la machine, et dans le même sens, par exemple depuis une entrée commune vers le ventilateur.
L'invention permet, dans une certaine mesure, d'augmenter le débit global d'air traversant la machine, donc les échanges convectifs, notamment au niveau du rotor, grâce à la séparation des flux d'airs. Le voile de matière du ventilateur peut augmenter localement les coefficients d'échanges convectifs sur les bobinages du rotor.
Le voile de matière peut être situé sensiblement dans le prolongement de la surface du stator adjacente à l'entrefer. Le diamètre intérieur de ce voile de matière peut correspondre au diamètre intérieur du stator.
Le voile de matière peut présenter une forme angulairement continue jusqu'à son extrémité libre. En variante, le voile de matière peut présenter au moins un ajour. Cet ajour est par exemple défini par une encoche s'étendant à partir de l'extrémité du voile de matière adjacente à l'entrefer. L 'ajour s'étend de préférence ailleurs que dans le prolongement d'un canal interpolaire du rotor, ce qui permet au voile de matière de capter efficacement le flux d'air circulant dans ce canal interpolaire. La présence des ajours permet de limiter la perte de charge induite par la présence de ce voile de matière.
Le voile de matière peut s'étendre sensiblement jusqu'à un paquet de tôles rotoriques et/ou peut venir axialement en recouvrement total ou partiel des têtes de bobines du stator.
Le voile de matière peut présenter une forme divergeant en éloignement de son bord libre adjacent à l'entrefer. Le voile peut avoir une portion d'entrée légèrement conique, d'angle au sommet compris entre 0° et 45°, mieux entre 0 et 20 °.
Le voile de matière peut avoir, au sein du ventilateur, un profil orienté vers l'extérieur, qui peut se terminer par une portion terminale conique, d'angle au sommet compris entre 0° et 60 °, mieux entre 5 et 20. Le ventilateur peut définir des canaux d'éjection d'air orientés obliquement par rapport à l'axe de rotation de la machine.
Les pales générant le premier flux d'air peuvent être de plus faible longueur que celles générant le deuxième flux d'air lorsque les pertes de charges à travers le stator sont moins importantes que celles à travers le rotor. Le débit du premier flux d'air est par exemple compris entre 0 et 20 m3/s et celui du deuxième est par exemple compris entre 0 et 20 m3/s.
Le rotor peut être un rotor bobiné.
La machine peut constituer un alternateur. Dans ce cas, les premier et deuxième flux d'air peuvent pénétrer dans la machine par des ouvertures disposées autour d'une excitatrice de l'alternateur. L'alternateur peut encore être à excitatrice intégrée. La machine peut encore être un moteur.
La puissance électrique de la machine est par exemple supérieure ou égale à I kVA.
L'invention pourra être mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui va suivre, d'un exemple de mise en œuvre non limitatif de celle-ci, et à l'examen du dessin annexé, sur lequel : - la figure 1 représente, en vue de côté, une machine réalisée conformément à l'invention,
- la figure 2 est une coupe longitudinale, schématique et partielle, de la machine de la figure 1 , - la figure 3 est une vue analogue à la figure 2, dans un plan de coupe différent,
- la figure 4 représente un détail de la figure 2,
- la figure 5 représente un détail de la figure 3,
- la figure 6 représente isolément le rotor,
- la figure 7 est une vue schématique, en perspective, du rotor, - la figure 8 représente isolément, en perspective, le ventilateur,
- la figure 9 est une vue analogue à la figure 6 d'une variante de réalisation du rotor,
- la figure 10 représente de manière schématique et en perspective le rotor de la figure 9, et - la figure 11 représente isolément le ventilateur de la figure 9.
La machine électrique tournante 1 représentée sur les figures 1 à 3 comporte un carter 2, duquel est solidaire un stator 4 comportant un paquet de tôles magnétiques statoriques et des enroulements 5.
La machine 1 comporte également un rotor 10, que l'on a représenté isolément sur les figures 6 et 7, qui comporte un arbre 12 portant un paquet de tôles rotoriques 13 et des enroulements 14.
Dans l'exemple considéré, la machine 1 est un alternateur de forte puissance et le rotor, encore appelé roue polaire, comporte des cales 16 qui maintiennent les bobinages comme visible sur la figure 6. Des canaux interpolaires 17 sont formés entre les pôles du rotor, comme l'on peut le voir notamment à la figure 7.
Le rotor 10 peut porter une excitatrice 19 qui peut interagir avec un stator d'excitatrice 20 au sein d'un premier flasque d'extrémité 23, lequel est dans l'exemple considéré rapporté sur le carter 2 à l'extrémité axiale de celui-ci, et supporte des roulements 38.
Le flasque 23 comporte des ajours 25 qui définissent des entrées d'air de refroidissement de la machine. La machine 1 comporte également un deuxième flasque d'extrémité 30, à l'opposé du premier, qui comporte des ouvertures 32 pour l'évacuation de l'air de refroidissement de la machine.
Le deuxième flasque d'extrémité 30 supporte un ensemble de roulements 36. Le rotor 10 entraîne en rotation un ventilateur 40, lequel est partiellement logé à l'intérieur du deuxième flasque d'extrémité 30.
Ce ventilateur 40 comporte un premier canal 42 au sein duquel sont disposées des pales 43 pour créer un premier flux d'air de refroidissement A circulant depuis les entrées d'air 25 dans au moins un passage 50 situé entre le carter 2 et le paquet de tôles statoriques 6.
Le ventilateur 40 comporte un deuxième canal 50 pourvu de pales 51, lesquelles génèrent un deuxième flux d'air de refroidissement B, circulant à la fois dans l'entrefer 55 entre le rotor et le stator, comme on le voit sur la figure 2, et également dans les canaux interpolaires 17. Le ventilateur 40 comporte un voile de matière 60 qui sépare les canaux 42 et
50 et se prolonge axialement au-delà des pales 51 vers le stator sous la forme d'un cône dont le diamètre croit légèrement dans la direction d'écoulement de l'air.
Le voile 60 présente à son extrémité un diamètre intérieur qui correspond sensiblement à celui du stator, de sorte que le bord libre 62 du voile 60 est situé sensiblement dans le prolongement de la surface radialement intérieure 64 du stator.
Le voile 60 vient en recouvrement axial avec les têtes de bobines 100 du stator sur une distance L, comme on peut le voir à la figure 3.
Le voile 60 forme, à l'intérieur du ventilateur 40, le voile aval du canal 42.
Le ventilateur 40 comporte un second voile 76 qui délimite le canal 50, ce voile 76 s'étendant depuis le moyeu 80 du ventilateur 40 jusqu'à l'extrémité 83 de celui-ci la plus éloignée axialement du paquet de tôles statoriques.
Le voile 76 est orienté, à la sortie du ventilateur, sensiblement parallèlement au voile 60.
Dans l'exemple de réalisation des figures 1 à 8, le voile 60 est continu angulairement.
Dans la variante de réalisation des figures 9 à 11, le voile 60 comporte des ajours 90 sur la portion qui vient en recouvrement des têtes de bobines 100. Ces ajours 90 se présentent sous la forme d'encoches et permettent de diminuer les pertes de charges.
Les portions pleines 95 s'étendant entre les ajours 90 sont positionnées angulairement dans le prolongement des canaux interpolaires 17, ce qui permet d'appliquer la dépression créée par le ventilateur en bout de ces canaux interpolaires 17, comme visible sur la figure 10.
Les flux A et B, en circulant dans le même sens et de façon séparée dans la machine, participent à son refroidissement d'une manière efficace.
Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux exemples qui viennent d'être décrits.
La machine peut être réalisée différemment, notamment quant à la forme du ventilateur, du/des rotors et/ou du/des stators. La machine peut être dépourvue d'excitatrice. La machine peut être à rotor intérieur, comme illustré, ou à rotor extérieur.
La machine peut ne pas être un alternateur mais un moteur. Le ventilateur peut être réalisé avec des canaux et/ou pales disposés autrement.
L'invention s'applique à toute machine ouverte refroidie par un fluide mis en mouvement par l'action d'un ventilateur au moins.
L'expression "comportant un...." doit être comprise comme étant synonyme de «comportant au moins un», sauf si le contraire est spécifié.

Claims

REVENDICATIONS
1. Machine électrique tournante (1) ouverte comportant un rotor (10) tournant relativement à au moins un stator (4) et définissant au moins un entrefer avec le stator, le rotor entraînant en rotation au moins un ventilateur (40) à deux canaux au moins, ce ventilateur comportant un premier canal (42) générant un premier flux d'air (A) de refroidissement traversant le stator et un deuxième canal générant un deuxième flux d'air (B) de refroidissement traversant le rotor de façon séparée du premier flux d'air et dans le même sens, le ventilateur comportant un voile de matière (60) séparant les premier et second flux d'air.
2. Machine selon la revendication 1, les premier et deuxième flux d'air étant générés à partir d'une entrée d'air commune de la machine.
3. Machine selon la revendication 1 ou 2, le premier et deuxième flux d'air pénétrant dans la machine par des ouvertures (25) disposées autour d'une excitatrice (19,20) de l'alternateur.
4. Machine selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, le voile de matière (60) étant situé sensiblement dans le prolongement de la surface du stator adjacente à l'entrefer.
5. Machine selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, le voile (60) présentant une forme angulairement continue jusqu'à son extrémité libre.
6. Machine selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, le voile (60) présentant au moins un ajour (90).
7. Machine selon la revendication 6, l'ajour (90) étant situé ailleurs que dans le prolongement d'un canal interpolaire (17) du rotor.
8. Machine selon la revendication 6 ou 7, l'ajour (90) étant formé par une encoche s'étendant à partir de l'extrémité (62) du voile (60) adjacente à l'entrefer
9. Machine selon l'une quelconque des revendications précédentes, le voile (60) s'étendant sensiblement jusqu'à un paquet de tôles rotoriques.
10. Machine selon l'une quelconque des revendications précédentes, le voile (60) venant axialement en recouvrement total ou partiel de têtes de bobines (100) du stator.
11. Machine selon l'une quelconque des revendications précédentes, le voile (60) divergeant en éloignement de son bord libre (62) adjacent à l'entrefer.
12. Machine selon l'une quelconque des revendications précédentes, le voile (60) se prolongeant au sein du ventilateur avec un profil orienté radialement vers l'extérieur.
13. Machine selon l'une quelconque des revendications précédentes, le ventilateur (40) définissant des canaux d'éjection d'air orientés obliquement par rapport à l'axe de rotation de la machine.
14. Machine selon l'une quelconque des revendications précédentes, le débit du premier flux d'air (A) étant compris entre 0 et 20 m /s.
15. Machine selon l'une quelconque des revendications précédentes, le débit du deuxième flux d'air (B) étant compris entre 0 et 20 m3/s.
16. Machine selon l'une quelconque des revendications précédentes, le rotor étant bobiné.
17. Machine selon l'une quelconque des revendications précédentes, constituant un alternateur.
18. Machine selon l'une quelconque des revendications précédentes, constituant un moteur.
19. Machine selon l'une quelconque des revendications précédentes, la puissance électrique de la machine étant supérieure ou égale à 1 kVA.
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