FR2983367A1

FR2983367A1 - Refroidissement de moteur electrique avec tube de refroidissement et plaques ou coupelles de conduction

Info

Publication number: FR2983367A1
Application number: FR1261514A
Authority: FR
Inventors: Reinhard Beatty; Bradley A Trago; Gerald W Brown; Ian Hovey; Ron Bishop
Original assignee: Kollmorgen Corp
Current assignee: Kollmorgen Corp
Priority date: 2011-11-30
Filing date: 2012-11-30
Publication date: 2013-05-31
Also published as: US8405262B1; DE102012023320A1; ITTO20121030A1

Abstract

Le stator (12) d'une machine électrique refroidie par fluide, telle qu'un moteur, générateur ou ensemble moteur-générateur comprend un noyau de stator annulaire (10) comprenant des dents faisant saillie vers l'intérieur (18) et des rainures externes (20) dans une surface externe (24) du noyau alignées radialement sur les dents. Des enroulements électroconducteurs (16) sont montés sur les dents faisant saillie vers l'intérieur et un ensemble formant tube (28) pour réfrigérant comprend un tube (26) en serpentin. Le tube comprend des parties de tube s'étendant axialement reçues dans les rainures de noyau de stator externes et des spires terminales reliant entre elles les paires adjacentes des parties de tube s'étendant axialement. Les éléments de conduction de chaleur sont fixés aux spires terminales (32) du tube de refroidissement et un logement (38) entourant la surface externe du noyau de stator maintient les parties de tube s'étendant axialement dans les rainures externes.

Description

REFROIDISSEMENT DE MOTEUR ELECTRIQUE AVEC TUBE DE REFROIDISSEMENT ET PLAQUES OU COUPELLES DE CONDUCTION Un renvoi est fait à la demande de brevet U.S. en co-instance co-détenue n° de série 13/005 010, déposée le 12 janvier 2011, intitulée « Coolant flow enhancing device for stator coil end turns of fluid cooled electric motor ». L'invention concerne une manière de refroidir une machine électrique à densité de puissance élevée de manière rentable. Les agencements classiques pour refroidir de telles machines comprennent des logements en métal coulé équipés de canaux de refroidissement par fluide internes. Ces agencements sont coûteux et difficiles à fabriquer. L'invention concerne des variantes d'agencements qui présentent à la fois des coûts récurrents et de développement faibles.

Le brevet US 3 109 947 de Thompson et al. décrit plusieurs systèmes de refroidissement pour machines dynamoélectriques dans lesquels les structures de dissipation thermique comprennent des éléments conducteurs de chaleur et des tubes transportant du réfrigérant qui sont soudés, brasés ou fixés d'une autre manière circonférentiellement sur les éléments conducteurs de chaleur.

Le brevet US 3 414 749 d'Abegg concerne des agencements de moteur électrique dans lesquels des empilements de tôles de segment de stator sont fixés les uns aux autres par des éléments de fixation. Les éléments de fixation sont formés par des barres ou tiges en queue d'aronde ou cylindriques, avec des conduits ou des alésages dans les barres ou tiges permettant l'écoulement de réfrigérant.

Le brevet US 6 819 016 de Houle et al. concerne des agencements de refroidissement par liquide pour machines électriques. Des parties de tubes de refroidissement sont insérées dans le stator ou les canaux d'éléments de stockage thermique, et ces parties sont ensuite déformées afin de faciliter leur rétention dans les canaux.

Les brevets US identifiés ci-dessus fournissent des exemples d'agencements comprenant des tubes de refroidissement situés à l'extérieur des empilements de tôles de stator. Une caractéristique avantageuse de la présente invention concerne l'utilisation d'un tube de refroidissement à l'extérieur d'un empilement de tôles conjointement avec des plaques ou coupelles pour transporter la chaleur de l'empilement et des bobines enroulées sur cet empilement vers le tube de refroidissement. Une telle configuration est considérée comme étant supérieure en efficacité pour les moteurs électriques, générateurs et moteurs-générateurs. Dans une forme préférée de l'invention, le stator d'une machine électrique refroidie par fluide, telle qu'un moteur, un générateur ou un ensemble moteur-générateur, comprend un noyau de stator annulaire comprenant des dents faisant saillie vers l'intérieur et des rainures externes dans une surface externe du noyau qui sont alignées radialement sur les dents. Des enroulements électroconducteurs sont montés sur les dents faisant saillie vers l'intérieur et un ensemble formant tube pour réfrigérant comprend un tube ayant la forme d'un serpentin. Le tube comprend des 10 parties de tube s'étendant axialement reçues dans les rainures de noyau de stator externes, et des spires terminales reliant entre elles les paires adjacentes des parties de tube s'étendant axialement. Les éléments de conduction de chaleur sont fixés aux spires terminales du tube de refroidissement, et un logement entourant la surface externe du noyau de stator maintient les parties de tube s'étendant axialement à 15 l'intérieur des rainures externes. Les éléments de conduction de chaleur pourraient être des plaques assemblées aux spires terminales du tube, chaque plaque étant assemblée à une des spires terminales et séparée de toutes les plaques restantes. Dans ce cas, l'ensemble formant tube peut également comprendre au moins un élément de conduction de chaleur fixé 20 aux sections d'alimentation et de décharge de réfrigérant du tube Afin de réduire les pertes par courants de Foucault dans les plaques, les plaques peuvent être dotées de fentes. En variante, les éléments de conduction de chaleur pourraient être des coupelles à l'intérieur desquelles les sections terminales des enroulements seraient reçues, dans ce cas, les coupelles pourraient également contenir des fentes. Dans cet 25 agencement, une paroi radialement externe de chaque coupelle est de préférence assemblée aux spires terminales du tube. Une couche de substance nonélectroconductrice revêt de préférence le tube et les plaques ou coupelles de manière à isoler les spires terminales en cuivre des plaques ou coupelles. Il est également fait référence à une machine électrique complète comprenant 30 un tel stator et à un procédé de fabrication du stator. La figure 1 est une vue partielle, en perspective, d'un corps de stator présentant des rainures externes conçues pour recevoir des parties d'un tube s'étendant radialement pour le transport de réfrigérant.

La figure 2 est une vue représentant un ensemble formant tube comprenant un tube transportant du fluide réfrigérant utilisable avec le corps de stator représenté sur la figure 1. La figure 3 est une vue d'un premier mode de réalisation d'un agencement d'induit, ayant des parties de tube s'étendant axialement de l'ensemble représenté sur la figure 2 reçues à l'intérieur des rainures externes du corps de stator. La figure 4 est une illustration d'un stator assemblé produit en fixant un logement sur l'agencement d'induit représenté sur la figure 3. La figure 5 est une vue similaire à la figure 3 mais représentant un second 10 mode de réalisation d'un agencement d'induit. La figure 1 montre un noyau de stator annulaire 10 produit à partir d'une multiplicité de tôles individuelles formant collectivement le corps de stator 12 d'un agencement de stator complet. On envisage que le corps de stator 12 devienne une partie d'une machine électrique refroidie par du fluide, qui peut être un moteur, un 15 générateur ou un ensemble moteur-générateur. Le corps de stator 12 est composé d'ordinaire d'un empilement de tôles en alliage de fer (acier), en alliage de nickel ou en alliage de cobalt, qui sont assemblées ou fixées les unes aux autres de manière classique. Chacun des brevets selon Thompson et al. (`947), Abegg (`749), et Houle et al. ('016) évoqués utilise des tôles assemblées les unes aux autres de ladite 20 manière, et la description complète de chacun des brevets de Thompson et al. (`947), Abegg (`749), et Houle et al. ('016) est incorporée dans les présentes à titre de référence en tant que sujet non essentiel. Comme le reconnaîtront les personnes familières des moteurs électriques, générateurs et moteurs-générateurs, le corps de stator 12 peut être utilisé avec un rotor, comprenant des aimants permanents répartis 25 de manière appropriée sur celui-ci ou à l'intérieur de celui-ci, qui est fixé pour tourner à l'intérieur de l'ouverture centrale 14 du corps de stator 12. Le corps de stator 12 peut être également utilisé avec des machines à aimants non permanents. Un fil conducteur isolé électriquement, formant des enroulements ou bobines 16 (ci-après appelés « enroulements » par souci de simplicité) qui est représenté 30 schématiquement sur les figures 3-4, est enroulé autour ou fixé d'une autre façon sur des dents faisant saillie radialement vers l'intérieur 18 du corps de stator 12 de manière classique.

La figure 1 illustre en outre une multiplicité de rainures externes, d'indentations ou évidements 20 (ci-après appelés « rainures » par souci de simplicité) s'étendant axialement le long de l'extérieur du corps de stator 12 dans la même direction qu'un axe de stator central 22, et de préférence parallèlement à celui- ci. Comme représenté, chacune des rainures 20 présente une section transversale approximativement en D et fait saillie vers l'intérieur par rapport à la surface radialement externe 24 du noyau 10. Chacune des rainures 20, comme illustré, est située au centre sur une des dents du stator 18 de sorte à être alignée radialement sur les dents et s'étend vers l'intérieur par rapport à la surface du stator 24 suffisamment 10 loin pour que chaque rainure 20 puisse presque complètement envelopper le tube de refroidissement d'un ensemble formant tube une fois que le tube de refroidissement a été placé à l'intérieur de la rainure d'une manière qui va être décrite. Pour produire un ensemble formant tube 28 représenté sur la figure 2, on donne à un tube à paroi mince 26 de cuivre ou autre métal ou matériau d'alliage 15 métallique approprié la forme d'un serpentin et elle est ensuite laminée ou déformée d'une autre façon selon une forme cylindrique tout en conservant la forme d'un serpentin. Pour produire un agencement d'induit selon le premier mode de réalisation, une multitude de plaques métalliques à conduction thermique 30 sont brasées sur les spires terminales axialement externes 32 du tube en forme de serpentin 26 ou 20 assemblées à celles-ci d'une autre manière comme représenté sur la figure 2 afin de faciliter la conduction thermique des enroulements 16 et des dents du stator 18 plus directement vers les spires terminales 32 du tube 26 et, par conséquent, vers le réfrigérant transporté par le tube. Une plaque de conduction de chaleur 30 est associée à chacune des dents faisant saillie radialement vers l'intérieur 18, de ce fait, 25 pour le corps de stator 12 représenté, qui comprend douze dents faisant saillie vers l'intérieur 18, douze plaques individuelles 30, fixées à chacune des onze spires terminales de tube de refroidissement 32 et à un ensemble de sections d'alimentation et de décharge de réfrigérant 33, sont utilisées. Chacune des plaques 30 est séparée des plaques avoisinantes adjacentes 30, permettant à l'ensemble d'être flexible et 30 d'être facilement installé. Dans l'agencement illustré, les spires terminales 32 au niveau de chaque extrémité axiale de l'ensemble formant tube 28 et des sections 33 supportent six plaques séparées 30, les centres des plaques 30 au niveau d'une extrémité axiale de l'ensemble formant tube 28 étant circonférentiellement décalés d'environ trente degrés par rapport aux centres des plaques au niveau de l'extrémité axiale opposée. Chacune des plaques individuelles 30 peut comprendre des fentes 34 pour réduire les pertes par courants de Foucault des plaques 30 dues à leur proximité immédiate avec les enroulements 16. Dans l'agencement illustré, chacune des plaques 30 comprend environ huit à dix desdites fentes 34, régulièrement espacées. Les plaques 30 peuvent être également formées d'empilements de tôles pour réduire encore les pertes par courants de Foucault. Une fois que les enroulements 16 sont fournis aux dents de stator 18, pour assembler l'agencement d'induit, une extrémité de l'ensemble formant tube 28 est étendue avec un outillage ou d'une autre façon appropriée de telle sorte que l'extrémité étendue de l'ensemble formant tube puisse recevoir le noyau de stator 10 comprenant les enroulements 16. Une fois que le noyau de stator 10 et ses enroulements associés 16 sont enveloppés par l'ensemble formant tube 28, les sections d'alimentation et de décharge 33 et les parties du tube 26 s'étendant axialement entre les spires terminales 32 sont insérées dans les rainures 20 tandis que l'extrémité étendue de l'ensemble formant tube 28 revient à un état non étendu. L'ensemble formant tube 28 doit être positionné de telle sorte que les plaques d'extrémité 30 sur les extrémités de l'ensemble 28 soient essentiellement équidistantes des sections terminales de la bobine 36 (figure 4) des enroulements 16 faisant saillie au-delà des extrémités axiales du corps de stator 12. Après avoir été brasées ou assemblées d'une autre façon aux spires terminales 32 du serpentin 26, le tube 26 et les plaques 30 sont isolés pour permettre d'empêcher un court-circuit avec les enroulements 16. L'isolement est réalisé en encapsulant ou en revêtant d'une autre façon le tube 26 et les plaques 30 avec une substance non- conductrice. Un isolement supplémentaire peut également être fourni aux enroulements 16 au moyen de ce procédé de revêtement ou d'encapsulation. L'encapsulation peut avoir lieu avant ou après assemblage de l'ensemble formant tube avec le noyau de stator 10 et ses enroulements associés. Un stator complet est ensuite assemblé par ajustement par rétraction ou ajustement à la presse d'un logement en grande partie cylindrique 38, représenté sur la figure 4, sur l'agencement d'induit. La procédure d'ajustement par rétraction ou d'ajustement à la presse sert à comprimer les parties s'étendant axialement du tube 26, comprenant les sections d'alimentation et de décharge de réfrigérant 33, dans les rainures externes respectives 20 et à bloquer l'ensemble formant tube 28 en position. Le stator résultant est par la suite encapsulé à l'aide d'époxy thermoconducteur. En fonctionnement, le réfrigérant traversant le tube 26 servira à amener la chaleur générée dans l'agencement d'induit.

La figure 5 illustre une variante de mode de réalisation, dans laquelle les spires terminales 132 au niveau des extrémités axiales de l'ensemble formant tube 128 ne sont pas dotées de plaques de conduction de chaleur. Au lieu de cela, l'ensemble formant tube 128 comprend des coupelles thermoconductrices annulaires opposées 130 assemblées aux sections terminales de la bobine des enroulements 116 faisant saillie au-delà des extrémités axiales d'un corps de stator 112. Les coupelles 130 sont situées à proximité immédiate des spires terminales 132 du tube 126, de telle sorte que le tube 126 et les coupelles 130 puissent être assemblées entre elles et isolées électriquement. Les coupelles 130 serviront à conduire la chaleur des spires terminales des enroulements vers les sections du tube 126 qui sont situées sur les surfaces extérieures des coupelles 130. Les coupelles 130 comprennent des ouvertures d'accès configurées de manière appropriée 140 pour des conducteurs d'enroulement 142 (non représentés). De nouveau, les coupelles 130 peuvent être fendues pour réduire les courants de Foucault de manière similaire aux plaques planes 30. La formation de fentes dans les coupelles 130, en fait, pourrait se révéler plus importante, bien que des essais sur un moteur doté de coupelles indiquent que les coupelles n'avaient pas vraiment besoin de fentes. Un stator présentant des coupelles 130 est en réalité susceptible d'être plus intéressant qu'un stator comprenant des plaques planes fractionnées, telles que les 25 plaques 30 analysées initialement dans la demande, puisque les coupelles peuvent éliminer la chaleur de la totalité de la spire terminale du stator et non uniquement des faces d'extrémité. Bien que de nombreux exemples de mise en place du tube dans les fentes de stator pour le refroidissement soient déjà disponibles, les bobines de ces exemples ont tendance à ressembler à un enroulement de moteur. Les expériences 30 avec ces configurations indiquent que même si le tube pouvait être isolé électriquement lors de la connexion au système de refroidissement, l'eau elle-même pouvait contenir des minéraux qui pouvaient se charger. Cela génère un problème de corrosion potentielle des composants de refroidissement, etc. En plaçant le tube à l'arrière ou à l'extérieur du corps de stator, loin du circuit magnétique, ce problème est éVité. L'utilisation des coupelles, à nouveau, semble être préférable et est susceptible d'être un procédé extrêmement robuste et rentable pour fabriquer un moteur refroidi par liquide.

La description précédente a été simplement exposée pour illustrer l'invention et n'est pas censée être limitative. L'homme du métier pouvant être confronté à des modifications des modes de réalisation décrits correspondant à l'esprit et à la substance de l'invention, l'invention doit être interprétée comme incluant tout ce qui se trouve dans la portée des revendications annexées et leurs équivalents.

Claims

REVENDICATIONS1. Stator de machine électrique (12) qui peut être alimenté en réfrigérant, comprenant : un noyau de stator annulaire (10) comprenant des dents faisant saillie vers l'intérieur (18) et des rainures externes (20) dans une surface externe (24) du noyau qui sont alignées radialement sur les dents, des enroulements électroconducteurs montés sur les dents faisant saillie vers l'intérieur, un ensemble formant tube (28) comprenant un tube de refroidissement (26) ayant la forme d'un serpentin, le tube comprenant des parties de tube s'étendant axialement reçues dans les rainures externes et des spires terminales (32) reliant entre elles les paires adjacentes des parties de tube s'étendant axialement, des éléments de conduction de chaleur (30) fixés sur les spires terminales du tube de refroidissement, et un logement (38) entourant la surface externe du noyau de stator et maintenant les parties de tube s'étendant axialement à l'intérieur des rainures externes.
2. Stator selon la revendication 1, dans lequel les éléments de conduction de chaleur sont des plaques (30) assemblées aux spires terminales (32) du tube (26).
3. Stator selon la revendication 2, dans lequel chacune des plaques est assemblée à l'une des spires terminales et est séparée de toutes les plaques restantes.
4. Stator selon la revendication 2, dans lequel chacune des plaques comprend des fentes (34) à l'intérieur.
5. Stator selon la revendication 1, dans lequel les éléments de conduction de chaleur sont des coupelles (130) à l'intérieur desquelles sont reçues les sections terminales des enroulements (116).
6. Stator selon la revendication 5, dans lequel une paroi radialement externe de chaque coupelle est assemblée aux spires terminales du tube.
7. Stator selon la revendication 2, comprenant en outre une couche de substance nonélectroconductrice revêtant le tube (26) et les plaques (30).
8. Stator selon la revendication 3, dans lequel chacune des plaques comprend des fentes à l'intérieur.
9. Stator selon la revendication 5, dans lequel chacune des coupelles (130) comprend des fentes (34) à l'intérieur. 10
10. Machine électrique comprenant un stator (12) qui peut être alimentée en réfrigérant, comprenant : un noyau de stator annulaire (10) comprenant des dents faisant saillie vers l'intérieur (18) et des rainures externes (20) dans une surface externe (24) du noyau qui sont 15 alignées radialement sur les dents, des enroulements électroconducteurs (16) montés sur les dents faisant saillie vers l'intérieur, un ensemble formant tube (28) comprenant un tube de refroidissement (26) ayant la forme d'un serpentin, le tube comprenant des parties de tube s'étendant axialement 20 reçues dans les rainures externes et des spires terminales reliant entre elles les paires adjacentes des parties de tube s'étendant axialement, des éléments de conduction de chaleur fixés aux spires terminales du tube de refroidissement, et un logement (38) entourant la surface externe du noyau de stator et maintenant les 25 parties de tube s'étendant axialement à l'intérieur des rainures externes.
11. Machine électrique selon la revendication 10, dans laquelle les éléments de conduction de chaleur sont des plaques (30) assemblées aux spires terminales (32) du tube (26). 30
12. Machine électrique selon la revendication 11, dans laquelle chacune des plaques est assemblée à l'une des spires terminales et est séparée de toutes les plaques restantes.
13. Machine électrique selon la revendication 11, dans laquelle chacune des plaques comprend des fentes (34) à l'intérieur.
14. Machine électrique selon la revendication 10, dans laquelle les éléments de conduction de chaleur sont des coupelles (130) à l'intérieur desquelles sont reçues les sections terminales des enroulements (116).
15. Machine électrique selon la revendication 14, dans laquelle une paroi radialement 10 externe de chaque coupelle est assemblée aux spires terminales du tube.
16. Machine électrique selon la revendication 14, dans laquelle chacune des coupelles comprend des fentes à l'intérieur. 15
17. Machine électrique selon la revendication 11, comprenant en outre une couche de substance non-électroconductrice revêtant le tube et les plaques.
18. Procédé de fabrication d'un stator de machine électrique (12) qui peut être alimenté en réfrigérant, comprenant : 20 la fourniture d'un noyau de stator annulaire (10), comprenant des dents faisant saillie vers l'intérieur (18) et des rainures externes (20) dans une surface externe (24) du noyau qui sont alignées radialement sur les dents et sur les enroulements électroconducteurs (16) montés sur les dents faisant saillie vers l'intérieur, l'extension d'une extrémité d'un ensemble formant tube (28), comprenant un tube de 25 refroidissement (26) en forme de serpentin, les parties de tube s'étendant axialement reliant entre elles les spires terminales du tube et des éléments de conduction de chaleur (30) fixés aux spires terminales, l'introduction du noyau de stator dans l'ensemble formant tube au moyen de l'extrémité étendue, 30 le retour de l'extrémité de l'ensemble formant tube à un état non étendu, déplaçant ainsi les parties de tube s'étendant axialement dans les rainures externes, et la fixation d'un logement (38) sur la surface externe du stator pour maintenir les parties de tube s'étendant axialement à l'intérieur des rainures externes.
19. Procédé selon la revendication 18, dans lequel les éléments de conduction de chaleur sont des plaques.
20. Procédé selon la revendication 19, dans lequel chacune des plaques comprend des fentes à l'intérieur.
21. Procédé selon la revendication 18, dans lequel les parties de tube s'étendant axialement sont comprimées dans les rainures externes lorsque le logement est fixé à la surface externe du stator.
22. Procédé selon la revendication 18, dans lequel l'ensemble formant tube comprend en outre au moins un élément de conduction de chaleur supplémentaire fixé aux sections d'alimentation et de décharge de réfrigérant (33) du tube.