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Procédé et dispositif pour favoriser le refroidissement des extrémités des moteurs et d'autres machines électriques.
La présente invention se rapporte à un procédé et à un dispositif en vue d'effectuer le refroidissement des extrémités des moteurs et d'autres machines électriques her- métiques.
Elle s'applique à tous les types de moteurs her- mtiques mono- ou polyphasés, mais plus particulièrement aux moteurs à rotor à court-circuit dits à cage d'écureuil. insi que cela est bien connu, le courant électri- que absorbé par les moteurs en fonctionnement se transforme partiellement en énergie motrice et partiellement en cha- leur. Cette chaleur doit être éliminée parce qu'elle provo- querait un échauffement anormal qui limiterait la puissance des dits moteurs.
Dans les moteurs hermétiques, la chaleur qui se dégage dans les parties actives du moteur, doit traverser
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l'enveloppe inactive pour se dissiper dans le milieu exté- rieur et à cet effet, dans la majorité des cas, l'enveloppe est refroidie sur sa surface externe par un courant d'air aussi abondant et aussi froid que possible qui emporte les calories provenant du moteur et traversant l'enveloppe.
Pour activer le refroidissement, il importe donc que la chaleur dégagée dans les parties actives du stator et du rotor soit transmise efficacement aux parois externes de l'enveloppe au fur et à mesure de son dégagement. Cette transmission se fait par conductibilité grâce au contact direct entre notamment le paquet de tôles du stator ou d'autres parties du moteur et l'intérieur de Il.enveloppe.
Le paquet de tôles du stator reçoit en outre, par rayonne- ment et par convection à travers l'entre-fer, une partie de la chaleur dégagée dans le rotor et transmet cette cha- leur à l'enveloppe.
Une émission importante de chaleur se fait tou- tefois également à partir des faces d'extrémité de l'ensem- ble des parties actives, d'une part, par rayonnement sur certaines parties de la surface intérieure de l'enveloppe et, d'autre part, par convection sur cette surface inté- rieure par l'intermédiaire de l'air renfermé dans l'envelop pe lequel sert de véhicule à la chaleur.
Dans les moteurs connus tels qu'utilisés actuel- lement, la transmission de la chaleur dissipée par ces fa- ces d'extrémités se fait dans de mauvaises conditions en raison, d'une part, de ce que la chaleur émise par rayon- l'intérieur nement, notamment par/des chignons, est renvoyée en grande partie vers la face opposée du chignon sans être transmise vers l'extérieur et, d'autre part, de ce que l'air mis en mouvement, habituellement par une couronne d'ailettes pré- vues sur la face ou bague externe de la cage du rotor, su- bit un mouvement tourbillonnaire désordonné.
La présente invention a pour but de favoriser,
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dans une mesure appréciable, la transmission vers l'exté- rieur de la chaleur émise par les faces d'extrémité de l'ensemble des éléments actifs du moteur.
En vue de la réalisation de ce but, le procédé, objet de l'invention, est caractérisé essentiellement en ce qu'une grande partie de la chaleur dissipée par rayon- nement par les extrémités du moteur et notamment par les surfaces intérieures des / /chignons est captée par des surfaces qui font saillie vers l'intérieur sur les flasques ou couvercles d'extrémité de l'enveloppe et qui, en outre, par leur coopération avec les turbines de mise en circulation de l'air intérieur véhiculant la chaleur dissipée par convection peuvent déterminer une circulation ordonnée et en circuit fermé de cet air.
On peut réaliser l'invention en prolongeant le flasque d'extrémité vers l'intérieur du moteur par une buselure constituant un écran ou surface de captation de chaleur et s'étendant concentriquement à l'axe du moteur à proximité et à l'extérieur de celui-ci de préférence jusqu'à peu de distance des faces extrêmes du rotor.
En combinaison avec cette buselure, ou sans que celle-ci existe, on prévoit en général des ailettes de captation de la chaleur qui font saillie radialement vers l'intérieur sur le flasque d'extrémité de l'envelop- pe et qui sont disposées autour de l'axe du moteur.
Les ailettes de refroidissement des flasques d'extrémité prennent naissance sur ce dernier à une cer- taine distance au-dessus de l'axe puis s'infléchissent en formant une arête perpendiculaire à l'axe et peuvent rejoindre ensuite la buselure concentrique à l'axe, soit à proximité du flasque d'extrémité, soit à proximité de l'extrémité de la buselure située à peu de distance du rotor.
Une caractéristique importante de l'invention est en outre que grâce à une inclinaison qui est donnée
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aux arêtes, tournées vers l'axe du moteur, des ailettes du rotor, et qui est telle que ces arêtes soient plus rap- prochées de cet axe à leur naissance du côté du rotor qu'à leur extrémité dirigée vers le flasque, les ailettes du rotor peuvent coopérer de telle manière avec les ailettes fixes et directrices du flasque, (qui possèdent sur leurs arêtes situées à faible distance des arêtes du rotor une inclinaison correspondante) que, grâce à la dépression plus forte régnant à la racine des ailettes du rotor, le courant d'air,après avoir été canalisé dans les interval- les entre les ailettes du flasque,
se répartit sur toute l'étendue des ailettes du rotor et réalimente la turbine en ayant tendance à se porter davantage vers cette racine et à refroidir d'une manière plus intense la face extrême du rotor et les enroulements du chignon que l'extrémité des ailettes du rotor, extrémité où se porterait principale ment le courant d'air si les ailettes fixes directrices n'existaient pas.
Les dessins ci-joints montrent, à titre d'exem- ple, une application de l'invention à-un moteur triphasé hermétique à cage d'écureuil.
La figure 1 est une vue de face de l'ensemble du moteur, la partie supérieure montrant l'intérieur du moteur.
La figure 2 est une vue de côté montrant dans chaque quadrant des éléments différents du moteur.
La. figure 3 est une vue agrandie montrant le dispositif de refroidissement représenté à la figure 1.
Sur les dessins ci-joints, 1 désigne le paquet de tôles cylindrique dans lequel passent les enroulements statoriques (non représentés) qui se terminent d'une ma- nière connue par les "chignons" extérieurs 2 constituant dans leur ensemble un volume de révolution. A l'intérieur de ce stator, se trouve le rotor 3 comprenant un paquet de
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tôles monté sur un axe de rotation 4 porté par deux pa- liers 5. Ce rotor est traversé, comme d'habitude, par une couronne extérieure de barres rotoriques (non représentées) dont les extrémités aboutissent à deux bagues annulaires 6 avec lesquelles elles constituent la cage d'écureuil par- courue par les courants induits.
Dans l'exemple représenté, ces bagues 6 portent chacune une couronne d'ailettes 7 agissant, lors de la rotation de l'axe 4, à la façon d'une turbine de ventila- tion centrifuge. Ces ailettes ont pour fonction, en pre- mier lieu, de drainer vers l'extérieur la chaleur prove- nant par conductibilité thermique, de l'intérieur du rotor et, en second lieu, d'agiter l'air servant à éliminer par convection la chaleur provenant des parties actives du mo- teur pour la conduire vers l'enveloppe extérieure.
Le rotor porte en outre, à l'extérieur de l'en- veloppe, soit à une extrémité de l'axe, soit à dhacune de ces extrémités, un ventilateur 8 provoquant un courant d'air de refroidissement léchant l'extérieur de l'enveloppe du moteur; cette enveloppe comprend une carcasse 9 pourvue vers l'extérieur d'ailettes de radiation 10 parallèles à l'axe 4 et deux flasques d'extrémité 11 fermant herméti- quement le logement du moteur. L'enveloppe comporte en ou- tre, dans l'exemple représenté, deux contre-flasques 12 portant les paliers 5, protégeant le ventilateur 8 et gui- dant l'air de refroidissement que ce dernier met en circu- lation.
Conformément à l'invention, le flasque d'extré- mité 11 est prolongé vers l'intérieur du moteur par une buselure 13 s'étendant concentriquement à l'axe 'à proximité et à l'extérieur de celui-ci jusqu'à peu de distance de la bague extérieure 6 du rotor.
D'autre part, avec cette buselure, qui est habi- tuellement venue de fonderie avec le flasque 11, fait corps une couronne d'ailettes radiales 14 qui font saillie sur le
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flasque 11 vers l'intérieur du'moteur. Ces ailettes pren- nent naissance sur ce flasque à une certaine distance au- dessus de l'axe 4, s'infléchissent en formant ensuite une arête 15 s'étendant perpendiculairement à l'axe 4 et re- joignent finalement par une arête inclinée 16 l'extrémité de la buselure.
Les arêtes verticales 15 faisant partie des ai- lettes 14 constituant une couronne sont disposées de telle manière que le plan vertical représenté par la ligne A-A passant par ces différentes arêtes soit voisin du plan B-B passant par les extrémités des ailettes de ventila- tion 7 prévues sur la bague 6. Le-s arêtes inclinées 16 sont de leur côté situées à faible distance de la face 17 des ailettes 7 tournées vers l'axe 4, de telle sorte que la surface formant enveloppe des arêtes 16 soit à une faible distance de la surface de révolution engendrée par les faces 17 des différentes ailettes 7.
Cette disposition présente des avantages impor- tants par rapport aux constructions connues dans lesquel- les le flasque 11 ne comporte ni la buselure 13 ni les ailettes radiales 14 et dans lesquelles les inconvénients suivants se manifestent: I ) la chaleur émise par rayonnement des chignons 2 vers l'axe 4 du moteur est renvoyée en grande partie vers la face opposée du chignon et n'est pas dissipée vers l'ex- térieur.
2 ) L'air mis en mouvement par la couronne d'ailettes 7 subit un mouvement tourbillonnaire désordonné qui n'est aucunement favorable aux échanges thermiques.
Au contraire, dans un moteur dont les flasques d'extrémité 11 sont munis de surfaces de captation comme décrit ci-dessus, la chaleur dissipée par rayonnement à partir des chignons 2 rencontre la buselure 13 et les ai- lettes 14 qui constituent des surfaces recueillant cette
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chaleur laquelle est ensuite conduite par conductibilité vers l'extérieur de l'enveloppe où elle est emportée par le courant dtair produit par le ventilateur 8.
Ces surfaces 13,14, outre qu'elles captent une grande partie de la chaleur rayonnée, coopèrent avec la turbine formée par les ailettes 7 de manière à déterminer une circulation rationnelle et ordonnée et non plus tour- billonnaire de l'air mis en mouvement par cette turbine.
L'air mis en mouvement par cette turbine est pro- jeté sous l'action de la force centrifuge et lèche à grande vitesse les ailettes 7 et la face ou bague externe 6 du ro- tor qui sont ainsi refroidies. Cet air est ensuite lancé c@ tre le chignon 2 et passe en partie entre les interstices que présentent les enroulements de celui-ci ; ilsuit en partie le parcours des flèches F1 et en partie celui de la flèche F2 et est dirigé contre l'intérieur du flasque 11 et dans les intervalles compris entre les ailettes 14 où il est canalisé. L'air portant la chaleur de convection peut ainsi céder ses calories au flasque 11, aux ailettes 14 et à la buselure 13 qui le transmettent au dehors par conductibilité.
L'air débarrassé de la majeure partie de sa chaleur réalimente alors la turbine de circulation en pénétrant de bas en haut entre les ailettes 7.
On obtient ainsi, grâce à l'invention, un re- froidissement très efficace de l'air en mouvement, en rai- son du grand développement des surfaces en contact avec l'air chaud qui se déplace suivant un circuit fermé bien ordonné.
Pour des raisons de facilité de construction, on une partie peut pour/des ailettes 14 éventuellement supprimer la par- tie située entre l'extrémité inférieure de l'arête 15 et l'extrémité de la buselure 13 et raccorder l'ailette à la buselure par une arête 18 aboutissant à proximité du flas- que 11.
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La couronne d'ailettes 7 peut être fermée vers l'extérieur par une paroi annulaire ; demême, les ailettes radiales 14 peuvent être reliées le long de leurs arêtes 15 par une paroi verticale de manière à former des canaux fermés conduisant l'air.
De préférence, et comme représenté au dessin, les ailettes 7 du rotor seront inclinées du côté intérieur de la turbine de manière à être plus rapprochées de l'axe à leur naissance près de la bague 6 qu'à leur extrémité.
Ces ailettes 7 peuvent ainsi coopérer avec les ailettes fixes et directrices du flasque, de telle manière que, grâce à la dépression plus forte régnant ainsi à la racine des ailettes du rotor, le courant d'air, après avoir été canalisé dans les intervalles entre les ailettes du flas- que, peut se répartir sur toute l'étendue des ailettes du rotor et réalimenter la turbine en ayant tendance à se porter davantage vers la racine que vers l'extrémité des ailettes et à refroidir d'une manière plus intense la face extrême du rotor et les enroulements du chignon.
On comprend aisément que si les ailettes fixes du flasque n'existaient pas, le courant d'air se porterait surtout sur ces extrémités et aurait moins d'action sur la bague 6
Le dispositif décrit à titre d'exemple peut évidemment suivant les cas être prévu à une seule extrémi- té du moteur ou bien aux deux extrémités.
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Method and device for promoting the cooling of the ends of motors and other electrical machines.
The present invention relates to a method and to a device for effecting the cooling of the ends of motors and other hermetic electric machines.
It applies to all types of single- or polyphase hermetic motors, but more particularly to so-called squirrel-cage short-circuit rotor motors. As is well known, the electric current absorbed by operating motors is transformed partly into motive energy and partly into heat. This heat must be eliminated because it would cause abnormal heating which would limit the power of said motors.
In hermetic motors, the heat which is given off in the active parts of the motor must pass through
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the envelope inactive to dissipate in the external environment and for this purpose, in the majority of cases, the envelope is cooled on its external surface by a current of air as abundant and as cold as possible which carries away the calories coming from the motor and passing through the casing.
To activate the cooling, it is therefore important that the heat released in the active parts of the stator and the rotor is transmitted efficiently to the outer walls of the casing as it is released. This transmission takes place by conductivity thanks to direct contact between in particular the pack of sheets of the stator or other parts of the motor and the interior of the envelope.
The stator sheet bundle also receives, by radiation and by convection through the gap, part of the heat released in the rotor and transmits this heat to the casing.
However, a significant heat emission also takes place from the end faces of all the active parts, on the one hand, by radiation on certain parts of the inner surface of the casing and, on the other hand, by convection on this interior surface by means of the air contained in the casing which serves as a vehicle for the heat.
In known motors as currently used, the transmission of the heat dissipated by these end faces takes place under poor conditions due, on the one hand, to the heat emitted by the beam. 'internally, especially by / chignons, is returned largely to the opposite face of the bun without being transmitted to the outside and, on the other hand, that the air set in motion, usually by a crown of The fins provided on the outer face or ring of the rotor cage undergo a disordered vortex movement.
The object of the present invention is to promote,
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to a considerable extent, the transmission to the exterior of the heat emitted by the end faces of all the active elements of the engine.
With a view to achieving this aim, the method, object of the invention, is characterized essentially in that a large part of the heat dissipated by radiation by the ends of the motor and in particular by the interior surfaces of the / / chignons is captured by surfaces which protrude inwards on the end plates or end covers of the casing and which, moreover, by their cooperation with the turbines for circulating the interior air conveying the dissipated heat by convection can determine an orderly and closed-circuit circulation of this air.
The invention can be achieved by extending the end flange towards the inside of the engine by a nozzle constituting a screen or heat capture surface and extending concentrically to the axis of the engine near and outside of the latter preferably up to a short distance from the end faces of the rotor.
In combination with this nozzle, or without it existing, there is generally provided heat capture fins which project radially inwards on the end flange of the casing and which are arranged around of the motor shaft.
The cooling fins of the end flanges originate on the latter at a certain distance above the axis and then flex to form a ridge perpendicular to the axis and can then join the nozzle concentric with the axis. axis, either near the end flange, or near the end of the nozzle located a short distance from the rotor.
An important characteristic of the invention is furthermore that thanks to an inclination which is given
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to the edges, turned towards the axis of the motor, of the blades of the rotor, and which is such that these edges are closer to this axis at their origin on the side of the rotor than at their end directed towards the flange, the fins of the rotor can cooperate in such a way with the fixed and guide fins of the flange, (which have a corresponding inclination on their edges located at a short distance from the edges of the rotor) that, thanks to the greater depression prevailing at the root of the rotor fins , the air current, after having been channeled in the intervals between the fins of the flange,
is distributed over the entire extent of the rotor fins and re-feeds the turbine with a tendency to move more towards this root and to cool more intensely the extreme face of the rotor and the windings of the chignon than the end of the fins of the rotor, the end where the air flow would mainly be carried if the fixed guiding vanes did not exist.
The accompanying drawings show, by way of example, an application of the invention to a hermetic three phase squirrel cage motor.
Figure 1 is a front view of the engine assembly, the upper part showing the interior of the engine.
Figure 2 is a side view showing in each quadrant different elements of the engine.
Figure 3 is an enlarged view showing the cooling device shown in Figure 1.
In the accompanying drawings, 1 denotes the cylindrical sheet bundle through which pass the stator windings (not shown) which terminate in a known manner with the outer "chignons" 2 constituting as a whole a volume of revolution. Inside this stator is the rotor 3 comprising a pack of
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plates mounted on a rotation axis 4 carried by two bearings 5. This rotor is crossed, as usual, by an outer ring of rotor bars (not shown), the ends of which end in two annular rings 6 with which they constitute the squirrel cage traversed by the induced currents.
In the example shown, these rings 6 each carry a ring of fins 7 acting, during the rotation of the axis 4, like a centrifugal fan turbine. The function of these fins is firstly to drain the heat from the inside of the rotor by thermal conductivity to the outside and secondly to agitate the air used to remove by convection. the heat coming from the active parts of the engine to conduct it towards the outer casing.
The rotor also carries, on the outside of the casing, either at one end of the shaft or at each of these ends, a fan 8 causing a current of cooling air to lick the outside of the shaft. motor casing; this casing comprises a carcass 9 provided on the outside with radiation fins 10 parallel to the axis 4 and two end plates 11 hermetically closing the motor housing. The casing also comprises, in the example shown, two counter-flanges 12 carrying the bearings 5, protecting the fan 8 and guiding the cooling air which the latter puts into circulation.
In accordance with the invention, the end flange 11 is extended towards the inside of the motor by a nozzle 13 extending concentrically with the axis' near and outside the latter until a short time. distance from the outer ring 6 of the rotor.
On the other hand, with this nozzle, which is usually foundry with the flange 11, forms a body a ring of radial fins 14 which protrude on the
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flange 11 towards the inside of the motor. These fins originate on this flange at a certain distance above the axis 4, bend, then forming an edge 15 extending perpendicular to the axis 4 and finally join by an inclined edge 16 the end of the nozzle.
The vertical ridges 15 forming part of the fins 14 constituting a ring are arranged such that the vertical plane represented by the line AA passing through these different ridges is close to the plane BB passing through the ends of the ventilation fins 7 provided. on the ring 6. The inclined edges 16 are for their part located at a short distance from the face 17 of the fins 7 turned towards the axis 4, so that the surface forming the envelope of the ridges 16 is at a short distance of the surface of revolution generated by the faces 17 of the various fins 7.
This arrangement has significant advantages over known constructions in which the flange 11 has neither the nozzle 13 nor the radial fins 14 and in which the following drawbacks are manifested: I) the heat emitted by radiation from the buns 2 towards axis 4 of the motor is returned in large part towards the opposite face of the chignon and is not dissipated towards the outside.
2) The air set in motion by the crown of fins 7 undergoes a disordered vortex movement which is in no way favorable to heat exchange.
On the contrary, in an engine whose end plates 11 are provided with capture surfaces as described above, the heat dissipated by radiation from the chignons 2 meets the nozzle 13 and the fins 14 which constitute surfaces collecting this
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heat which is then conducted by conductivity to the outside of the casing where it is carried away by the air current produced by the fan 8.
These surfaces 13, 14, in addition to capturing a large part of the radiated heat, cooperate with the turbine formed by the fins 7 so as to determine a rational and orderly and no longer vortex circulation of the air set in motion. by this turbine.
The air set in motion by this turbine is projected under the action of centrifugal force and licks the fins 7 and the outer face or ring 6 of the rotor at high speed, which are thus cooled. This air is then launched c @ be the bun 2 and passes in part between the interstices presented by the windings thereof; It follows in part the path of the arrows F1 and in part that of the arrow F2 and is directed against the inside of the flange 11 and in the intervals between the fins 14 where it is channeled. The air carrying the convection heat can thus yield its calories to the flange 11, to the fins 14 and to the nozzle 13 which transmit it to the outside by conductivity.
The air freed of most of its heat then feeds the circulation turbine again, penetrating from the bottom up between the fins 7.
A very effective cooling of the moving air is thus obtained, thanks to the invention, due to the large development of the surfaces in contact with the hot air which moves in a well-ordered closed circuit.
For reasons of ease of construction, one part can for / of the fins 14 possibly omit the part located between the lower end of the ridge 15 and the end of the nozzle 13 and connect the fin to the nozzle. by an edge 18 ending near the flange 11.
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The crown of fins 7 can be closed outwards by an annular wall; Likewise, the radial fins 14 can be connected along their edges 15 by a vertical wall so as to form closed channels conducting the air.
Preferably, and as shown in the drawing, the blades 7 of the rotor will be inclined on the inside of the turbine so as to be closer to the axis at their birth near the ring 6 than at their end.
These fins 7 can thus cooperate with the fixed and guide fins of the flange, in such a way that, thanks to the greater depression thus prevailing at the root of the fins of the rotor, the current of air, after having been channeled in the intervals between the fins of the flange, can be distributed over the entire extent of the fins of the rotor and re-supply the turbine with a tendency to go more towards the root than towards the end of the fins and to cool more intensely the end face of the rotor and the windings of the chignon.
It is easy to understand that if the fixed fins of the flange did not exist, the air current would mainly be on these ends and would have less effect on the ring 6
The device described by way of example can obviously, depending on the case, be provided at a single end of the motor or else at both ends.