L'invention a trait à un dispositif de ventilation et à
un moteur électrique de traction ferroviaire équipé d'un tel
dispositif.
Dans le domaine de la traction ferroviaire, un moteur
électrique est généralement intégré au niveau d'un bogie, sous
la caisse d'une motrice ou d'une voiture. Comme un moteur
électrique peut consommer une puissance électrique importante,
il doit être refroidi pour dissiper une partie de cette
puissance et il est connu d'utiliser l'atmosphère ambiante
pour ce faire. Cependant, l'environnement des moteurs de
traction ferroviaire est généralement pollué, d'une part à
cause des déchets pouvant se trouver sur la voie et d'autre
part à cause de la pluie ou de la boue résultant de conditions
météorologiques défavorables. Pour les raisons qui précèdent,
il est connu de protéger un moteur électrique de son environnement
en disposant des filtres ou grilles sur les entrées
d'air de refroidissement. Il est également connu d'aspirer
l'air de refroidissement du moteur, à travers une gaine, dans
une zone de pollution réduite, telle qu'un compartiment
intérieur du train ou une zone située au niveau de la toiture
d'une motrice. Ces mesures induisent des pertes de charge
importantes sur le trajet d'écoulement de l'air de refroidissement,
ce qui diminue son efficacité et peut conduire à un
encrassement du moteur.
Par le document FR-A-2 645 818, il est connu de ventiler
un moteur de traction ferroviaire au moyen de l'air refoulé
par un ventilateur, une partie de cet air étant évacué par
centrifugation dans une ouverture en regard de laquelle est
disposé un élément séparateur. Les particules les plus lourdes
sont évacuées sous l'effet des forces centrifuges et ne sont
donc pas envoyées vers le volume interne du moteur. Cependant,
l'efficacité de la centrifugation dépend essentiellement de
la vitesse de rotation du ventilateur d'entrée qui est liée
à la vitesse de fonctionnement du moteur. Cette vitesse dépend
des conditions d'utilisation du moteur, un moteur pouvant
tourner le plus souvent à faible régime, notamment pour un
véhicule ferroviaire urbain, du type tramway ou trolley. De
plus, l'air évacué par l'ouverture périphérique ne participe
pas au refroidissement et des émissions sonores peuvent être
générées par le refoulement d'une partie du flux d'air
directement vers l'atmosphère ambiante.
C'est à ces inconvénients qu'entend plus particulièrement
remédier l'invention en proposant un dispositif de ventilation
dans lequel la totalité de l'air refoulé par un ventilateur
est mise à profit pour le refroidissement du moteur alors que
les risques d'encrassement ou de pollution sont minimisés.
Dans cet esprit, l'invention concerne un dispositif de
ventilation d'un moteur électrique de traction ferroviaire
comprenant un ventilateur centrifuge apte à tourner dans un
ou deux sens, disposé dans une chambre d'entrée d'air et
refoulant de l'air en direction du moteur, caractérisé en ce
que le flux d'air refoulé par le ventilateur est divisé en un
flux interne, dirigé vers l'intérieur d'une enceinte de
confinement renfermant au moins le rotor du moteur, et un flux
externe, dirigé vers des canaux de refroidissement du stator
du moteur.
Grâce à l'invention, le flux d'air refoulé par le
ventilateur d'entrée est utilisé pour refroidir à la fois le
rotor et le stator du moteur, la partie de l'air la plus
susceptible d'être polluée par des particules relativement
lourdes étant dirigée, sous l'effet des forces centrifuges,
vers l'extérieur, c'est-à-dire vers les canaux de refroidissement
du stator, alors que la partie la moins polluée qui
constitue le flux interne peut être dirigée vers l'intérieur
de l'enceinte de confinement, sans risque majeur d'encrassement
interne du moteur.
Selon des aspects avantageux mais non obligatoires de
l'invention, le dispositif incorpore une ou plusieurs des
caractéristiques suivantes :
- Le ventilateur refoule dans une tubulure d'alimentation
des canaux, une cloison de séparation du volume interne
de cette tubulure et de l'enceinte de confinement étant percée
d'au moins une ouverture de communication permettant la
circulation du premier flux. On peut prévoir plusieurs
ouvertures de communication entre le volume interne de la
tubulure et l'enceinte, ces ouvertures étant sensiblement
régulièrement réparties autour d'un axe central du moteur. On
peut également prévoir que cette ou ces ouvertures sont
formées radialement à l'intérieur du trajet défini par la
tubulure pour le second flux. Grâce à cet aspect de l'invention,
le premier flux d'air de refroidissement dirigé vers
l'enceinte est "prélevé" sur le flux dirigé vers les canaux
de refroidissement du stator, ce prélèvement ayant lieu sur
une face interne de la tubulure dont l'air le plus pollué,
c'est-à-dire chargé en particules relativement lourdes, est
le plus éloigné.
- Il est prévu au moins une ouverture de sortie de
l'enceinte pour le premier flux d'air. Cette ouverture de
sortie peut être aménagée à proximité du débouché d'un canal
de refroidissement du stator. Dans ce cas, une nervure de
séparation des flux d'air sortant de cette ouverture et de ce
canal est avantageusement prévue.
- Un second ventilateur génère ou assiste un
écoulement d'air à l'intérieur de l'enceinte de confinement,
à partir du flux interne. Ce second ventilateur augmente les
mouvements de l'air dans l'enceinte de confinement et améliore
ainsi l'efficacité du refroidissement des éléments contenus
dans cette enceinte.
- L'enceinte de confinement renferme le rotor, une
partie centrale interne du stator, au moins un bobinage
associé à ce stator ou à ce rotor, une partie de l'arbre
central du moteur et, éventuellement, un second ventilateur.
L'ensemble des éléments précités est ainsi refroidi par le
premier flux d'air.
L'invention concerne également un moteur électrique de
traction ferroviaire équipé d'un dispositif de ventilation tel
que précédemment décrit. Un tel moteur fonctionne de façon
très satisfaisante, y compris dans un environnement pollué,
et son refroidissement particulièrement efficace permet
d'envisager de réaliser un moteur conforme à l'invention de
grande puissance dans un encombrement relativement réduit.
L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages de
celle-ci apparaítront plus clairement à la lumière de la
description qui va suivre de deux modes de réalisation d'un
moteur de traction ferroviaire équipé d'un dispositif de
ventilation conforme à son principe, donnée uniquement à titre
d'exemple et faite en référence aux dessins annexés dans
lesquels :
- La figure 1 est une coupe longitudinale d'un
moteur de traction ferroviaire conforme à un premier mode de
réalisation de l'invention et
- La figure 2 est une coupe analogue à la figure 1
pour un moteur de traction ferroviaire conforme à un second
mode de réalisation de l'invention.
Le moteur 1 représenté à la figure 1 comprend un arbre
central 2 supporté par des paliers 3 et 4 et sur lequel est
monté un rotor 5.
On note X-X' l'axe longitudinal de l'arbre 2 qui est
l'axe de rotation du rotor 5.
Un stator 8, centré sur l'axe X-X', est disposé radialement
autour du rotor 5 et équipé d'un bobinage 9. On note e
l'entre-fer entre le rotor 5 et le stator 8.
Un flasque 11 supporte le palier 3 et est relié à une
bride 12 solidaire du stator 8.
D'autre part, la bride 12 est reliée par des vis 16 à une
tubulure 17 définissant un orifice d'entrée 18 pour l'air de
refroidissement du moteur 1 et supportant le palier 4.
La tubulure 17 comprend une partie d'enveloppe externe
20 et une partie d'enveloppe interne 21 définissant entre
elles un volume interne V de la tubulure 17, l'ouverture 18
étant ménagée dans la partie 20, alors que le palier 4 est
solidaire de la partie 21. Une grille 22 est prévue dans
l'ouverture 18 et permet de bloquer des déchets tels que des
papiers ou des feuilles de végétaux qui auraient tendance à
pénétrer dans la tubulure 17 par l'orifice 18.
Un ventilateur 24, dont on note 25 les aubes qui sont
radiales, est monté à une extrémité 2a de l'arbre 2, à l'intérieur
d'une chambre d'entrée d'air C formée dans la tubulure
17, entre la grille 22 et la partie interne 21.
Compte tenu de la forme et de la disposition des éléments
11, 12 et 21, ceux-ci forment une enceinte E de confinement
du rotor 5, d'une partie de l'arbre 2, d'une partie interne
8a du stator 8, distante de l'axe X-X' d'une distance
inférieure à un rayon R correspondant approximativement au
rayon interne maximum R21 de la partie 21 et du bobinage 9.
L'enceinte E permet donc de protéger les éléments 5, 8a et 9
de l'atmosphère ambiante et, notamment, des poussières.
Conformément à l'invention, le flux d'air F1 pénétrant
par l'orifice 18 dans la tubulure 17 est refoulé par le
ventilateur 24 à la fois en direction de l'intérieur de
l'enceinte E et vers le stator 8, comme représenté respectivement
par les flux d'air F2 et F3.
Le flux d'air interne F2 traverse des ouvertures 26
ménagées dans la partie 21 de la tubulure 17, ces ouvertures
étant réparties autour de l'axe X-X'. Le flux d'air F2 entrant
dans l'enceinte E se divise en deux flux d'air, F4 et F5. Le
flux d'air F4 transite par des canaux 27 prévus dans le rotor
5 parallèlement à l'axe X-X', ce qui permet de refroidir
efficacement le rotor 5. Le flux d'air F5 passe par l'entrefer
e entre le rotor 5 et le stator 8 et lèche le stator.
La circulation de l'air à l'intérieur de l'enceinte E est
assistée par un second ventilateur 28 monté sur l'arbre 2 à
l'intérieur de l'enceinte E et dont les pales 29 créent un
mouvement de brassage de l'air à partir des ouvertures 26 et
en direction de plusieurs orifices de sortie 30 ménagés dans
la bride 12. On a représenté par les flèches F6 et F7 le flux
d'air de refroidissement dans la partie aval et en sortie de
l'enceinte E, qui résulte de la réunion des flux d'air F4 et
F5.
Le flux d'air F3 est, quant à lui, dirigé vers des canaux
31 prévus dans le stator 8 radialement à l'extérieur de la
partie 8a. Ces canaux 31 peuvent être régulièrement répartis
autour de l'axe X-X' ou localisés dans certains secteurs, en
particulier dans le cas où le stator présente un contour
extérieur polygonal. Par exemple, dans le cas où le stator 8
a un contour extérieur octogonal alors que sa partie centrale
est circulaire, les canaux 31 sont ménagés dans quatre zones
externes de la section du stator. Le flux d'air F3 permet de
refroidir le stator 8 et débouche en F8 par un orifice de
sortie 32 prévu à l'extrémité aval chaque canal 31 dans la
bride 12, à proximité des orifices 30.
Une nervure 33 est prévue au voisinage de chaque orifice
32 pour dévier le flux F8 et éviter ainsi de créer une contre-pression
au niveau de l'orifice 30 voisin.
Comme le second flux d'air F3 suit un trajet, défini par
la tubulure 17 et les canaux 31, qui est radialement à
l'extérieur de celui suivi par le premier flux F2, il est plus
chargé en impuretés, qui sont relativement lourdes et sont
centrifugées par le ventilateur 17, ce qui n'est pas particulièrement
gênant car les canaux 31 sont séparés du volume
interne du moteur défini par l'enceinte E et car leur section
est suffisamment importante pour permettre son écoulement. En
outre, les canaux 31 sont globalement rectilignes, de sorte
que le flux F3 n'est pas gêné dans son écoulement, les
impuretés ayant peu tendance à se déposer dans les canaux 31.
Au contraire, le flux d'air F2 est relativement propre
car les ouvertures 26 sont situées radialement à l'intérieur
de la zone de rayon R, c'est-à-dire à l'intérieur du trajet
du second flux d'air. En outre, les ouvertures 26 sont
sensiblement perpendiculaires au flux d'air F3 dans la zone
considérée de la tubulure 17, le flux F3 constituant le flux
d'écoulement principal, de telle sorte que les impuretés
suivent préférentiellement le trajet du flux F3.
Ainsi, l'air circulant dans l'enceinte E est relativement
propre et ne risque pas d'encrasser les parties tournantes du
moteur 1 ou de s'accumuler dans l'entrefer e ou dans le
bobinage 9, même si le trajet des flux d'air F4 à F6 dans
l'enceinte E est relativement tortueux.
Dans le second mode de réalisation de l'invention
représenté à la figure 2, les éléments analogues à ceux du
premier mode de réalisation portent des références identiques.
Ce mode de réalisation diffère du précédent en ce que les
orifices de sortie 30 du flux d'air interne sont décalés
angulairement des canaux 31. Ainsi, les orifices de sortie 32
par lesquels débouche l'écoulement externe, comme représenté
par la flèche F8, sont disposés de telle sorte que les écoulement
F7 et F8 n'interfèrent pas entre eux. Comme représenté à
la figure 2, un orifice 32 peut être diamétralement opposé à
un orifice 30.
Quel que soit le mode de réalisation considéré, le
refroidissement obtenu est de très bonne qualité car la
totalité du flux F1 est utilisée pour le refroidissement du
moteur 1. Le diamètre du ventilateur 1 peut donc être réduit
par rapport aux dispositifs de l'état de la technique, ce qui
permet de réduire en conséquence le bruit émis par ce
ventilateur.
Compte tenu de la centrifugation des impuretés vers
l'extérieur de l'enceinte E, la grille 22 peut avoir une
maille relativement importante, ce qui diminue les pertes de
charge induites et il n'est pas nécessaire de procéder à une
maintenance régulière d'un élément de filtration tel que ceux
équipant certains moteurs de l'état de la technique.
L'invention est applicable indépendamment du type exact
du moteur 1, qui peut être synchrone ou asynchrone, du type
exact du ventilateur 24 qui peut être apte à tourner dans un
seul sens ou dans les deux sens autour de l'axe X-X', du type
de carcasse du moteur qui peut, notamment, être formée par un
paquet de tôles et emmanché dans une virole massive avec,
éventuellement, des ailettes externes.
Selon une variante non représentée de l'invention, la
bride 12 peut être réalisée en plusieurs pièces, notamment
afin de faciliter la mise en place du stator 8.