FR2622064A1 - Electric machine with cooling by liquid fluid - Google Patents
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Abstract
Description
MACHINE lAhCrRIQUE A REPROIDISSEMENT
PAR ElvlJlDE LIQUIDE.COOLING MACHINE
BY ElvlJlDE LIQUIDE.
La présente invention concerne une machine électrique à refroidissement par fluide liquide. The present invention relates to an electric machine cooled by liquid fluid.
Une machine électrique telle qu'un moteur asynchrone s'échauffe habituellement au cours de son fonctionnement. Cet échauffement est dû aux pertes statoriques et rotoriques. La chaleur produite par cet échauffement peut entrainer des dégâts importants dans ce moteur et voire même sa destruction. An electric machine such as an asynchronous motor usually heats up during operation. This heating is due to stator and rotor losses. The heat produced by this heating can cause significant damage to this engine and even its destruction.
Plusieurs solutions ont été proposées et utilisées pour une évacuation de cette chaleur. Les unes sont basées sur une conduction thermique des organes de ce moteur pour guider cette chaleur de l'intérieur du moteur vers sa carcasse extérieure afin de ltévacuer dans l'atmosphère ambiante. Les autres sont fondées sur une convection forcée de l'air à l'intérieur de ce moteur pour transférer cette chaleur Jusqu'à la carcasse de celui-ci et une convection naturelle ou forcée de l'air à l'extérieur pour évacuer cette chaleur de cette carcasse dans l'atmosphère ambiant. Cependant ces solutions connues se révèlent peu efficaces ou insuffisantes lorsque la quantité de chaleur devient trop importante. Te fonctionnement des machines électriques connues et leur durée de vie même, en subissent des mauvaises conséquences.Several solutions have been proposed and used for removing this heat. Some are based on a thermal conduction of the organs of this engine to guide this heat from inside the engine to its outer carcass in order to evacuate it into the ambient atmosphere. The others are based on a forced convection of the air inside this engine to transfer this heat To the carcass of this one and a natural or forced convection of the air outside to evacuate this heat of this carcass in the ambient atmosphere. However, these known solutions prove to be ineffective or insufficient when the amount of heat becomes too large. The operation of known electrical machines and their very lifespan, suffer bad consequences.
La présente invention visant à éviter ces inconvénients, permet de réaliser une machine électrique à refroidissement par fluide liquide, économique et efficace dans l'évacuation de la chaleur produite par ses pertes statoriques et rotoriques. The present invention, aimed at avoiding these drawbacks, makes it possible to produce an electric machine cooled by a liquid fluid, economical and effective in removing the heat produced by its stator and rotor losses.
Selon l'invention, une machine électrique à refroidissement par fluide liquide, est caractérisée en ce qu'elle comprend d 'une part dans la partie inférieure de son carter, une réserve d'un liquide de refroidissement, et d'autre part deux disques de projection de ce liquide de refroidissement sur ses stator et bobinages statoriques, qui sont coaxialement fixés sur un arbre de cette machine électrique, à proximité des extrémités de ces bobinages statoriques, et dont les parties inférieures des bords sont plongées dans cette réserve de ce liquide de refroidissement. According to the invention, an electric machine cooled by liquid fluid, is characterized in that it comprises on the one hand in the lower part of its casing, a reserve of coolant, and on the other hand two discs of projection of this coolant on its stator and stator windings, which are coaxially fixed on a shaft of this electric machine, near the ends of these stator windings, and whose lower edges are immersed in this reserve of this liquid cooling.
Pour mieux faire comprendre l'invention on en décrit ci-après un exemple de réalisation illustré par un dessin ci-annexé représentant un moteur électrique qui entraîne une pompe. In order to better understand the invention, an exemplary embodiment thereof is described below, illustrated by an appended drawing representing an electric motor which drives a pump.
La présente Invention est applicable à toute machine électrique à refroidissement par fluide liquide. The present invention is applicable to any electric machine cooled by liquid fluid.
Dans l'exemple illustré la machine électrique est un moteur électrique 1 qui entraîne une pompe haute-pression schématiquement représentée en 2 et destinée à des nettoyeurs haute-pression ou hydro-nettoyeurs non représentés. La pompe haute-pression 2 et les hydro-nettoyeurs qui sont ceux de types connus et qui ne font pas partie de la présente invention, ne sont pas décrits en détail dans la suite. In the example illustrated, the electric machine is an electric motor 1 which drives a high-pressure pump schematically shown in 2 and intended for high-pressure cleaners or hydro-cleaners not shown. The high-pressure pump 2 and the hydro-cleaners which are those of known types and which do not form part of the present invention, are not described in detail below.
Le moteur électrique 1 comprend un corps 3 muni d'une part sur une première face dans la périphérie, d'un rebord cyllndrique 4 et de pieds longitudinaux non représentés destinés à une fixation d'un stator 5, et dans le centre, d'un moyeu axial 6 dans lequel sont montes des roulements à rouleaux ou à billes ou des paliers 7, 8 d'un arbre 9 du moteur, dont une extrémité porte un rotor 10, et d'autre part sur une deuxième face, d'une chambre axiale tubulaire ouverte 13 servant de corps de pompe et renfermant des organes de la pompe 2 dont l'élément rotatif 12 est monté sur la deuxième extrémité de l'arbre 9. Sur le rebord cylindrique 4 du corps 3 est monté un carter cylindrique 15, rendu étanche par un joint d'étanchéité 14. Ce carter 15 protège le stator 5 et le rotor 10 du moteur 1.Le moteur électrique 1 fonctionne normalement en position horizontale ou en position inclinée suivant un angle inférieur à 45 degrés. Le stator 5 est pourvu de bobinages statoriques 20. The electric motor 1 comprises a body 3 provided on the one hand on a first face in the periphery, with a cylindrical flange 4 and longitudinal feet not shown intended for fixing a stator 5, and in the center, an axial hub 6 in which are mounted roller or ball bearings or bearings 7, 8 of a shaft 9 of the motor, one end of which carries a rotor 10, and on the other hand on a second face, of a open tubular axial chamber 13 serving as a pump body and containing pump members 2, the rotary element 12 of which is mounted on the second end of the shaft 9. A cylindrical casing 15 is mounted on the cylindrical flange 4 of the body 3 , sealed by a seal 14. This casing 15 protects the stator 5 and the rotor 10 of the motor 1. The electric motor 1 normally operates in a horizontal position or in an inclined position at an angle less than 45 degrees. The stator 5 is provided with stator windings 20.
La corps 3 du moteur électrique 1 est réalisé, en un matériau bon conducteur de la chaleur et résistant au fluide véhiculé par la pompe 2.The body 3 of the electric motor 1 is made of a material which is a good conductor of heat and resistant to the fluid conveyed by the pump 2.
Selon une caractéristique importante, la machine électrique ou moteur 1 comprend d'une part dans la partie inférieure de son carter 15, une réserve 17 d'un liquide de refroidissement 23 et d'autre part deux disques de projection 18, 19 de ce liquide de refroidissement 23 sur le stator 5 et les bobinages statoriques 20, et dont les parties inférieures des bords 21 sont immergées dans cette réserve 17 de ce liquide de refroidissement 23. According to an important characteristic, the electric machine or motor 1 comprises on the one hand in the lower part of its casing 15, a reserve 17 of a cooling liquid 23 and on the other hand two projection discs 18, 19 of this liquid cooling 23 on the stator 5 and the stator windings 20, and the lower parts of the edges 21 of which are immersed in this reserve 17 of this cooling liquid 23.
Le carter 15 et les disques de projection 18,19 sont constitués en un matériau résistant au liquide de refroidissement 23 et bon conducteur de la chaleur, tel que acier, aluminium, cuivre, etc. The casing 15 and the projection discs 18, 19 are made of a material resistant to coolant 23 and a good conductor of heat, such as steel, aluminum, copper, etc.
La réserve 17 de refroidissement 23 comprend un niveau 22 qui se trouve de préférence au-dessous de la génératrice la plus basse du rotor 10 du moteur électrique 1. The cooling reserve 17 comprises a level 22 which is preferably located below the lowest generator of the rotor 10 of the electric motor 1.
Une partie des bobinages statoriques 20 est ainsi complètement immergée dans cette réserve 17, de liquide de refroidissement.Part of the stator windings 20 is thus completely submerged in this reserve 17, of coolant.
Dans l'exemple illustré, les disques de projection 18, 19 du liquide de refroidissement 23 ont une forme générale d'une coupelle à large bord retourné.In the example illustrated, the projection discs 18, 19 of the coolant 23 have the general shape of a cup with a large turned-up edge.
Lors d'un fonctionnement du moteur électrique 1 l'arbre 9 tourne et entraîne les disques de projection 18, 19 qui, par leurs bords retournés 21, recueillent du liquide de refroidissement 23 dans la réserve 17, le projettent en pluie 24 sur le stator 5 et les bobinages statoriques 20 et créent en même temps un brouillard de fines gouttelettes 25 au-dessus de la réserve 17 de liquide de refroidissement 23. Le liquide refroidissement 23 est constitué par un liquide isolant électrique, bon conducteur de la chaleur, et non corrosif vis-à-vis des bobinages statoriques 20 et d'autres organes de ce moteur 1. Ce liquide de refroidissement 23 peut être une huile minérale pour moteur ou tout autre liquide approprié.Le liquide de refroidissement en pluie 24 projeté sur le stator 5 et les bobinages 20 se faufile dans les Interstices de ceux-ci, et enlève efficacement de la chaleur qui y est produite, avant de retomber dans la réserve 17, d'y laisser de la chaleur emportée qui s'évacue à travers le carter 15 et le corps 3, et de recommencer un autre cycle tandis que le liquide de refroidissement en brouillard 25, formé au-dessus de la réserve 17, complète l'action du liquide de refroidissement en pluie 24 et celle d'une évacuation par conduction thennique des pertes rotoriques A travers l'arbre 9, et en premier lieu à travers les disques de projection 18, 19, la réserve 17 de liquide de refroidissement et les corps 3 et carter 15 et en deuxième lieu à travers les roulements ou paliers 7 et 8 et les corps 13 et carter 15, en transférant efficacement par conduction, la chaleur produite par le moteur 1 vers les corps 3 et carter 15 de ce moteur 1. During operation of the electric motor 1 the shaft 9 rotates and drives the projection discs 18, 19 which, by their turned edges 21, collect coolant 23 in the reserve 17, project it into rain 24 on the stator 5 and the stator windings 20 and at the same time create a mist of fine droplets 25 above the reserve 17 of coolant 23. The coolant 23 consists of an electrically insulating liquid, good conductor of heat, and not corrosive to the stator windings 20 and other parts of this engine 1. This coolant 23 can be a mineral engine oil or any other suitable liquid. The rain coolant 24 sprayed onto the stator 5 and the coils 20 sneaks into the interstices thereof, and effectively removes the heat which is produced there, before falling back into the reserve 17, to leave there of the carried away heat which is evacuated through the casing 15 and the body 3, and to start another cycle while the coolant in mist 25, formed above the reserve 17, completes the action of the coolant in rain 24 and that of an evacuation by thermal conduction of rotor losses Through the shaft 9, and firstly through the projection discs 18, 19, the reserve 17 of coolant and the bodies 3 and casing 15 and secondly through the bearings or bearings 7 and 8 and the bodies 13 and casing 15, by efficiently transferring by conduction, the heat produced by the motor 1 to the bodies 3 and casing 15 of this motor 1.
On constate en effet dans un moteur électrique 1 du type illustré, que les pertes statoriques sont de l'ordre de deux tiers en pertes "Joule" dans les bobinages ou enroulements statoriques 20 et de tordre d'un tiers en pertes "fer" dans le stator 5, et que des pertes rotoriques sont principalement des pertes par effet Joule. En outre dans les pertes "Jouie" statoriques, les deux tiers environ de celles-ci sont produites dans les chignons ou extrémités des bobinages statoriques 20. It can be seen in an electric motor 1 of the type illustrated, that the stator losses are of the order of two thirds in "Joule" losses in the stator windings or windings 20 and to twist a third in "iron" losses in stator 5, and that rotor losses are mainly losses by the Joule effect. Furthermore, in stator "Jouie" losses, approximately two thirds of these are produced in the chignon or ends of the stator windings 20.
Une immersion d'une partie du stator 5 et des bobinages statoriques 20 dans la réserve 17 de liquide de refroidissement 23, et une projection de liquide de refroidissement 23 par les disques 18, 19 dans le moteur 1 pour former une pluie 24 sur les bobinages 20 et un brouillard 25 dans le carter 15 permettent une évacuation efficace de la chaleur produite par le moteur 1, et ne laissent qu'une Infime partie de cette chaleur, évacuée par conduction à travers l'arbre 9, les paliers 7, 8 et les corps 3 et carter 15 du moteur.Il en résulte que les roulements ou paliers 7 et 8 sont soumis à un très faible échauffement et ont vu allongée leur durée de vie et que le stator 5, le rotor 10 et les bobinages statoriques 20 qui sont largement et efficacement refroidis, ne sont sujets ni à des dommages thermiques ni à sa destruction, rencontrés dans des machines électriques connues rappelées dans un paragraphe précédent.An immersion of part of the stator 5 and the stator windings 20 in the reserve 17 of coolant 23, and a projection of coolant 23 by the discs 18, 19 in the engine 1 to form a rain 24 on the windings 20 and a mist 25 in the casing 15 allow efficient evacuation of the heat produced by the motor 1, and leave only a very small part of this heat, evacuated by conduction through the shaft 9, the bearings 7, 8 and the bodies 3 and casing 15 of the motor. As a result, the bearings or bearings 7 and 8 are subjected to a very low temperature rise and have had their life extended and that the stator 5, the rotor 10 and the stator windings 20 which are largely and effectively cooled, are not subject to thermal damage or to its destruction, encountered in known electrical machines mentioned in a previous paragraph.
Selon une autre caractéristique, dans la machine électrique 1, le liquide de refroidissement 23 sous ses formes de liquide 17, de pluie 24 et de brouillard 25 est refroidi par un courant de fluide refroidissant 26 venant d'une source extérieure à cette machine. According to another characteristic, in the electric machine 1, the coolant 23 in its liquid 17, rain 24 and mist 25 forms is cooled by a stream of cooling fluid 26 coming from a source external to this machine.
Dans l'exemple illustré, ce courant de fluide refroidissant 26 est isolé du liquide de refroidissement 23 et guidé dans son trajet à l'intérieur du moteur électrique 1 par un élément tubulaire bon conducteur thermique formant un serpentin 27, disposé dans l'espace entre le stator 5 et le carter 15 de ce moteur, coaxialement avec ces derniers, et s'étendant sur le long de ce stator 5 et des bobinages statoriques 20. Selon cette disposition, une partie du serpentin 27 est immergée dans la réserve 17 de liquide de refroidissement 23 et les autres parties de ce serpentin 27 sont enveloppées par du liquide de refroidissement en pluie 24 et en brouillard 25 projeté par les disques de projection 18, 19.Un large contact thermique entre le fluide refroidissant 26 et le liquide de refroidissement 23 du moteur électrique 1 est ainsi réalisé, à travers les parois bonnes conductrices thermiques du serpentin 27, ce qui permet une évacuation rapide efficace et intensive vers l'extérieur, de la chaleur produite par le moteur 1 en fonctionnement, en parallèle avec une évacuation par convection, conduction à travers le corps 3 et le carter 15 de ce moteur. In the example illustrated, this coolant stream 26 is isolated from the coolant 23 and guided in its path inside the electric motor 1 by a tubular element which is a good thermal conductor forming a coil 27, arranged in the space between the stator 5 and the casing 15 of this motor, coaxially with the latter, and extending along this stator 5 and the stator windings 20. According to this arrangement, part of the coil 27 is immersed in the reserve 17 of liquid 23 and the other parts of this coil 27 are enveloped by coolant in rain 24 and in mist 25 projected by the projection discs 18, 19. A large thermal contact between the coolant 26 and the coolant 23 of the electric motor 1 is thus produced, through the walls which are good thermal conductors of the coil 27, which allows an efficient and intensive rapid evacuation towards the outside, of the heat. r produced by the motor 1 in operation, in parallel with an evacuation by convection, conduction through the body 3 and the casing 15 of this motor.
Le serpentin 27 est relié par ses extrémités à une buse d'entrée 29 et une buse de sortie 30 respectivement formées dans le carter 15 du moteur 1. La buse d'entrée 29 est munie d'un filtre 31 qui retient des corps étrangers solides éventuellement entraînés par le courant de fluide refroidissant 26. The coil 27 is connected at its ends to an inlet nozzle 29 and an outlet nozzle 30 respectively formed in the casing 15 of the motor 1. The inlet nozzle 29 is provided with a filter 31 which retains solid foreign bodies possibly driven by the coolant stream 26.
Le fluide refroidissant 26 est constitué par un liquide identique à celui véhiculé par la pompe 2. The cooling fluid 26 consists of a liquid identical to that conveyed by the pump 2.
Dans l'exemple illustré le fluide refroidissent 26 est de l'eau qui est également un fluide véhiculé par la pompe 2 entrainée par le moteur électrique 1. A cet effet la buse d'entrée 29 du serpentin 27 est branchée A une source d'eau non représentée tandis que la buse de sortie 30 est reliée à l'entrée de la pompe 2. In the example illustrated the fluid cool 26 is water which is also a fluid conveyed by the pump 2 driven by the electric motor 1. For this purpose the inlet nozzle 29 of the coil 27 is connected to a source of water not shown while the outlet nozzle 30 is connected to the inlet of the pump 2.
Dans l'exemple illustré, le carter 15 du moteur électrique 1 comprend un dispositif purgeur d'air 33 et une ouverture 34 de remplissage en liquide de refroidissement 23, fermé par un dispositif 35 qui sert à la fois de couvercle et de moyen de contrôle de niveau de liquide à l'intérieur de ce carter 15. In the example illustrated, the casing 15 of the electric motor 1 comprises an air vent device 33 and an opening 34 for filling with coolant 23, closed by a device 35 which serves both as a cover and as a means of control. liquid level inside this casing 15.
Un joint d'étanchéité au liquide 36 est monté dans le moyeu 6 du corps 3 du moteur 1, entre les deux roulements ou paliers 7 et 8, pour Isoler les enceintes du moteur électrique 1 et de la pompe 2 et empêcher entre le moteur 1 et la pompe 2 toute fuite de liquide à travers ce moyeu 6. A liquid seal 36 is mounted in the hub 6 of the body 3 of the motor 1, between the two bearings or bearings 7 and 8, to isolate the enclosures of the electric motor 1 and of the pump 2 and prevent between the motor 1 and the pump 2 any leakage of liquid through this hub 6.
Pour éviter des problèmes découlant d'une condensation de la vapeur d'eau à l'intérieur du carter 15, le moteur électrique 1 est construit de manière à avoir une enceinte étanche à l'air et au liquide. L'air peut alors être évacué de cette enceinte et le carter 15 peut être rempli, au-dessus de la réserve 17 de liquide de refroidissement 23, d'un gaz neutre tel que l'azote. To avoid problems arising from condensation of the water vapor inside the casing 15, the electric motor 1 is constructed so as to have an airtight and liquid tight enclosure. The air can then be evacuated from this enclosure and the casing 15 can be filled, above the reserve 17 of coolant 23, with a neutral gas such as nitrogen.
Selon une variante de réalisation non représentée, l'arbre 9 du rotor 10 est supporté d'une part par un premier roulement ou palier monté dans le moyen 6 du corps 3 comme celui indiqué en 7 dans l'exemple illustré et d'autre part par un deuxième roulement ou palier maintenu en position par un fond 40 du carter 15. According to a variant embodiment not shown, the shaft 9 of the rotor 10 is supported on the one hand by a first bearing or bearing mounted in the means 6 of the body 3 as that indicated at 7 in the example illustrated and on the other hand by a second bearing or bearing held in position by a bottom 40 of the casing 15.
Claims (10)
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Family Applications (1)
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