WO2020193297A1 - Rotor de machine electrique avec moyen de ventilation axialo-centrifuge - Google Patents

Rotor de machine electrique avec moyen de ventilation axialo-centrifuge Download PDF

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WO2020193297A1
WO2020193297A1 PCT/EP2020/057389 EP2020057389W WO2020193297A1 WO 2020193297 A1 WO2020193297 A1 WO 2020193297A1 EP 2020057389 W EP2020057389 W EP 2020057389W WO 2020193297 A1 WO2020193297 A1 WO 2020193297A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
rotor
annular plate
fins
openings
ventilation means
Prior art date
Application number
PCT/EP2020/057389
Other languages
English (en)
Inventor
Thomas VALIN
Benjamin GAUSSENS
Abdenour ABDELLI
Baptiste CHAREYRON
Wissam DIB
Original Assignee
IFP Energies Nouvelles
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by IFP Energies Nouvelles filed Critical IFP Energies Nouvelles
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Classifications

    • 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 the field of rotating electrical machines, in particular the cooling of rotating electrical machines.
  • It relates more particularly to the cooling, in particular by air, of a synchronous-reluctant rotating electrical machine, assisted or not by permanent magnets.
  • a rotating electrical machine conventionally comprises a fixed part, the stator, and a rotating part, the rotor, arranged coaxially one inside the other.
  • the rotor is generally housed inside the stator which carries electrical windings generating a magnetic field making it possible to drive the rotor in rotation.
  • the rotor is typically formed from a body formed from a stack of sheets, and placed on a rotating shaft. These sheets include housings for permanent magnets or coils forming magnetic poles at the periphery of the rotor. The magnets can appear on the surface of the rotor or be completely integrated within the rotor.
  • air cooling is an economically advantageous solution, compared to other cooling systems, it generally has lower efficiency, and is therefore often confined to the cooling of low-power electrical machines. This is the case, for example, in traction applications where air cooling is typically used for electric motors with a power close to 140 kW. Beyond that, a liquid cooling system is often used.
  • the object of the present invention is to improve the air cooling performance of electric machines, and more particularly of the rotor of electric machines, and thus improve the performance of the electric machine, its efficiency and its life.
  • the present invention is particularly suitable for synchro-reluctant machines, in particular assisted by permanent magnets.
  • synchronous-reluctant machine is meant a synchronous machine with variable reluctance (also called machine with synchronous variable reluctance).
  • the rotor generally comprises permanent magnets housed close to the flux barriers carried by this rotor, these flux barriers typically being empty spaces.
  • the rotor body includes recesses serving as flux barriers and housings for the permanent magnets.
  • synchro-reluctant machine assisted by permanent magnets we also speak of a synchro-reluctant machine assisted by permanent magnets.
  • the invention relates to an electric machine rotor comprising a rotor body fixed to a rotating shaft.
  • the rotor includes a fluid ventilation means positioned at a end of the rotor body and attached to the rotor body.
  • the ventilation means comprises an annular plate with openings for the passage of fluid into the rotor.
  • the first fins are positioned on at least a portion of the periphery of the openings of the annular plate and extend from the outside diameter of the annular plate following the periphery of the openings to a portion of the periphery of diameter substantially equal to the inside diameter of the perimeter.
  • the invention also relates to an electric machine, in particular a synchro-reluctant electric machine comprising such a rotor.
  • the invention relates to a rotor for a rotating electrical machine comprising a rotor body fixed to a rotating shaft, said rotor comprising at least one fluid ventilation means positioned at one end of said rotor body and fixed to said rotor body, said means ventilation unit comprising an annular plate, said annular plate comprising openings for the passage of said fluid into said rotor.
  • said first fins are positioned on at least a portion of the perimeter of said openings of said annular plate, said first fins extending from the outer diameter of said annular plate following the perimeter of said openings to a portion of said perimeter of said annular plate. diameter substantially equal to the internal diameter of said periphery.
  • said ventilation means at each end of the rotor are symmetrical with respect to the median plane of said rotor
  • said ventilation means at each end of the rotor are out of phase with each other.
  • said third fins are regularly spaced on the periphery of said ventilation means.
  • said rotor body comprises at least one permanent magnet and at least one recess forming a flow barrier.
  • said annular plate covers said at least one permanent magnet.
  • said openings of said annular plate have the shape of a substantially "U", of a "V” or of a substantially triangular shape.
  • the flow barriers are twisted along said axis of rotation of said rotor.
  • the invention also relates to an electric machine, in particular a synchronous reluctant machine, comprising a stator and a rotor according to one of the preceding characteristics, said electric machine comprising at least one pair of magnetic poles.
  • the number of openings of said annular plate corresponds to the number of magnetic poles of said electrical machine.
  • Figure 1 shows a first embodiment of an annular rotor plate according to the invention.
  • Figure 3 shows an axial section of an embodiment of a third fin according to the invention.
  • Figure 4 shows a third embodiment of an annular rotor plate according to the invention.
  • Figure 5 shows a fourth embodiment of an annular rotor plate according to the invention.
  • FIG. 6 represents a fifth embodiment of an annular rotor plate according to the invention.
  • FIG. 7 represents a first embodiment of the assembly of the rotor body with the annular plate according to the invention.
  • Figure 8 shows a rotor having longitudinal direction flow barriers according to the invention.
  • the invention relates to a rotor for a rotating electrical machine comprising a rotor body fixed to a rotating shaft.
  • the rotor has a cylindrical outer shape in order to rotate in the stator of an electrical machine.
  • the rotor includes fluid ventilation means positioned at a longitudinal end of the rotor body and attached to the rotor body at that longitudinal end.
  • the ventilation means preferably also have a substantially cylindrical outer shape, in the extension of the rotor body. The outside diameter of the rotor body is then equal or substantially equal to the diameter of the ventilation means.
  • the ventilation means can be juxtaposed with the rotor so as to introduce the fluid (for example air) towards the inside of the rotor body or, on the contrary, to evacuate the air leaving the rotor body towards the outside, by limiting pressure drops and bringing the fluid to the lowest possible temperature.
  • the fluid is for example captured from the environment outside the electric machine or discharged to the outside of the electric machine.
  • the ventilation means comprises an annular plate, the central opening of which allows the passage of the rotor shaft.
  • the annular plate can be fixed to the rotor shaft, by any known means.
  • This annular plate has openings (separate from the central orifice) allowing the passage of fluid, through the annular plate, to introduce it into the rotor or to discharge it from the rotor.
  • the realization of the ventilation means is simple.
  • the openings can be positioned near the periphery of the annular plate.
  • the annular plate can include a plurality of openings regularly distributed around the circumference of the annular plate.
  • the ventilation means further comprises first fins positioned on at least part of the periphery (periphery) of the openings, following at least part of the periphery of the openings of the annular plate, up to a portion of the periphery whose diameter is substantially equal to the smallest diameter of said periphery.
  • the diameter of the portion of the perimeter is the radial distance between the axis of the rotor and the periphery of the opening.
  • a first end of the first fins is directed towards the center of the rotor.
  • the first fins project from the annular plate in the axial direction of the rotor. According to one implementation of the invention, the first fins can open out onto the periphery of the annular plate.
  • the first fins can extend from the periphery of the annular plate towards the most radial point of the openings.
  • the first fins can continue to a point on the perimeter of the openings having the lowest radial position of the points on the perimeter.
  • these first fins make it possible to create a compression or a depression of the fluid, when the rotor is rotating and thus allow the fluid, captured from the outside and thus arriving in the rotor in a substantially radial direction, to enter the body. of the rotor, in a substantially axial direction.
  • the position of the fins on one side or the other of the openings depends on the direction of rotation of the rotor.
  • the rotor body is preferably formed from a stack of sheets, and placed on a rotating shaft. These sheets include housings for permanent magnets. Alternatively, these sheets can comprise coils forming magnetic poles at the periphery of the rotor body. The magnets can appear on the surface of the rotor body or be completely integrated within the rotor body.
  • a ventilation means can be positioned at each longitudinal end of the rotor, by juxtaposing each end of the rotor body.
  • the annular plate openings may have the shape of a substantially "U", of a "V” or of a substantially triangular shape, or any similar shape.
  • U shape is understood to mean a shape delimited by two substantially parallel lines joined together by a connecting arc, the arc possibly being straight or curvilinear, the U being open towards the periphery of the annular plate.
  • V shape is understood to mean a shape delimited by two lines forming an acute angle between them and connected to each other by an arc which may be straight or curvilinear, the V being open towards the periphery of the annular plate.
  • substantially triangular shape is meant a shape delimited by two lines forming an acute angle between them and continuing to their point of intersection.
  • the openings may substantially have a V-shape with a flat bottom, open towards the periphery of the rotor.
  • the flat bottom corresponds to the portion of the periphery, the diameter of which is substantially equal to the smallest diameter of said periphery.
  • the periphery of the openings can have a substantially radial axis of symmetry.
  • the making of the openings and that of the rotor are simplified and in particular allow openings adapted to the flow barriers of the rotor.
  • the ventilation means may include openings with a portion curved with respect to the radial direction of the rotor, the first fins then following this curved portion.
  • the openings can be delimited by a portion of a circle substantially equal to that of the outside diameter of the annular plate, by two intermediate portions starting from the portion of a circle 7 substantially equal to the outside diameter of the annular plate.
  • the two intermediate portions extend inwardly of the annular plate and are connected by a junction portion.
  • the two intermediate portions can be radial or can be curved with respect to the radial direction, for example inclined with respect to the radial direction.
  • the junction portion corresponds to the portion of the periphery of smaller diameter of the openings. This diameter substantially corresponds to the internal diameter of the openings.
  • the junction portion may be curved or an assembly of one or more segments.
  • the first fins follow the curved portion from the point furthest from the axis of rotation (that which is on the largest diameter) to the point of the opening which is positioned closest to the axis. of rotation (the one on the smallest diameter).
  • the curvature of the first fins is preferably in the opposite direction to the direction of rotation of the rotor.
  • the curvature of the first fins is preferably in the same direction as the direction of rotation of the rotor.
  • the first fins may include at their axial end a portion for guiding the fluid from the radial direction towards the circumferential direction of the rotor or vice versa, so as to create a “spoon” or “chistera” shape, so as to more effectively guide the fluid arriving from the outside towards the rotor body or on the contrary to guide the air of the rotor towards the outside more efficiently.
  • the "chistera” shape is a long, narrow, curved shape that resembles that of a slightly curved gutter.
  • the end of the guide portion of the first fins may have a radial or substantially radial direction to facilitate the introduction of fluid into the rotor or its discharge from the rotor.
  • the shape of the first fins can thus be likened to a "spoon” or a "chistera”.
  • the ventilation means may also include second fins extending in the radial direction of the rotor, preferably from the periphery of the annular plate and up to the portion of the periphery whose diameter is substantially equal to the smallest diameter. of said periphery.
  • the second fins protrude from the annular plate in the axial direction of the rotor.
  • These second fins can be used in combination with the first fins.
  • the second fins make it possible in particular to increase the heat exchange surface and thus improve the cooling of the rotor and of the electrical machine.
  • these second radial fins are positioned in the middle of the openings. The openings are then advantageously positioned substantially opposite the flow barriers of the rotor, on either side of the permanent magnets.
  • the ventilation means may include third fins extending axially from the periphery of the annular plate, preferably up to a crown.
  • the third fins protrude from the annular plate in the axial direction of the rotor and are located at the periphery of the annular plate, which may have a crown.
  • the third fins can be oriented substantially circumferentially. These third fins are positioned at the periphery of the annular plate in order to create a centrifugal effect allowing the radial introduction of the fluid into the rotor or its radial evacuation.
  • the third fins can be evenly spaced around the periphery of the ventilation means so that the introduction of air into the rotor is evenly distributed.
  • the circumferential distribution of the third fins thus improves the performance of the rotor and of the electrical machine.
  • the body of the rotor can comprise at least one permanent magnet and at least one recess forming a flux barrier.
  • a recess can be positioned on either side of the housing of the permanent magnet.
  • the permanent magnet can be positioned in a circumferential housing within the rotor body.
  • the annular plate can cover at least one permanent magnet.
  • the areas of the annular plate located between the openings cover at least one permanent magnet.
  • at least one opening of the annular plate is positioned opposite the recesses forming flow barriers.
  • the flow barriers can be twisted along the axis of rotation of the rotor. They then do not extend in an axial direction but in a direction inclined relative to the radial direction, thus inducing a twisted shape in the recesses.
  • This twisted shape allows better cooling when the rotor is rotating, while the non-twisted shape allows a simpler realization of the rotor.
  • the twisted shape is produced by a slight angular offset between each stack of sheets (called stacked “stack”), each stack consisting of non-twisted sheets, forming the body of the rotor.
  • stacking of the recesses does not form an opening purely axial, but an opening slightly twisted along the longitudinal axis of the machine.
  • the circulation of fluid in the rotor body is improved when the rotor is rotating.
  • the invention also relates to an electric machine comprising a stator and a rotor according to one of the preceding characteristics.
  • the machine includes at least one pair of magnetic poles.
  • the electrical machine may preferably be a synchronous reluctance machine.
  • the flow barriers can be used for the passage of the fluid thus making it possible to cool the machine, improving its performance and its lifespan.
  • the number of magnetic poles can be between 2 and 12.
  • the number of flux barriers of each magnetic pole can be between 2 and 6. This configuration allows a good compromise between the magnetic performances and those of cooling of the electric machine.
  • the number of openings of the annular plate corresponds to the number of magnetic poles of the electrical machine.
  • each opening of the annular plate is used for the passage of fluid to the flow barriers between two consecutive magnetic poles of the electrical machine (or vice versa from the flow barriers to the opening of the annular plate).
  • fluid circulation is optimal between the ventilation means and the body of the rotor.
  • FIG. 1 schematically and in a non-limiting way, shows a first means of making a ventilation means 1 for an electric machine rotor according to the invention.
  • This ventilation means 1 comprises an annular plate 2, comprising an internal bore 3 concentric with the external diameter of the annular plate 2.
  • the internal bore 3 is used in particular for the passage of a rotation shaft (not shown).
  • the annular plate 2 may include a reinforcement zone 6, such as for example, a substantially tubular part, which forms a protuberance from the annular plate 2, in the longitudinal direction opposite to the rotor body.
  • longitudinal or axial direction is meant the direction formed by the axis of the annular plate, which also corresponds to the axis of the rotor and that of the electric machine.
  • the substantially tubular part has an internal diameter corresponding to that of the annular plate and may have a constant or slightly variable external diameter so as to ensure a progressive variation of this diameter from the junction of this reinforcing zone 6 with the annular plate 2.
  • This reinforcement zone 6 can for example be welded to the annular plate 2. Alternatively, it can be machined in the mass with the annular plate 2.
  • the annular plate 2 has openings 5 (here six openings for example for six of the poles of the electric machine).
  • the openings 5 are positioned in the part of the annular plate 2 located near the outside diameter of the annular plate 2. Thus, they can be delimited by a portion of a circle 7 of diameter equal to or slightly smaller than that of the outside diameter of the ring.
  • annular plate 2 by two radial or substantially radial portions 8 and 8 'starting from the circle portion 7 and extending towards the interior of the annular plate 2, and finally by a junction portion 9 between the two substantially radial portions .
  • Portions 8 and 8 ’ may be curved with respect to the radial direction, for example inclined with respect to the radial direction.
  • the junction portion 9 corresponds to the portion of the periphery of smaller diameter of the openings 5. This diameter corresponds substantially to the internal diameter of the openings 5.
  • the junction portion 9 can be curved or an assembly of one or more segments.
  • all the openings 5 have the same opening section, so as to distribute the fluid evenly in the rotor.
  • the periphery of the openings 5 preferably has a substantially radial axis of symmetry.
  • the annular plate 2 comprises first fins 4 (here six first fins). Each of these first fins 4 is positioned on a peripheral portion of the openings 5, for example on one of the two radial portions 8 and on a part of the junction portion 9. Thus, the first fins 4 rise from the annular plate 2. in the axial direction opposite to the rotor body.
  • the first fins 4 start from the outside diameter of the annular plate 4 following the periphery of the openings 5 in direction 8, then extend, via a connection zone 10, preferably curved, to end with a portion 1 1 corresponding to the portion of the periphery of the openings substantially equal to the internal diameter of the openings. This portion 1 1 can be substantially centrifugal.
  • FIG. 2 schematically and nonlimitingly illustrates a second embodiment of a rotor ventilation means according to the invention.
  • Figure 1 It differs from Figure 1 in that it further comprises third fins 12, located on the periphery of the annular plate 2. These third fins are regularly distributed over the periphery of the annular plate 2 and extend into the axial direction opposite to the rotor body. A ring, not shown, can connect the end of the third fins, so as to stiffen the assembly and to avoid possible modes of vibration.
  • FIG. 3 is a diagrammatic and nonlimiting illustration of a longitudinal section S of the third fins 12, located near the outside diameter D of the annular plate.
  • This longitudinal section S is profiled, for example, by a wing profile of the NACA or other type known to those skilled in the art, or a "drop of water” profile so as to induce a centrifugal effect of the fluid.
  • the chord of this section S forms a direction AA, forming an angle ⁇ , preferably non-zero, with the centrifugal direction BB.
  • Figure 4 illustrates schematically and without limitation, a third embodiment of the ventilation means according to the invention.
  • Figure 4 differs from Figure 1 by the fact that the first fins are not all positioned in the same portion of the openings 5.
  • the annular plate 2 has three first fins, called compression fins 4 ', positioned identical to that of Figure 1. They are used to generate compression.
  • the annular plate 2 has three other first fins, called vacuum fins 4 ", positioned on the portion of the opening 5 symmetrical to that where the compression fins are positioned.
  • the fins 4 "and the fins 4" are advantageously symmetrical to each other with respect to a radial plane separating the two fins.
  • FIG. 5 schematically and nonlimitingly illustrates a fourth embodiment of the ventilation means according to the invention. It differs from FIG. 1 in that second fins, called “radial fins” are also used. Unlike the first fins 4, these radial fins 15, which extend into the axial direction opposite to that of the rotor body, follow a purely radial direction, starting from the outside diameter of the annular plate 2 towards the inside of the annular plate 2. The radial length of the radial fins do not exceed the radial length of the openings 5 The axial length of the radial fins 15 is less than that of the first fins 4. These radial fins 15 make it possible to increase the heat exchange surface and thus improve the cooling of the rotor and, where appropriate, of the machine.
  • these second fins 15 are positioned on the axis of symmetry of the openings so as to improve the thermal cooling of the rotor.
  • FIG. 6 schematically and nonlimitingly illustrates a fifth embodiment of the ventilation means according to the invention. It differs from FIG. 4 by the shape of the first fins 4a and 4b called respectively compression and vacuum fins.
  • the fins 4a and 4b of Figure 6 are erected from the annular plate 2 first in a first direction axial 20, composed of a part 20a following the portion of the periphery corresponding to the internal portion of the openings, for example substantially centrifugal and of a part 20b for example of a direction which is substantially radial or slightly inclined with respect to the radial direction, then in a connection zone and finally according to an external zone 22, of radial direction in zone 22a and of centrifugal direction in zone 22b.
  • the outer zone 22 of the first fins 4a and 4b tends to partially cover the openings 5.
  • the shape of these fins may resemble a “spoon” or a “chistera”, a particularly advantageous shape for guiding the fluid towards the edges. openings and therefore towards the rotor or on the contrary from the rotor towards the outside.
  • FIG. 7 illustrates, in a schematic and non-limiting manner, a rotor according to the invention.
  • the rotor 100 comprises a rotor body 200 and a ventilation means 1 corresponding to that of FIG. 1.
  • the ventilation means could alternatively be that of FIGS. 2, 4, 5 or 6 (or a combination of the characteristics illustrated in these figures. ).
  • the rotor body 200 is formed by a stack of sheets. These sheets include housings for the placement of permanent magnets or coils forming magnetic poles at the periphery of the rotor body 200. The magnets can appear on the surface of the rotor body or be completely integrated within the body of the rotor. rotor.
  • the rotor body comprises recesses 50 forming flow barriers.
  • the openings 5 of the annular plate 2 of the ventilation means are positioned opposite the recesses 50, which serve for the passage of the fluid in the rotor. Thus, the cooling of the rotor and the electric machine is optimal.
  • the annular plate 2 covers the permanent magnets.
  • the closed zones 60 located between the openings 5 are positioned opposite the permanent magnets.
  • the openings 5 have the shape substantially of a "V", with two slightly inclined peripheral portions 51 and 51 'with respect to the radial direction and a junction portion 9.
  • the openings 5 could have the shape substantially of. a "U” for which the portions 51 and 51 'would be substantially parallel.
  • the openings 5 could have a triangular shape for which the inclined portions 51 and 51 ’intersect. Thus, there is no junction portion 9 or there is a reduced portion 9.
  • This embodiment is particularly suitable for a synchro-reluctant machine, comprising a stator and a rotor 100 according to one of the preceding characteristics, the electrical machine comprising at least one pair of magnetic poles.
  • the recesses 50 serving as flow barriers then allow good cooling of the electrical machine.
  • the number of openings 5 of the annular plate 2 corresponds to the number of poles of the electrical machine.
  • FIG. 8 illustrates, in a schematic and non-limiting manner, a rotor of a synchronous machine whose recesses 50 forming the flow barriers extending in the axial direction of the rotor.
  • the recesses 50 are not twisted.
  • the rotor has six magnetic poles, each composed of three permanent magnets 70.
  • Each of the three magnets of each pole pair is positioned in a housing 80, extending in a direction perpendicular to the axis of symmetry d of the housing, l 'axis of symmetry being radial.
  • the three housings of the three magnets of the same pair of poles have the same axis of symmetry d.
  • each magnetic pole has six recesses.
  • Each of the recesses 50 follows a direction inclined relative to the radial direction.
  • the openings of the annular plate are preferably disposed opposite the recesses 50a, 50b, and 50c of a magnetic pole and the recesses 50a ’, 50b” and 50c ”of a second magnetic pole.
  • Figure 9 differs from Figure 8 in that the recesses, and therefore the flow barriers, are twisted. They do not extend in an axial direction but in a direction inclined relative to the radial direction, thus inducing a twisted shape in the recesses.
  • This twisted shape allows better cooling when the rotor is rotating, while the non-twisted shape of FIG. 8 allows a simpler embodiment of the rotor.
  • the twisted shape is produced by a slight angular offset between each stacked “stack” (stack) 300, a stacked stack being formed by a stack of untwisted sheet metal, forming the body of the rotor 200.
  • the stacking of the recesses 50 does not not form a purely axial opening.
  • the stacking of recesses creates surfaces 150 and 150 'inclined with respect to the axial direction.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Iron Core Of Rotating Electric Machines (AREA)
  • Motor Or Generator Cooling System (AREA)

Abstract

La présente invention concerne un rotor de machine électrique tournante, notamment pour machine synchro-réluctante. Le rotor comprend un moyen de ventilation (1) de fluide et un corps de rotor fixé à un arbre de rotation. De plus, le moyen de ventilation (1) est fixé au rotor et comprend une plaque annulaire (2) avec des ouvertures (5) pour le passage du fluide. La plaque annulaire (2) comprend en outre des ailettes (4) s'étendant depuis la périphérie du rotor vers l'arbre de rotation.

Description

ROTOR DE MACHINE ELECTRIQUE AVEC MOYEN DE VENTILATION AXIALO- CENTRIFUGE
Domaine technique
La présente invention concerne le domaine des machines électriques tournantes, en particulier le refroidissement de machines électriques tournantes.
Elle concerne plus particulièrement le refroidissement, notamment par air, d’une machine électrique tournante synchro-réluctante, assistée ou non d’aimants permanents.
Technique antérieure
Une machine électrique tournante comporte classiquement une partie fixe, le stator, et une partie mobile en rotation, le rotor, disposées coaxialement l'une dans l'autre. Le rotor est généralement logé à l'intérieur du stator qui porte des bobinages électriques générant un champ magnétique permettant d'entraîner en rotation le rotor. Le rotor est typiquement formé d'un corps formé d’un empilage de tôles, et placé sur un arbre de rotation. Ces tôles comprennent des logements pour des aimants permanents ou des bobines formant des pôles magnétiques à la périphérie du rotor. Les aimants peuvent apparaître à la surface du rotor ou être complètement intégrés au sein du rotor.
Les machines électriques s’échauffent du fait des pertes électromagnétiques (pertes par effet Joule et pertes fer) et mécaniques. Cet échauffement nuit à leur fonctionnement et conduit à la dégradation de leurs performances. Par exemple, si les aimants ne sont pas refroidis, le flux magnétique est moins intense, ce qui conduit à une perte de couple et donc une dégradation des performances de la machine électrique. Une démagnétisation irréversible des aimants peut se produire. Le bobinage est également sensible aux élévations de température : plus la température du bobinage est élevée, plus la conductivité électrique du cuivre et la durée de vie du bobinage sont réduites. La résistance du cuivre augmentant, il y a également une perte de rendement. Les divers composants électromagnétiques d’une machine électrique tournante, ainsi que certains matériaux isolants utilisés dans les pièces de la machines électrique, sont ainsi sensibles à réchauffement produit en fonctionnement, et leur refroidissement est indispensable pour dissiper la chaleur produite, afin de conserver un bon rendement de la machine, d’assurer une répétabilité de ses performances, d’allonger sa durée de vie et de limiter la maintenance. La recherche d’un refroidissement performant est donc une préoccupation majeure pour les fabricants et les intégrateurs de machines électriques tournantes.
Différents types de refroidissement existent, souvent adaptés à la puissance de la machine, parmi lesquels les systèmes de refroidissement par air, généralement d’efficacité moindre et agressifs pour l’intérieur du moteur, les systèmes de refroidissement par liquide, par exemple par eau, notamment utilisés dès que les pertes sont importantes comme dans le cas des moteurs de traction électriques, ou par huile. D’autres systèmes de refroidissement par hélium ou azote liquide peuvent être utilisés pour les machines électriques de centrales électriques. La demande de brevet (FR 3 057 719) décrit notamment un système de refroidissement pour une machine électrique.
Bien que le refroidissement par air constitue une solution intéressante économiquement, comparativement aux autres systèmes de refroidissement, il présente généralement une efficacité moindre, et est ainsi souvent cantonné au refroidissement de machines électriques peu puissantes. C’est le cas par exemple dans les applications de traction où le refroidissement par air est typiquement utilisé pour des moteurs électriques d’une puissance proche de 140 kW. Au-delà, un système de refroidissement par liquide est souvent mis en oeuvre.
La présente invention a pour objectif d’améliorer les performances de refroidissement par air des machines électriques, et plus particulièrement du rotor des machines électriques et permettre ainsi une amélioration des performances de la machine électrique, de son rendement et de sa durée de vie. La présente invention est particulièrement adaptée aux machines synchro-réluctantes, notamment assistée d’aimants permanents.
Par machine synchro-réluctante, on entend une machine synchrone à réluctance variable (également appelée machine à réluctance synchrone variable). Dans ce type de machines, le rotor comporte généralement des aimants permanents logés à proximité de barrières de flux portées par ce rotor, ces barrières de flux étant typiquement des espaces vides. En d’autres termes, le corps de rotor comprend des évidements servant de barrières de flux et des logements pour les aimants permanents. On parle aussi de machine synchro-réluctante assistée par des aimants permanents.
L’invention concerne un rotor de machine électrique comportant un corps de rotor fixé à un arbre de rotation. Le rotor comprend un moyen de ventilation de fluide positionné à une extrémité du corps de rotor et fixé au corps de rotor. De plus, le moyen de ventilation comprend une plaque annulaire avec des ouvertures pour le passage du fluide dans le rotor. Les premières ailettes sont positionnées sur au moins une partie du pourtour des ouvertures de la plaque annulaire et s’étendent depuis le diamètre extérieur de la plaque annulaire en suivant le pourtour des ouvertures jusqu’à une portion du pourtour de diamètre sensiblement égal au diamètre intérieur du pourtour.
L’invention concerne aussi une machine électrique, notamment une machine électrique synchro-réluctante comprenant un tel rotor.
Résumé de l’invention
L’invention concerne un rotor de machine électrique tournante comportant un corps de rotor fixé à un arbre de rotation, ledit rotor comprenant au moins un moyen de ventilation de fluide positionné à une extrémité dudit corps de rotor et fixé audit corps de rotor, ledit moyen de ventilation comprenant une plaque annulaire, ladite plaque annulaire comprenant des ouvertures pour le passage dudit fluide dans ledit rotor. De plus, lesdites premières ailettes sont positionnées sur au moins une partie du pourtour desdites ouvertures de ladite plaque annulaire, lesdites premières ailettes s’étendant depuis le diamètre extérieur de ladite plaque annulaire en suivant le pourtour desdites ouvertures jusqu’à une portion dudit pourtour de diamètre sensiblement égal au diamètre intérieur dudit pourtour.
De manière avantageuse, le rotor comprend un moyen de ventilation à chaque extrémité dudit rotor.
Selon une variante de l’invention, lesdits moyens de ventilation à chaque extrémité du rotor sont symétriques par rapport au plan médian dudit rotor
Selon un mode de réalisation, lesdits moyen de ventilation à chaque extrémité du rotor sont déphasés l’un par rapport à l’autre.
De manière avantageuse, ledit moyen de ventilation comporte desdites ouvertures avec une portion incurvée par rapport à la direction radiale dudit rotor, lesdites premières ailettes suivant ladite portion incurvée.
Préférentiellement, ledit moyen de ventilation comporte aussi des deuxièmes ailettes s’étendant dans la direction radiale dudit rotor.
Selon une mise en oeuvre de l’invention, ledit moyen de ventilation comporte des troisièmes ailettes s’étendant axialement depuis la périphérie de ladite plaque annulaire, de préférence jusqu’à une couronne.
Avantageusement, lesdites troisièmes ailettes sont régulièrement espacées sur la périphérie dudit moyen de ventilation. Selon une variante de l’invention, ledit corps du rotor comprend au moins un aimant permanent et au moins un évidement formant une barrière de flux.
De manière préférée, au moins une desdites ouvertures de ladite plaque annulaire est positionnée en face dudit au moins un évidement dudit corps du rotor.
Préférentiellement, ladite plaque annulaire recouvre ledit au moins un aimant permanent. Selon une mise en oeuvre avantageuse, lesdites ouvertures de ladite plaque annulaire ont la forme sensiblement d’un « U », d’un « V » ou d’une forme sensiblement triangulaire.
De manière avantageuse, les barrières de flux sont vrillées le long dudit axe de rotation dudit rotor.
L’invention concerne également une machine électrique, notamment machine synchro- réluctante, comportant un stator et un rotor selon l’une des caractéristiques précédentes, ladite machine électrique comprenant au moins une paire de pôles magnétiques.
Préférentiellement, le nombre d’ouvertures de ladite plaque annulaire correspond au nombre de pôles magnétiques de ladite machine électrique.
Liste des figures
D'autres caractéristiques et avantages du système selon l'invention, apparaîtront à la lecture de la description ci-après d'exemples non limitatifs de réalisations, en se référant aux figures annexées et décrites ci-après.
La figure 1 représente un premier mode de réalisation d’une plaque annulaire de rotor selon l’invention.
La figure 2 représente un deuxième mode de réalisation d’une plaque annulaire de rotor selon l’invention.
La figure 3 représente une coupe axiale d’un mode de réalisation d’une troisième ailette selon l’invention.
La figure 4 représente un troisième mode de réalisation d’une plaque annulaire de rotor selon l’invention.
La figure 5 représente un quatrième mode de réalisation d’une plaque annulaire de rotor selon l’invention.
La figure 6 représente un cinquième mode de réalisation d’une plaque annulaire de rotor selon l’invention. La figure 7 représente un premier mode de réalisation de l’assemblage du corps de rotor avec la plaque annulaire selon l’invention.
La figure 8 représente un rotor présentant des barrières de flux de direction longitudinale selon l’invention.
La figure 9 représente un rotor présentant des barrières de flux vrillée par rapport à a direction longitudinale selon l’invention.
Description des modes de réalisation
L’invention concerne un rotor de machine électrique tournante comportant un corps de rotor fixé à un arbre de rotation. De préférence, le rotor a une forme extérieure cylindrique afin de tourner dans le stator d’une machine électrique. Le rotor comprend un moyen de ventilation de fluide positionné à une extrémité longitudinale du corps de rotor et fixé au corps de rotor au niveau de cette extrémité longitudinale. Ainsi, le moyen de ventilation a de préférence également une forme extérieure sensiblement cylindrique, dans le prolongement du corps de rotor. Le diamètre extérieur du corps de rotor est alors égal ou sensiblement égal au diamètre du moyen de ventilation. Le moyen de ventilation peut être juxtaposé au rotor de manière à introduire le fluide (par exemple de l’air) vers l’intérieur du corps de rotor ou au contraire à évacuer l’air sortant du corps de rotor vers l’extérieur, en limitant les pertes de charges et apportant le fluide à la température la plus basse possible. Le fluide est par exemple capté depuis l’environnement extérieur de la machine électrique ou évacué vers l’extérieur de la machine électrique.
De plus, le moyen de ventilation comprend une plaque annulaire, dont l’orifice central permet le passage de l’arbre de rotor. De manière avantageuse, la plaque annulaire peut être fixée à l’arbre du rotor, par tout moyen connu. Cette plaque annulaire comprend des ouvertures (distinctes de l’orifice central) permettant le passage du fluide, à travers la plaque annulaire, pour l’introduire dans le rotor ou pour l’évacuer du rotor. Ainsi, la réalisation du moyen de ventilation est simple. De préférence, les ouvertures peuvent être positionnées à proximité de la périphérie de la plaque annulaire. Avantageusement, la plaque annulaire peut comprendre une pluralité d’ouvertures régulièrement réparties sur la circonférence de la plaque annulaire.
Le moyen de ventilation comprend en outre des premières ailettes positionnées sur au moins une partie du pourtour (périphérie) des ouvertures, en suivant au moins une partie du pourtour des ouvertures de la plaque annulaire, jusqu’à une portion du pourtour dont le diamètre est sensiblement égal au diamètre le plus faible dudit pourtour. Le diamètre de la portion du pourtour est la distance radiale entre l’axe du rotor et la périphérie de l’ouverture. Ainsi une première extrémité des premières ailettes est dirigée vers le centre du rotor. Les premières ailettes sont en saillie de la plaque annulaire dans la direction axiale du rotor. Conformément à une mise en oeuvre de l’invention, les premières ailettes peuvent déboucher sur la périphérie de la plaque annulaire. En d’autres termes, les premières ailettes peuvent s’étendre de la périphérie de la plaque annulaire vers le point le plus radiale des ouvertures. De préférence, les premières ailettes peuvent se poursuivre jusqu’à un point du pourtour des ouvertures ayant la position radiale la plus faible des points du pourtour. Ainsi, ces premières ailettes permettent de créer une compression ou une dépression du fluide, lorsque le rotor est en rotation et permettent ainsi au fluide, capté depuis l’extérieur et arrivant ainsi dans le rotor dans une direction sensiblement radiale, de pénétrer dans le corps du rotor, dans une direction sensiblement axiale. La position des ailettes d’un côté ou de l’autre des ouvertures dépend du sens de rotation du rotor.
Le corps de rotor est de préférence, formé d’un empilage de tôles, et placé sur un arbre de rotation. Ces tôles comprennent des logements pour des aimants permanents. Alternativement, ces tôles peuvent comprendre des bobines formant des pôles magnétiques à la périphérie du corps de rotor. Les aimants peuvent apparaître à la surface du corps de rotor ou être complètement intégrés au sein du corps de rotor.
Selon un mode de réalisation avantageux de l’invention, un moyen de ventilation peut être positionné à chaque extrémité longitudinale du rotor, en juxtaposant chaque extrémité du corps de rotor. Ainsi, la circulation du fluide dans le rotor est améliorée, l’un des deux moyens de ventilation facilitant ainsi l’introduction du fluide depuis l’extérieur vers le corps de rotor, l’autre moyen de ventilation facilitant l’évacuation du fluide du corps de rotor vers l’extérieur. De ce fait, le refroidissement est amélioré et les performances du rotor et de la machine électrique sont augmentées.
Selon une variante de l’invention, lorsqu’un moyen de ventilation est positionné à chaque extrémité longitudinale du corps de rotor, les deux moyens de ventilation peuvent être symétriques l’un par rapport à l’autre par rapport au plan médian du rotor. De préférence, ils peuvent aussi être déphasés pour assurer la compression d’un côté et la détente de l’autre. Le déphasage peut par exemple correspondre à un déphasage d’un pas polaire, le pas polaire étant défini par 360 n, n étant le nombre de pôles du rotor. Le plan médian du rotor est défini par le plan perpendiculaire à l’axe du rotor et positionné à la moitié de la longueur du corps de rotor. Cette variante permet de simplifier la conception et la fabrication des deux moyens de ventilation. Cela permet notamment de réduire le coût du produit (rotor et machine électrique), notamment lorsqu’il est réalisé en série. Selon un mode de réalisation avantageux de l’invention, les ouvertures de plaque annulaire peuvent avoir la forme sensiblement d’un « U », d’un « V » ou d’une forme sensiblement triangulaire, ou toute forme analogue. Par forme d’un « U », on entend une forme délimitée par deux lignes sensiblement parallèles et rejointes entre elles par un arc de liaison, l’arc pouvant être droit ou curviligne, le U étant ouvert vers la périphérie de la plaque annulaire. Par forme d’un « V », on entend une forme délimitée par deux lignes formant entre elles un angle aigu et reliée entre elles par un arc pouvant être droit ou curviligne, le V étant ouvert vers la périphérie de la plaque annulaire.
Par forme sensiblement triangulaire, on entend une forme délimitée par deux lignes formant entre elles un angle aigu et se poursuivant jusqu’à leur point de croisement.
Selon un aspect de l’invention (pouvant être combiné avec la variante décrite ci-dessus), les ouvertures peuvent sensiblement avoir une forme de V à fond plat, ouvert vers la périphérie du rotor. Pour cette réalisation, le fond plat correspond à la portion du pourtour dont le diamètre est sensiblement égal au diamètre le plus faible dudit pourtour.
Avantageusement, le pourtour des ouvertures peut avoir un axe de symétrie sensiblement radial. De ce fait, la réalisation des ouvertures et celle du rotor sont simplifiées et permettent notamment des ouvertures adaptées aux barrières de flux du rotor.
Selon un mode de réalisation de l’invention, le moyen de ventilation peut comporter des ouvertures avec une portion incurvée par rapport à la direction radiale du rotor, les premières ailettes suivant alors cette portion incurvée. Les ouvertures peuvent être délimitées par une portion de cercle sensiblement égal à celui du diamètre extérieur de la plaque annulaire, par deux portions intermédiaires partant de la portion de cercle 7 sensiblement égal au diamètre extérieur de la plaque annulaire. Les deux portions intermédiaires s’étendent vers l’intérieur de la plaque annulaire et sont reliées par une portion de jonction. Les deux portions intermédiaires peuvent être radiales ou peuvent être incurvées par rapport à la direction radiale, par exemple inclinée par rapport à la direction radiale. La portion de jonction correspond à la portion du pourtour de plus faible diamètre des ouvertures. Ce diamètre correspond sensiblement au diamètre intérieur des ouvertures. La portion de jonction peut être courbe ou un assemblage d’un ou plusieurs segments.
De préférence, les premières ailettes suivent la portion incurvée depuis le point le plus éloigné de l’axe de rotation (celui qui est sur le plus grand diamètre) jusqu’au point de l’ouverture qui est positionné le plus près de l’axe de rotation (celui qui est sur le plus petit diamètre).
Cette incurvation permet de créer une compression ou une dépression au sein du fluide pour faciliter l’introduction ou l’évacuation du fluide. Pour créer une compression, l’incurvation des premières ailettes est de préférence dans le sens opposé au sens de rotation du rotor. Pour créer une dépression, l’incurvation des premières ailettes est de préférence dans le même sens que le sens de rotation du rotor.
De préférence, les premières ailettes peuvent comporter à leur extrémité axiale une partie de guidage du fluide depuis la direction radiale vers la direction circonférentielle du rotor ou inversement, de manière à créer une forme de « cuillère » ou de « chistera », de manière à guider plus efficacement le fluide arrivant de l’extérieur vers le corps de rotor ou au contraire de guider l’air du rotor vers l’extérieur plus efficacement. La forme « chistera » est une forme longue et étroite et recourbée qui s’apparente à celle d’une gouttière légèrement recourbée. De préférence, l’extrémité de la partie de guidage des premières ailettes peut avoir une direction radiale ou sensiblement radiale pour faciliter l’introduction du fluide dans le rotor ou son évacuation du rotor. La forme des premières ailettes peut ainsi s’assimiler à une « cuillère » ou à une « chistera ».
Avantageusement, le moyen de ventilation peut également comporter des deuxièmes ailettes s’étendant dans la direction radiale du rotor, de préférence depuis la périphérie de la plaque annulaire et jusqu’à la portion du pourtour dont le diamètre est sensiblement égal au diamètre le plus faible dudit pourtour. Les deuxièmes ailettes sont en saillie de la plaque annulaire dans la direction axiale du rotor. Ces deuxièmes ailettes peuvent être utilisées en combinaison des premières ailettes. Les deuxièmes ailettes permettent notamment d’augmenter la surface d’échange thermique et ainsi d’améliorer le refroidissement du rotor et de la machine électrique. De préférence, ces deuxièmes ailettes radiales sont positionnées au milieu des ouvertures. Les ouvertures sont alors avantageusement positionnées sensiblement en face des barrières de flux du rotor, de part et d’autre des aimants permanents.
Selon un mode de réalisation de l’invention (pouvant être combiné avec le mode de réalisation avec les deuxièmes ailettes), le moyen de ventilation peut comporter des troisièmes ailettes s’étendant axialement depuis la périphérie de la plaque annulaire, de préférence jusqu’à une couronne. En d’autres termes, les troisièmes ailettes sont en saillie de la plaque annulaire dans la direction axiale du rotor et sont situés à la périphérie de la plaque annulaire, qui peut comporter une couronne. De préférence, les troisièmes ailettes peuvent être orientées sensiblement circonférentiellement. Ces troisièmes ailettes sont positionnées à la périphérie de la plaque annulaire afin de créer un effet centrifuge permettant l’introduction radiale du fluide dans le rotor ou son évacuation radiale. Lorsqu’elle est utilisée, la couronne a un diamètre extérieur égal ou sensiblement égal à celui de la plaque annulaire. La largeur de la couronne est légèrement supérieure à celle des troisièmes ailettes de manière à ce que les ailettes puissent être reliées sur toute leur surface à la couronne. De préférence, la largeur de la couronne n’est pas supérieure à cette valeur, de manière à ce qu’elle n’obture pas inutilement le passage du fluide. Cette couronne sert à relier entre elles les extrémités des troisièmes ailettes de manière à rigidifier la structure et à éviter toute vibration de ces troisièmes ailettes.
De préférence, les troisièmes ailettes peuvent être régulièrement espacées sur la périphérie du moyen de ventilation de manière à ce que l’introduction de l’air dans le rotor soit régulièrement répartie. La répartition circonférentielle des troisièmes ailettes permet ainsi une amélioration des performances du rotor et de la machine électrique.
De manière avantageuse, le corps du rotor peut comprendre au moins un aimant permanent et au moins un évidement formant une barrière de flux. Avantageusement, un évidement peut être positionné de part et d’autre du logement de l’aimant permanent. De préférence, l’aimant permanent peut être positionné dans un logement circonférentiel au sein du corps de rotor. Ainsi, le rotor est particulièrement adapté aux machines électriques synchro- réluctantes.
Selon un mode de réalisation préféré de l’invention, la plaque annulaire peut recouvrir au moins un aimant permanent. Ainsi, les zones de la plaque annulaires situées entre les ouvertures recouvrent au moins un aimant permanent. Avantageusement, au moins une ouverture de la plaque annulaire est positionnée en face des évidements formant des barrières de flux. Ainsi, le fluide peut facilement circuler des ouvertures de la plaque annulaire vers les évidements formant barrières de flux ou inversement, et cette circulation n’est pas assurée pour les aimants. De ce fait, les pertes de charges sont diminuées, le refroidissement du rotor est amélioré et les performances sont accrues.
Selon une variante de l’invention, les barrières de flux peuvent être vrillées le long de l’axe de rotation du rotor. Elles ne s’étendent alors pas suivant une direction axiale mais suivant une direction inclinée par rapport à la direction radiale, induisant ainsi une forme vrillée aux évidements. Cette forme vrillée permet un meilleur refroidissement lorsque le rotor est en rotation, alors que la forme non vrillée permet une réalisation plus simple du rotor.
La forme vrillée est réalisée par un léger décalage angulaire entre chaque empilement de tôles (appelé « stack » empilé), chaque empilement étant constitué de tôles non vrillées, formant le corps du rotor. Enfin, l’empilage des évidements ne forme pas une ouverture purement axiale, mais une ouverture légèrement vrillée selon l’axe longitudinal de la machine. Ainsi, la circulation du fluide dans le corps du rotor est améliorée lorsque le rotor est en rotation.
L’invention concerne également une machine électrique comportant un stator et un rotor selon l’une des caractéristiques précédentes. La machine comprend au moins une paire de pôles magnétiques.
De plus, la machine électrique peut de préférence être une machine synchro-réluctante. Ainsi, les barrières de flux peuvent être utilisées pour le passage du fluide permettant ainsi de refroidir la machine, améliorer ses performances et sa durée de vie.
De préférence, le nombre de pôles magnétiques peut être compris entre 2 et 12.
De manière avantageuse, le nombre de barrières de flux de chaque pôle magnétique peut être compris entre 2 et 6. Cette configuration permet un bon compromis entre les performances magnétiques et celles de refroidissement de la machine électrique.
Préférentiellement, le nombre d’ouvertures de la plaque annulaire correspond au nombre de pôles magnétique de la machine électrique. Ainsi, chaque ouverture de la plaque annulaire sert au passage du fluide vers les barrières de flux entre deux pôles magnétiques consécutifs de la machine électrique (ou inversement depuis les barrières de flux vers l’ouverture de la plaque annulaire). Ainsi, la circulation du fluide est optimale entre le moyen de ventilation et le corps du rotor.
La figure 1 représente, de manière schématique et non limitative, un premier moyen de réalisation d’un moyen de ventilation 1 de rotor de machine électrique selon l’invention. Ce moyen de ventilation 1 comprend une plaque annulaire 2, comportant un alésage intérieur 3 concentrique au diamètre extérieur de la plaque annulaire 2. L’alésage intérieur 3 sert notamment au passage d’un arbre de rotation (non représenté). De manière à assurer un bon guidage du moyen de ventilation 1 sur l’arbre de rotation, la plaque annulaire 2 peut comprendre une zone de renfort 6, comme par exemple, une partie sensiblement tubulaire, qui forme une excroissance depuis la plaque annulaire 2, dans la direction longitudinale opposée au corps du rotor. Par direction longitudinale ou axiale, on entend la direction formée par l’axe de la plaque annulaire, qui correspond également à l’axe du rotor et à celui de la machine électrique. La partie sensiblement tubulaire a un diamètre intérieur correspondant à celui de la plaque annulaire et peut avoir un diamètre extérieur constant ou légèrement variable de manière à assurer une variation progressive de ce diamètre depuis la jonction de cette zone de renfort 6 avec la plaque annulaire 2. Cette zone de renfort 6 peut par exemple être soudée à la plaque annulaire 2. Alternativement, elle peut être usinée dans la masse avec la plaque annulaire 2.
De plus, la plaque annulaire 2 comporte des ouvertures 5 (ici six ouvertures par exemple pour six de pôles de la machine électrique). Les ouvertures 5 sont positionnées dans la partie de la plaque annulaire 2 située à proximité du diamètre extérieur de la plaque annulaire 2. Ainsi, elles peuvent être délimitées par une portion de cercle 7 de diamètre égal ou légèrement inférieur à celui du diamètre extérieur de la plaque annulaire 2, par deux portions radiales ou sensiblement radiales 8 et 8’ partant de la portion de cercle 7 et s’étendant vers l’intérieur de la plaque annulaire 2, et enfin par une portion de jonction 9 entre les deux portions sensiblement radiales. Les portions 8 et 8’ peuvent être incurvées par rapport à la direction radiale, par exemple inclinée par rapport à la direction radiale. La portion de jonction 9 correspond à la portion du pourtour de plus faible diamètre des ouvertures 5. Ce diamètre correspond sensiblement au diamètre intérieur des ouvertures 5. La portion de jonction 9 peut être courbe ou un assemblage d’un ou plusieurs segments.
De préférence, toutes les ouvertures 5 ont la même section d’ouverture, de manière à répartir le fluide équitablement dans le rotor.
Le pourtour des ouvertures 5 a de préférence un axe de symétrie sensiblement radial. De ce fait, la réalisation des ouvertures et celle du rotor sont simplifiées et permettent notamment des ouvertures adaptées aux barrières de flux du rotor.
En outre, la plaque annulaire 2 comprend des premières ailettes 4 (ici six premières ailettes). Chacune de ces premières ailettes 4 est positionnée sur une portion périphérique des ouvertures 5, par exemple sur une des deux portions radiales 8 et sur une partie de la portion de jonction 9. Ainsi, les premières ailettes 4 s’élèvent de la plaque annulaire 2 dans la direction axiale opposée au corps du rotor. Les premières ailettes 4 partent du diamètre extérieur de la plaque annulaire 4 en suivant le pourtour des ouvertures 5 suivant la direction 8, puis se prolongent, via une zone de raccordement 10, de préférence courbe, pour se terminer par une portion 1 1 correspondant à la portion du pourtour des ouvertures sensiblement égal au diamètre intérieur des ouvertures. Cette portion 1 1 peut être sensiblement centrifuge. Lorsque les ouvertures 5 sont symétriques par rapport à un axe de symétrie sensiblement radial, la portion 1 1 s’arrête sensiblement au niveau de cet axe de symétrie des ouvertures. De cette manière, en fonction de la rotation du rotor, les premières ailettes 4 créent une zone de compression ou de dépression, facilitant l’entrée du fluide dans les ouvertures 5 ou au contraire facilitant sa sortie. Cette forme des premières ailettes 4 est particulièrement adaptée pour guider le fluide arrivant depuis le diamètre extérieur vers les ouvertures 5. Une première ailette est positionnée sur chacune des ouvertures et elles sont toutes positionnées sur la même portion des ouvertures de manière à ce que toutes les ouvertures équipées des premières ailettes soient identiques. La figure 2 illustre de manière schématique et non limitative un deuxième mode de réalisation d’un moyen de ventilation de rotor selon l’invention. Elle se distingue de la figure 1 en ce qu’elle comporte en outre des troisièmes ailettes 12, situées sur la périphérie de la plaque annulaire 2. Ces troisièmes ailettes sont régulièrement réparties sur la périphérie de la plaque annulaire 2 et s’étendent dans la direction axiale opposée au corps de rotor. Une couronne non représentée peut relier l’extrémité des troisièmes ailettes, de manière à rigidifier l’ensemble et à éviter les modes de vibration éventuels.
La figure 3 illustre de manière schématique et non limitative une section longitudinale S des troisièmes ailettes 12, située à proximité du diamètre extérieur D de la plaque annulaire. Cette section longitudinale S est profilée, par exemple, par un profil d’aile type NACA ou autres connu de l’homme du métier, ou un profil « goutte d’eau » de manière à induire un effet centrifuge du fluide. Pour cela, la corde de cette section S forme une direction AA, formant un angle a, de préférence non nul, avec la direction centrifuge BB.
La figure 4 illustre de manière schématique et non limitative, un troisième mode de réalisation du moyen de ventilation selon l’invention. La figure 4 se distingue de la figure 1 par le fait que les premières ailettes ne sont pas toutes positionnées dans la même portion des ouvertures 5. Ainsi, la plaque annulaire 2 dispose de trois premières ailettes, dites ailettes de compression 4’, positionnées de manière identique à celle de la figure 1. Elles servent à générer une compression. De plus, la plaque annulaire 2 dispose de trois autres premières ailettes, dites ailettes de dépression 4”, positionnées sur la portion de l’ouverture 5 symétrique à celle où sont positionnées les ailettes de compression. Les ailettes 4’ et les ailettes 4” sont avantageusement symétriques l’une de l’autre par rapport à un plan radial séparant les deux ailettes. Sur la circonférence de la plaque annulaire 2, on trouve alternativement une ailette de compression 4’ puis une ailette de dépression 4”. Ainsi, lorsque les ouvertures 5 sont situées au niveau de barrières de flux situées entre deux aimants du rotor, chaque aimant disposant d’une barrière de flux de chaque côté circonférentiel, l’une des deux barrières de flux sert à l’entrée du fluide et l’autre sert à la sortie du fluide. Les ailettes de compression et de dépression facilitent l’entrée et la sortie du fluide dans le rotor.
La figure 5 illustre de manière schématique et non limitative un quatrième mode de réalisation du moyen de ventilation selon l’invention. Elle se distingue de la figure 1 par le fait que des deuxièmes ailettes, dites « ailettes radiales » sont également utilisées. Contrairement aux premières ailettes 4, ces ailettes radiales 15, qui s’étendent dans la direction axiale opposée à celle du corps du rotor, suivent une direction purement radiale, partant du diamètre extérieur de la plaque annulaire 2 vers l’intérieur de la plaque annulaire 2. La longueur radiale des ailettes radiales ne dépassent pas la longueur radiale des ouvertures 5. La longueur axiale des ailettes radiales 15 est inférieure à celle des premières ailettes 4. Ces ailettes radiales 15 permettent d’augmenter la surface d’échange thermique et ainsi améliorer le refroidissement du rotor et le cas échéant de la machine.
De préférence, ces deuxièmes ailettes 15 sont positionnées sur l’axe de symétrie des ouvertures de manière à améliorer le refroidissement thermique du rotor.
La figure 6 illustre de manière schématique et non limitative un cinquième mode de réalisation du moyen de ventilation selon l’invention. Elle se distingue de la figure 4 par la forme des premières ailettes 4a et 4b dites respectivement ailettes de compression et de dépression. En effet, au lieu de s’ériger depuis la plaque annulaire 2 dans une direction strictement axiale comme sur la figure 4, les ailettes 4a et 4b de la figure 6, s’érigent depuis la plaque annulaire 2 d’abord selon une première direction axiale 20, composée d’une partie 20a suivant la portion du pourtour correspondant à la portion interne des ouvertures, par exemple sensiblement centrifuge et d’une partie 20b par exemple de direction sensiblement radiale ou légèrement inclinée par rapport à la direction radiale, puis dans une zone de raccordement et enfin selon une zone externe 22, de direction radiale dans la zone 22a et de direction centrifuge dans la zone 22b. La zone externe 22 des premières ailettes 4a et 4b tend à recouvrir partiellement les ouvertures 5. Ainsi, la forme de ces ailettes peut s’apparenter à une « cuillère » ou à une « chistera », forme particulièrement avantageuse pour guider le fluide vers les ouvertures et donc vers le rotor ou au contraire depuis le rotor vers l’extérieur.
La figure 7 illustre, de manière schématique et non limitative, un rotor selon l’invention. Le rotor 100 comprend un corps de rotor 200 et un moyen de ventilation 1 correspondant à celui de la figure 1. Le moyen de ventilation pourrait alternativement être celui des figures 2, 4, 5 ou 6 (ou une combinaison des caractéristiques illustrées sur ces figures).
Le corps de rotor 200 est constitué par un empilage de tôles. Ces tôles comprennent des logements pour la mise en place d’aimants permanents ou des bobines formant des pôles magnétiques à la périphérie du corps de rotor 200. Les aimants peuvent apparaître à la surface du corps de rotor ou être complètement intégrés au sein du corps de rotor.
Le corps de rotor comprend des évidements 50 formant des barrières de flux. Les ouvertures 5 de la plaque annulaire 2 du moyen de ventilation sont positionnées en face des évidements 50, qui servent au passage du fluide dans le rotor. Ainsi, le refroidissement du rotor et de la machine électrique est optimal. La plaque annulaire 2 recouvre les aimants permanents. Les zones fermées 60 situées entre les ouvertures 5 sont positionnées en face des aimants permanents.
Les ouvertures 5 ont la forme sensiblement d’un « V », avec deux portions de pourtour légèrement inclinées 51 et 51’ par rapport à la direction radiale et une portion de jonction 9. Alternativement, les ouvertures 5 pourraient avoir la forme sensiblement d’un « U » pour laquelle les portions 51 et 51’ seraient sensiblement parallèles. Selon une autre variante, les ouvertures 5 pourraient avoir une forme triangulaire pour laquelle les portions inclinées 51 et 51’ se recoupent. Ainsi, il n’existe pas de portion de jonction 9 ou une il existe une portion réduite 9.
Ce mode de réalisation est particulièrement adapté pour une machine synchro-réluctante, comportant un stator et un rotor 100 selon l’une des caractéristiques précédentes, la machine électrique comprenant au moins une paire de pôles magnétiques. Les évidements 50 servant de barrières de flux permettent alors un bon refroidissement de la machine électrique.
De préférence, le nombre d’ouvertures 5 de la plaque annulaire 2 correspond au nombre de pôles de la machine électrique.
La figure 8 illustre, de manière schématique et non limitative, un rotor de machine synchro- réluctante dont les évidements 50 formant les barrières de flux s’étendant dans la direction axiale du rotor. Ainsi, sur cette figure, les évidements 50 ne sont pas vrillés.
Le rotor dispose de six pôles magnétiques, composés chacun de trois aimants permanents 70. Chacun des trois aimants de chaque paire de pôle est positionné dans un logement 80, s’étendant dans une direction perpendiculaire à l’axe de symétrie d du logement, l’axe de symétrie étant radial. Les trois logements des trois aimants de la même paire de pôles ont le même axe de symétrie d.
De chaque côté des aimants permanents, des évidements 50 s’étendent depuis l’extrémité du logement 80 jusqu’à la périphérie du corps de rotor 200. Ainsi, chaque pôle magnétique dispose de six évidements. Chacun des évidements 50 suit une direction inclinée par rapport à la direction radiale. Les ouvertures de la plaque annulaire (non représentées) sont de préférence disposées en face des évidements 50a, 50b, et 50c d’un pôle magnétique et des évidements 50a’, 50b’ et 50c’ d’un deuxième pôle magnétique.
La figure 9 diffère de la figure 8 en ce que les évidements, et donc les barrières de flux, sont vrillés. Ils ne s’étendent pas suivant une direction axiale mais suivant une direction inclinée par rapport à la direction radiale, induisant ainsi une forme vrillée aux évidements. Cette forme vrillée permet un meilleur refroidissement lorsque le rotor est en rotation, alors que la forme non vrillée de la figure 8 permet une réalisation plus simple du rotor. La forme vrillée est réalisée par un léger décalage angulaire entre chaque « stack » empilé (empilement) 300, un stack empilé étant formé par un empilement de tôle non vrillée, formant le corps du rotor 200. Enfin, l’empilage des évidements 50 ne forme pas une ouverture purement axiale. L’empilement des évidements crée des surfaces 150 et 150’ inclinées par rapport à la direction axiale.

Claims

Revendications
1 . Rotor (100) de machine électrique tournante comportant un corps de rotor (200) fixé à un arbre de rotation, ledit rotor (100) comprenant au moins un moyen de ventilation (1 ) de fluide positionné à une extrémité dudit corps de rotor (200) et fixé audit corps de rotor (200), ledit moyen de ventilation (1 ) comprenant une plaque annulaire (2), ladite plaque annulaire (2) comprenant des ouvertures (5) pour le passage dudit fluide dans ledit rotor (100), caractérisé en ce que des premières ailettes (4, 4’, 4”, 4a, 4b) sont positionnées sur au moins une partie du pourtour desdites ouvertures (5) de ladite plaque annulaire (2), lesdites premières ailettes (4, 4’, 4”, 4a, 4b) s’étendant depuis le diamètre extérieur de ladite plaque annulaire (2) en suivant le pourtour desdites ouvertures (5) jusqu’à une portion dudit pourtour de diamètre sensiblement égal au diamètre intérieur dudit pourtour.
2. Rotor selon la revendication 1 , comprenant un moyen de ventilation (1 ) à chaque extrémité dudit rotor (100).
3. Rotor selon la revendication 2, pour lequel lesdits moyens de ventilation (1 ) à chaque extrémité dudit rotor (100) sont symétriques par rapport au plan médian dudit rotor (100)
4. Rotor selon la revendication 2, pour lequel lesdits moyen de ventilation (1 ) à chaque extrémité du rotor (100) sont déphasés l’un par rapport à l’autre.
5. Rotor selon l’une des revendications 1 à 4, pour lequel ledit moyen de ventilation (1 ) comporte desdites ouvertures (5) avec une portion incurvée par rapport à la direction radiale dudit rotor, lesdites premières ailettes (4, 4’, 4”, 4a, 4b) suivant ladite portion incurvée.
6. Rotor selon l’une des revendications précédentes, pour lequel ledit moyen de ventilation (1 ) comporte aussi des deuxièmes ailettes (15) s’étendant dans la direction radiale dudit rotor (100).
7. Rotor selon l’une des revendications précédentes, pour lequel ledit moyen de ventilation Ί ) comporte des troisièmes ailettes (12) s’étendant axialement depuis la périphérie de ladite plaque annulaire (2), de préférence jusqu’à une couronne.
8. Rotor selon la revendication 7, pour lequel lesdites troisièmes ailettes (12) sont régulièrement espacées sur la périphérie dudit moyen de ventilation (1 ).
9. Rotor selon l’une des revendications précédentes, pour lequel ledit corps du rotor (200) comprend au moins un aimant permanent et au moins un évidement (50) formant une barrière de flux.
10. Rotor selon la revendication 9, pour lequel au moins une desdites ouvertures (5) de ladite plaque annulaire (2) est positionnée en face dudit au moins un évidement (50) dudit corps du rotor (200).
1 1. Rotor selon l’une des revendications 9 ou 10, pour lequel ladite plaque annulaire (2) recouvre ledit au moins un aimant permanent.
12. Rotor selon l’une des revendications précédentes pour lequel lesdites ouvertures (5) de ladite plaque annulaire (2) ont la forme sensiblement d’un « U », d’un « V » (51 , 51’) ou d’une forme sensiblement triangulaire.
13. Rotor selon l’une des revendications 9 à 12, pour lequel les barrières de flux sont vrillées le long dudit axe de rotation dudit rotor (100).
14. Machine électrique, notamment machine synchro-réluctante, comportant un stator et un rotor (100) selon l’une des revendications précédentes, ladite machine électrique comprenant au moins une paire de pôles magnétiques.
15. Machine électrique selon la revendication 14, pour laquelle le nombre d’ouvertures de ladite plaque annulaire (2) correspond au nombre de pôles magnétiques de ladite machine électrique.
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