Ventilation et refroidissement des moteurs et générateurs larges

Les moteurs à large force motrice et les générateurs branchés au réseau électrique sont principalement triphasés. Quelques moteurs à courant continu se trouvent encore dans les anciens laminoirs et usines.

Refroidissement du stator

Les machines asynchrones et synchrones ont un stator construit de façon similaire. Un stator constitué de plaques laquées superposées comprend des rainures dans lesquelles repartis de façon régulière sur la circonférence sont placés des conducteurs de cuivre reliés entre eux en trois bobines, une pour chaque phase. Les parties des bobines émergeant du domaine ferreux sont connectées par l'intermédiaire d'un terminal de connections au réseau électrique. La totalité des bobines est isolée selon la tension et selon la classe d'isolation. Les bobines et leurs connections à l'extérieur du domaine ferreux du stator doivent être soutenues et parfaitement isolées les unes des autres. La géométrie résultante est d'un point de vue calcul CFD particulièrement compliquée.

 

Tête d'enroulement de stator à enroulement réparti

Refroidissement du rotor

Les machines asynchrones sont différenciées selon un rotor à cage d'écureuil ou bien un rotor à bague de frottement. Le rotor à cage d'écureuil est un type spécial de moteur asynchrones, pour lequel les rainures sont remplies de barres compactes de conducteur en cuivre ou en aluminium, qui sont reliées de chaque côté par des anneaux conducteurs, ce bobinage est parfois remplacé par des aimants permanents pour des petites et moyennes puissances.

Les rotors des machines synchrones sont excités par un courant continu, sauf s’ils utilisent des aimants permanents. Les machines synchrones à faible vitesse ont un rotor à pôles saillants, qui présentent des pôles nettement définis. Cette conception est particulièrement adaptée aux faibles vitesses de rotation et à un nombre élevé de paires de pôles. En revanche, les machines synchrones à grande vitesse ont un rotor lisse et cylindrique car ceux-ci résistent mieux aux vitesses de rotation élevées et aux forces centrifuges qui en résultent.
Les pôles des rotors à pôles saillants sont constitués de pôles individuels, clairement définis, avec un noyau magnétique et un enroulement de champ. À l’inverse, les rotors cylindriques sont principalement composés de paquets de tôles empilées avec des encoches groupées, dans lesquelles l’enroulement du rotor est disposé de manière à former des pôles nord et sud distincts.

Rotor de type turbo avec ventilateur radial fixé à l'axe (ancien modèle)

Ventilation interne et ventilation externe

Les machines de grande taille nécessitent un système de ventilation sophistiqué afin de répartir efficacement le fluide de refroidissement dans l’ensemble de la machine. On distingue principalement deux types de ventilation : - Ventilation externe : les ventilateurs sont entraînés par un moteur électrique séparé; - Ventilation interne : dans ce cas, des ventilateurs d’arbre assurent cette fonction, étant directement entraînés par l’arbre du rotor.
Une conception soignée des ventilateurs permet non seulement de réduire les coûts de fabrication, mais aussi de diminuer la consommation d’énergie et le niveau sonore pendant le fonctionnement.

Le fluide de refroidissement collecte les pertes et les transporte à l'extérieur de la machine, pour cela l'air est le plus souvent utilisé. Il est utilisé pour la plupart des moteurs électriques et pour les générateurs jusqu'à environ 270 MW. L'hydrogène atteint sous pression une bien meilleure capacité d'absorption de la chaleur; cependant à cause du danger de formation de gaz détonant il est nécessaire de l'enfermer hermétiquement dans un boîtier à l'épreuve de la pression ; seuls les larges générateurs sont refroidis à l'hydrogène. L'eau est le fluide de refroidissement le plus efficace, cependant il nécessite une installation compliquée et coûteuse ; seuls les stators des très larges générateurs sont refroidis avec de l'eau. L'huile est utilisée pour le refroidissement des larges transformateurs.

Schéma du refroidissement par air d'un générateur ALSTOM