EP4066357A1 - Machine a refroidissement par liquide - Google Patents

Machine a refroidissement par liquide

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Publication number
EP4066357A1
EP4066357A1 EP20824318.8A EP20824318A EP4066357A1 EP 4066357 A1 EP4066357 A1 EP 4066357A1 EP 20824318 A EP20824318 A EP 20824318A EP 4066357 A1 EP4066357 A1 EP 4066357A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
flange
rotor
machine according
outlets
channel
Prior art date
Legal status (The legal status 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 status listed.)
Pending
Application number
EP20824318.8A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Diana FANTUZ
Guillaume TARDY
Andrei DARABANA
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nidec PSA Emotors SAS
Original Assignee
Nidec PSA Emotors SAS
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 Nidec PSA Emotors SAS filed Critical Nidec PSA Emotors SAS
Publication of EP4066357A1 publication Critical patent/EP4066357A1/fr
Pending legal-status Critical Current

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    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K9/00—Arrangements for cooling or ventilating
    • H02K9/19—Arrangements for cooling or ventilating for machines with closed casing and closed-circuit cooling using a liquid cooling medium, e.g. oil
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    • H02K1/00—Details of the magnetic circuit
    • H02K1/06—Details of the magnetic circuit characterised by the shape, form or construction
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    • H02K1/22—Rotating parts of the magnetic circuit
    • H02K1/27—Rotor cores with permanent magnets
    • H02K1/2706—Inner rotors
    • H02K1/272—Inner rotors the magnetisation axis of the magnets being perpendicular to the rotor axis
    • H02K1/274—Inner rotors the magnetisation axis of the magnets being perpendicular to the rotor axis the rotor consisting of two or more circumferentially positioned magnets
    • H02K1/2753—Inner rotors the magnetisation axis of the magnets being perpendicular to the rotor axis the rotor consisting of two or more circumferentially positioned magnets the rotor consisting of magnets or groups of magnets arranged with alternating polarity
    • H02K1/276—Magnets embedded in the magnetic core, e.g. interior permanent magnets [IPM]
    • H02K1/2766—Magnets embedded in the magnetic core, e.g. interior permanent magnets [IPM] having a flux concentration effect
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    • H02K1/32—Rotating parts of the magnetic circuit with channels or ducts for flow of cooling medium
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    • H02K5/20—Casings or enclosures characterised by the shape, form or construction thereof with channels or ducts for flow of cooling medium
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    • H02K9/00—Arrangements for cooling or ventilating
    • H02K9/19—Arrangements for cooling or ventilating for machines with closed casing and closed-circuit cooling using a liquid cooling medium, e.g. oil
    • H02K9/20—Arrangements for cooling or ventilating for machines with closed casing and closed-circuit cooling using a liquid cooling medium, e.g. oil wherein the cooling medium vaporises within the machine casing

Definitions

  • the present invention relates to rotating electrical machines, and more particularly those cooled by a circulation of a liquid, in particular oil, circulating at least partially along the shaft of the machine.
  • the invention relates more particularly to synchronous or asynchronous machines with alternating current. It relates in particular to traction or propulsion machines for electric motor vehicles (Battery Electric Vehicle) and / or hybrids (Hybrid Electric Vehicle - Plug-in Hybrid Electric Vehicle), such as passenger cars, vans, trucks or buses.
  • the invention also applies to rotating electrical machines for industrial and / or energy production applications, in particular naval, aeronautical or wind turbines.
  • Application JP2003324901 describes a machine with a permanent magnet rotor in which the cooling liquid is supplied to the rotor by an axial channel, centered on the axis of rotation, circulates through radial channels to other channels extending axially. along the magnets to cool them. Liquid leaves the rotor at the end of these magnet cooling channels, to be sprayed onto stator coil heads.
  • the rotor has a particular arrangement, with a peripheral ring connecting in its middle to the shaft.
  • Application US2010 / 0194220 discloses another machine with liquid cooling, involving a circulation of liquid within the rotor to cool the magnets.
  • This application mentions a risk of the insulation of the coil heads being removed by the cooling liquid in the event of projection on the latter.
  • the rotor has end pieces attached to the package of rotor plates, together forming a passage for the liquid, this passage opening outwards through outlets located radially set back from the radially outer surface of the rotor.
  • Such an arrangement increases the number of constituent parts of the machine and complicates its production.
  • less cooling of the coil heads is penalizing in terms of performance thereof.
  • the invention aims to improve the cooling of electric machines cooled by circulating liquid.
  • a rotating liquid-cooled electrical machine comprising a rotor with permanent magnets and a wound stator, the rotor comprising: i. at least one package of rotor plates, ii. permanent magnets housed in said package of sheets, iii.
  • the machine comprising a passage for circulation of the cooling liquid formed at least partially in the thickness of the flange, this passage opening onto outlets arranged at its periphery, through which the liquid is projected onto the stator, each output being supplied by at least one respective supply channel and each output having a section offered to the flow of the liquid which is greater than that of at least a portion of said channel, located upstream.
  • the invention allows the stator to be cooled while limiting the force with which the coolant impacts the stator.
  • the enlarged section of the outlets prevents the formation of a strong jet directed towards the stator.
  • the manufacture of the machine remains simple, and the flanges can be made simply, if desired, in one piece.
  • the flange bears axially against said pack of rotor plates at one end.
  • outlets and the feed channels are formed recessed on a face of the flange facing said packet of rotor plates.
  • the feed channels are oriented radially.
  • the feed channels are preferably interconnected at a radially inner end by an annular recess. This recess can be used to collect the cooling fluid gaining the flange by circulating in a space formed between the shaft and the pack of sheets.
  • the machine preferably comprises at least one intermediate channel at least partially formed recessed on the flange, extending in the circumferential direction away from the radially inner and outer edges of the flange, supplied with cooling liquid.
  • the presence of one or more intermediate channels improves the cooling of the rotor and in particular that of the magnets.
  • the width of the intermediate channel may be less than 50% of the radius of the flange, better still less than 40%, better still less than 30%, still better less than 20%, for example of the order of 10% of the radius of the flange. Such a width makes it possible to have enough volume to allow the cooling liquid to pass while maintaining a certain pressure in order to ensure that the intermediate channel is sufficiently filled at all operating speeds.
  • the width of the intermediate channel is between 1 mm and 40 mm, better still between 2 mm and 30 mm, better still between 3 mm and 20 mm, for example of the order of 4 mm or of the order of 10 mm.
  • the intermediate channel can be placed at a distance greater than 2 mm, better still greater than 3 mm, for example of the order of 5 mm or of the order of 11 mm from the radially inner edge of the flange.
  • the intermediate channel can be arranged at a distance greater than 5 mm, better still greater than 10 mm, for example of the order of 12 mm or 14 mm from the radially outer edge of the flange.
  • the or each intermediate channel extends in a circle centered on the axis of rotation, and advantageously connects two adjacent supply channels.
  • the or each intermediate channel faces at least one recess of the package of rotor plates, this recess axially passing through at least part of the plates of the package of rotor plates. This allows an exchange of cooling fluid with the packet of rotor plates, the fluid being able to flow through the passage defined by the recesses of the pack and the intermediate channels.
  • the recess (s) are formed within at least one housing for receiving at least one permanent magnet, by the space left free by the magnet (s) in this housing.
  • the intermediate channel can face at least one housing for receiving at least one permanent magnet.
  • the supply channels have a flared shape opening onto said outlets.
  • the cross section of at least one feed channel can increase by a factor of at least 5 before reaching the corresponding output. This increase is preferably made between a junction zone with the intermediate channel or channels and the outlets.
  • the coolant supply is preferably from the rotor shaft.
  • the latter may thus comprise a shaft traversed over at least part of its length by an internal channel for supplying the cooling liquid. At least one axial channel for distributing coolant to the flange may be formed between the packet of rotor plates and the shaft, along the latter.
  • the outlets are oriented radially outwards.
  • the flange may include a peripheral recess connecting the outlets. This recess can be opened on the recesses of the package of rotor plates, and make it possible not to obstruct the exit of the cooling fluid circulating through these recesses.
  • the fluid can in particular enter the packet of rotor sheets through the recesses located opposite the intermediate channel (s), and exit the pack through the recesses located opposite the peripheral recess.
  • the flange is a foundry part, being in particular made of aluminum or an aluminum alloy.
  • the geometry of the flange, with the channels formed at the interface between the flange and the rotor plate pack, allows very simple manufacture without reworking or drilling. Materials other than aluminum can be used.
  • the subject of the invention is also a method for cooling a rotating electrical machine, in particular according to the first aspect of the invention defined above, in which the stator is sprayed, in particular on the heads of the coils thereof. , a cooling liquid from outlets arranged at the periphery of the rotor, these outlets being defined at least partially by a flange attached to a packet of rotor plates, the outlets being supplied with cooling liquid by supply channels having at least over a portion of their length a section smaller than that of the corresponding outlet.
  • the cooling liquid is circulated between the flange and the packet of rotor plates through one or more intermediate channels formed at least partially recessed on the flange, oriented circumferentially and located at a non-zero distance from the radially inner and outer edges. of the flange.
  • the cooling fluid is circulated axially within the package of rotor plates through recesses thereof opening onto the supply channels and / or the intermediate channel (s).
  • a liquid-cooled rotating electrical machine comprising a rotor with permanent magnets and a wound stator, the rotor comprising: i. at least one package of rotor plates, ii. permanent magnets housed in said package of sheets, iii.
  • the machine comprising a passage for circulation of the cooling liquid formed at least partially in the thickness of the flange, this passage opening onto outlets arranged at its periphery, through which the liquid is projected onto the stator, each output being supplied by at least one respective supply channel, at least one intermediate channel being at least partially formed recessed on the flange, extending in the circumferential direction at a distance from the radially inner and outer edges of the flange , and being supplied with coolant.
  • This intermediate channel improves the cooling of the rotor and in particular of the magnets, by allowing additional circulation of liquid near the magnets.
  • This second aspect of the invention is advantageously combined with the first, but has advantages regardless of the shape of the supply channels of the outlets.
  • the recess is preferably formed by cutting the sheets of the package to provide a housing for receiving at least one permanent magnet, and allows the fluid to circulate in contact with this magnet. This improves heat exchange with this magnet.
  • the recess may be formed by a portion of the housing for receiving the magnet, the shape of which is chosen to constitute an obstacle to the magnetic field lines connecting the opposite magnetic poles of the magnet or magnets received in this housing.
  • the recess communicates with at least one passage formed within the package between two subsets of sheets.
  • the recess can be traversed by an axial circulation of the cooling fluid.
  • FIG. 1 partially represents and diagrammatically, in longitudinal section, the rotor of a machine according to the invention
  • FIG. 2 represents a detail of the rotor of FIG. 1, a portion of the stator of the machine being represented schematically
  • FIG. 1 partially represents and diagrammatically, in longitudinal section, the rotor of a machine according to the invention
  • FIG. 2 represents a detail of the rotor of FIG. 1, a portion of the stator of the machine being represented schematically
  • FIG. 1 partially represents and diagrammatically, in longitudinal section, the rotor of a machine according to the invention
  • FIG. 2 represents a detail of the rotor of FIG. 1, a portion of the stator of the machine being represented schematically
  • FIG. 1 partially represents and diagrammatically, in longitudinal section, the rotor of a machine according to the invention
  • FIG. 2 represents a detail of the rotor of FIG. 1, a portion of the stator of the machine being represented schematically
  • FIG. 1 partially represents and diagrammatically, in longitudinal section,
  • Figure 3 represents in isolation, in view from the front, an end flange
  • Figure 4 shows the flange of Figure 3 in section along IV-IV
  • Figure 5 is a view similar to Figure 4
  • Figure 6 is a view illustrating the relative positioning of the housings for receiving the magnets of the sheet package and of the flange
  • Figure 7 shows in isolation, in perspective, a variant of the flange
  • Figure 8 is a front view of the flange of Figure 7
  • Figure 9 is a section along IX- IX of Figure 8
  • Figure 10 is a side view of the flange of Figure 7
  • Figure 11 is a sectional view along XI-XI of Figure 7
  • Figure 12 is a sectional view along XII-XII of Figure 7.
  • the electric machine according to the invention comprises a rotor 10 rotating inside a stator (not shown in this figure) about an axis of rotation X.
  • the stator 20, partially shown in FIG. 2 comprises a package 21 of stator sheets leaving notches for the electrical conductors of a winding. These conductors project axially from the bundle of sheets to form coil heads 22, also called chignons.
  • the rotor 10 comprises at least one package 11 of toric sheets carried by a shaft 40 which is guided by bearings 46.
  • the package 11 comprises, as can be seen in FIG. 6, housings 13 in which permanent magnets 14 are arranged.
  • the rotor 10 has two end flanges 30 disposed against the respective ends of the pack 11.
  • the two flanges 30 are identical in the example considered, and have on their face 31 facing the package 11 a set of recessed reliefs defining a passage 32 for circulating a cooling fluid.
  • the two flanges 30 are, for example, angularly offset by 45 ° with respect to each other, as illustrated.
  • This cooling fluid which is preferably an oil, is supplied through a central channel 41 of the shaft 40, which communicates with radial channels 42.
  • a space 16 is provided between the pack 11 and the shaft 40 to allow the circulation of the cooling fluid to the central region of the flanges 30.
  • the flange 30 has a central opening 33 for mounting on the shaft, bordered by an annular recess 39.
  • the flange 30 has radially oriented outlets 34 at its periphery, through which the cooling fluid is ejected towards the stator 20.
  • outlets 34 are supplied by respective supply channels 35, oriented radially in the example illustrated, and opening internally into the opening 33.
  • the flange 30 also has, on its face 31, intermediate channels 36, in the form of arcs of a circle centered on the axis of rotation X, which each connect two supply channels 35.
  • An annular recess 38 connects the outlets 34.
  • This recess 38 extends from the face 31 of the flange 30.
  • the flange 30 has four outlets 34, equally distributed around the axis of rotation X, four respective supply channels 35, and four intermediate channels 36, but the invention is not limited to this number. of outputs and channels.
  • the intermediate channels 36 preferably have, as illustrated, a semi-circular section, constant up to a zone 37 of junction with the supply channels 35, where the section widens.
  • the face 31 has, apart from the hollow reliefs described above, a flat surface perpendicular to the axis of rotation X.
  • the supply channels 35 have a flared shape in the direction of the corresponding outlets 34, as can be seen in Figures 3 and 4 in particular.
  • the section of the channel 35 widens to increase preferably by a factor of between 2 and 50 to the outlet 34.
  • the supply channel 35 may in particular, as illustrated in Figure 4, have a bottom which follows an inflected line, with a first portion 51 substantially rectilinear inclined at an angle between 1 and 10 ° with the plane of the face 31 , then a second more sloping portion 52 which has an inflection at 53 to orient itself, on its end portion 54, substantially parallel to a radius and to the plane of the face 31.
  • the width of the supply channel 35 is substantially constant over the portion 35a extending between the recess 39 and the junction zone 37, and increases over the portion 35b extending between this junction zone 37 and the corresponding outlet 34 , as illustrated in Figure 3.
  • the portion 35b can be delimited laterally by inflected lines 57, as visible in Figure 3.
  • the depth of the feed channel 35 at the outlet 34 is greater than that of the peripheral recess 38, as can be seen in FIG. 4.
  • the depth is also greater than that of the intermediate channels 36.
  • the depth of the annular recess 39 adjacent to the opening 33 is greater than that of the supply channels at the level of their connection to this recess 39.
  • the flanges 30 are preferably made by casting, in aluminum or an aluminum alloy.
  • the flanges 30 can be held against the package 11 by tie rods, not shown.
  • the intermediate channels 36 are located on the flange 30 so as to extend opposite recesses 16 defined by the housings 13 for receiving the magnets 14.
  • the peripheral recess 38 extends opposite recesses 17 formed by said housings 13.
  • the face 31 of the flange 30 covers the magnets 14 and thus contributes to their axial immobilization within the package 31.
  • the fluid entering the recess 39 is distributed into the supply channels 35 and guided to the outlets 34. Cooling fluid can also flow through the intermediate channels 36.
  • Axial circulation of fluid can take place within the rotor, in the passages defined by the recesses 16 and 17, which also helps to cool the magnets 14.
  • the fluid is ejected through the outlets 34 towards the coil heads 22 of the stator 20. Given the enlarged section of the outlets 34, the formation of fine jets under high pressure, the impact of which on the coil heads would be liable to be avoided. damage them.
  • the coolant sprayed on the stator can be collected and pumped outside the stator to be cooled before being reinjected by the hollow shaft 40.
  • Figures 7 to 12 show a variant of flange 30, which differs mainly from that previously described in that the supply channels 35 extend from a single intermediate channel 36, which is here defined by an annular groove of constant section.
  • Two diametrically opposed radial connection channels 70 connect the intermediate channel 36 to the annular recess 39 and thus allow the supply of fluid to the channels 35 and 36.
  • connection channels 70 are each located in the extension of a supply channel 35, as can be seen in Figure 8.
  • the change of section of the supply channel can be done over a distance of 8mm for example.
  • the invention is not limited to the examples which have just been described.
  • the rotor can be made with other coolant passages, for example oriented radially at about mid-length of the package 11.
  • the radial channels 42 can be positioned axially at mid-length of the package 11.
  • the passage 32 for circulation of the cooling fluid in the flange can no longer be created at the package / flange interface but entirely within the flange, for example directly in the middle of the flange.
  • the outlets 34 are made entirely in the thickness of the flange, away from the main faces thereof, as are the corresponding supply channels 35.
  • the outlets 34 are produced entirely within the flange between the main faces thereof, but the flange further comprises at least one intermediate channel formed at the interface with the packet of rotor plates, to cool the magnets and / or allow circulation of the fluid in the recesses formed in the pack of rotor plates.

Landscapes

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

Abstract

L'invention concerne une machine électrique tournante à refroidissement par liquide, comportant un rotor (10) à aimants permanents et un stator bobiné, comportant : • i. au moins un paquet (11) de tôles rotoriques, • ii. au moins un flasque (30) adjacent au paquet (11). La machine comporte un passage de circulation (32) du liquide de refroidissement formé dans l'épaisseur du flasque (30), débouchant sur des sorties (34) disposées à sa périphérie. Chaque sortie est alimentée par au moins un canal d'alimentation respectif et présente une section offerte à l'écoulement du liquide qui est supérieure à celle d'au moins une portion dudit canal, située en amont.

Description

Description
Titre : Machine à refroidissement par liquide Domaine technique
La présente invention revendique la priorité de la demande française 1913557 déposée le 29 novembre 2019 dont le contenu (texte, dessins et revendications) est ici incorporé par référence.
La présente invention concerne les machines électriques tournantes, et plus particulièrement celles refroidies par une circulation d’un liquide, notamment de l’huile, circulant au moins partiellement le long de l’arbre de la machine.
L’invention porte plus particulièrement sur les machines synchrones ou asynchrones, à courant alternatif. Elle concerne notamment les machines de traction ou de propulsion de véhicules automobiles électriques (Battery Electric Vehicle) et/ou hybrides (Hybrid Electric Vehicle - Plug-in Hybrid Electric Vehicle), telles que voitures individuelles, camionnettes, camions ou bus. L’invention s’applique également à des machines électriques tournantes pour des applications industrielles et/ou de production d’énergie, notamment navales, aéronautiques ou éoliennes.
Technique antérieure
Il est connu de refroidir les têtes de bobines du stator par un liquide de refroidissement éjecté par le rotor sur celles-ci au cours du fonctionnement de la machine.
La demande JP2003324901 décrit une machine à rotor à aimants permanents dans laquelle le liquide de refroidissement est amené au rotor par un canal axial, centré sur l’axe de rotation, circule par des canaux radiaux jusqu’à d’autres canaux s’étendant axialement le long des aimants pour refroidir ces derniers. Le liquide quitte le rotor à l’extrémité de ces canaux de refroidissement des aimants, pour être projeté sur des têtes de bobines du stator. Le rotor présente un agencement particulier, avec une couronne périphérique se raccordant en son milieu à l’arbre.
La demande US2010/0194220 divulgue une autre machine à refroidissement par liquide, faisant intervenir une circulation de liquide au sein du rotor pour refroidir les aimants. Cette demande mentionne un risque d’enlèvement de l’isolant des têtes de bobines par le liquide de refroidissement en cas de projection sur ces dernières. Pour diminuer ce risque, le rotor comporte des pièces d’extrémité rapportées sur le paquet de tôles rotoriques, formant ensemble un passage pour le liquide, ce passage débouchant vers l’extérieur par des sorties situées radialement en retrait de la surface radialement extérieure du rotor. Un tel agencement accroît le nombre de pièces constitutives de la machine et complexifie sa réalisation. De plus, un moindre refroidissement des têtes de bobines est pénalisant sur le plan des performances de celle-ci.
Exposé de l’invention
L’invention vise à améliorer le refroidissement des machines électriques refroidies par une circulation de liquide.
Résumé de l’invention
L’invention vise à répondre à ce besoin et a pour objet, selon un premier de ses aspects, une machine électrique tournante à refroidissement par liquide, comportant un rotor à aimants permanents et un stator bobiné, le rotor comportant : i. au moins un paquet de tôles rotoriques, ii. des aimants permanents logés dans ledit paquet de tôles, iii. au moins un flasque adjacent audit paquet de tôles, la machine comportant un passage de circulation du liquide de refroidissement formé au moins partiellement dans l’épaisseur du flasque, ce passage débouchant sur des sorties disposées à sa périphérie, par lesquelles le liquide est projeté sur le stator, chaque sortie étant alimentée par au moins un canal d’alimentation respectif et chaque sortie présentant une section offerte à l’écoulement du liquide qui est supérieure à celle d’au moins une portion dudit canal, située en amont.
L’invention permet de refroidir le stator tout en limitant la force avec laquelle le fluide de refroidissement impacte le stator. La section agrandie des sorties évite la formation d’un jet puissant dirigé vers le stator. La fabrication de la machine reste simple, et les flasques peuvent être réalisés simplement, si cela est souhaité, d’une seule pièce.
De préférence, le flasque vient axialement en appui contre ledit paquet de tôles rotoriques à une extrémité.
De préférence, les sorties et les canaux d’alimentation sont formés en creux sur une face du flasque tournée vers ledit paquet de tôles rotoriques.
De préférence, les canaux d’alimentation sont orientés radialement.
Les canaux d’alimentation sont de préférence reliés entre eux à une extrémité radialement intérieure par un évidement annulaire. Cet évidement peut servir à collecter le fluide de refroidissement gagnant le flasque en circulant dans un espace ménagé entre G arbre et le paquet de tôles.
La machine comporte de préférence au moins un canal intermédiaire au moins partiellement formé en creux sur le flasque, s’étendant dans la direction circonférentielle à distance des bords radialement intérieur et extérieur du flasque, alimenté en liquide de refroidissement. La présence d’un ou plusieurs canaux intermédiaires améliore le refroidissement du rotor et en particulier celui des aimants.
La largeur du canal intermédiaire peut être inférieure à 50% du rayon du flasque, mieux inférieure à 40%, mieux inférieur à 30%, encore mieux inférieur à 20%, par exemple de l'ordre de 10% du rayon du flasque. Une telle largeur permet d'avoir assez de volume pour laisser passer le liquide de refroidissement tout en gardant une certaine pression afin de faire en sorte que le canal intermédiaire soit suffisamment rempli à toutes les vitesses de fonctionnement.
La largeur du canal intermédiaire est comprise entre 1 mm et 40 mm, mieux entre 2 mm et 30 mm, mieux entre 3 mm et 20 mm, par exemple de l'ordre de 4 mm ou de l'ordre de 10 mm.
Le canal intermédiaire peut être disposé à une distance supérieure à 2 mm, mieux supérieure à 3 mm, par exemple de l'ordre de 5 mm ou de l'ordre de 11 mm du bord radialement intérieur du flasque. Le canal intermédiaire peut être disposé à une distance supérieure à 5 mm, mieux supérieure à 10 mm, par exemple de l'ordre de 12 mm ou 14 mm du bord radialement extérieur du flasque.
De préférence, le ou chaque canal intermédiaire s’étend selon un cercle centré sur l’axe de rotation, et relie avantageusement deux canaux d’alimentation adjacents.
De préférence, le ou chaque canal intermédiaire fait face à au moins un évidement du paquet de tôles rotoriques, cet évidement traversant axialement au moins une partie des tôles du paquet de tôles rotoriques. Cela permet un échange de fluide de refroidissement avec le paquet de tôles rotoriques, le fluide pouvant circuler dans le passage défini par les évidements du paquet et les canaux intermédiaires.
De préférence, le ou les évidements sont formés au sein d’au moins un logement de réception d’au moins un aimant permanent, par l’espace laissé libre par le ou les aimants dans ce logement. Le canal intermédiaire peut faire face à au moins un logement de réception d’au moins un aimant permanent.
De préférence, les canaux d’alimentation présentent une forme évasée débouchant sur lesdites sorties.
La section d’au moins un canal d’alimentation peut augmenter d’un facteur d’au moins 5 avant d’atteindre la sortie correspondante. Cette augmentation se fait de préférence entre une zone de jonction avec le ou les canaux intermédiaires et les sorties.
L’alimentation en fluide de refroidissement se fait de préférence depuis l’arbre du rotor. Ce dernier peut ainsi comporter un arbre parcouru sur au moins une partie de sa longueur par un canal interne de fourniture du liquide de refroidissement. Au moins un canal axial de distribution du liquide de refroidissement vers le flasque peut être formé entre le paquet de tôles rotoriques et l’arbre, le long de celui-ci.
De préférence, les sorties sont orientées radialement vers l’extérieur.
Le flasque peut comporter un évidement périphérique reliant les sorties. Cet évidement peut être ouvert sur des évidements du paquet de tôles rotoriques, et permettre de ne pas gêner la sortie du fluide de refroidissement circulant par ces évidements. Le fluide peut notamment entrer dans le paquet de tôles rotoriques par les évidements situés en regard du ou des canaux intermédiaires, et sortir du paquet par les évidements situés en regard de l’évidement périphérique.
De préférence, le flasque est une pièce de fonderie, étant notamment réalisé en aluminium ou alliage d’aluminium. La géométrie du flasque, avec les canaux formés à l’interface entre le flasque et le paquet de tôles rotoriques, permet une fabrication très simple sans reprise d’usinage ni perçage. D’autres matériaux que l’aluminium peuvent être utilisés.
L’invention a encore pour objet un procédé de refroidissement d’une machine électrique tournante, notamment selon le premier aspect de l’invention défini ci-dessus, dans lequel on projette sur le stator, notamment sur les têtes de bobines de celui-ci, un liquide de refroidissement à partir de sorties disposées en périphérie du rotor, ces sorties étant définies au moins partiellement par un flasque rapporté sur un paquet de tôles rotoriques, les sorties étant alimentées en liquide de refroidissement par des canaux d’alimentation présentant au moins sur une portion de leur longueur une section plus petite que celle de la sortie correspondante. De préférence, on fait circuler le liquide de refroidissement entre le flasque et le paquet de tôles rotoriques par un ou plusieurs canaux intermédiaires formés au moins partiellement en creux sur le flasque, orientés circonférentiellement et situés à une distance non nulle des bords radialement intérieur et extérieur du flasque.
De préférence également, on fait circuler axialement le fluide de refroidissement au sein du paquet de tôles rotoriques à travers des évidements de celui-ci débouchant sur les canaux d’alimentation et/ou le ou les canaux intermédiaires.
L’invention a encore pour objet, selon un autre de ses aspects, indépendamment ou en combinaison avec ce qui précède, une machine électrique tournante à refroidissement par liquide, comportant un rotor à aimants permanents et un stator bobiné, le rotor comportant : i. au moins un paquet de tôles rotoriques, ii. des aimants permanents logés dans ledit paquet de tôles, iii. au moins un flasque adjacent audit paquet de tôles, la machine comportant un passage de circulation du liquide de refroidissement formé au moins partiellement dans l’épaisseur du flasque, ce passage débouchant sur des sorties disposées à sa périphérie, par lesquelles le liquide est projeté sur le stator, chaque sortie étant alimentée par au moins un canal d’alimentation respectif, au moins un canal intermédiaire étant au moins partiellement formé en creux sur le flasque, s’étendant dans la direction circonférentielle à distance des bords radialement intérieur et extérieur du flasque, et étant alimenté en liquide de refroidissement.
La présence de ce canal intermédiaire améliore le refroidissement du rotor et en particulier des aimants, en permettant une circulation additionnelle de liquide à proximité des aimants.
Ce deuxième aspect de l’invention se combine avantageusement au premier, mais présente des avantages indépendamment de la forme des canaux d’alimentation des sorties.
Il est avantageux que le ou chaque canal intermédiaire débouche en regard d’au moins un évidement formé dans le paquet de tôles rotoriques, de façon à permettre une circulation du fluide de refroidissement entre cet évidement et le canal intermédiaire. L’évidement est de préférence formé par découpe des tôles du paquet pour réaliser un logement de réception d’au moins un aimant permanent, et permet au fluide de circuler au contact de cet aimant. Cela améliore les échanges thermiques avec cet aimant. L’évidement peut être formé par une portion du logement de réception de l’aimant dont la forme est choisie pour constituer un obstacle aux lignes de champ magnétique reliant les pôles magnétiques opposés du ou des aimants reçus dans ce logement.
Le cas échéant, l’évidement communique avec au moins un passage formé au sein du paquet entre deux sous-ensembles de tôles.
L’évidement peut être parcouru par une circulation axiale du fluide de refroidissement.
Toutes les caractéristiques présentées plus haut, en liaison avec le premier aspect de l’invention, trouvent à s’appliquer à ce deuxième aspect de l’invention.
Brève description des dessins
L’invention pourra être mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, d’exemples de mise en œuvre non limitatifs de celle-ci, et à l’examen du dessin annexé, sur lequel : la figure 1 représente de façon partielle et schématique, en coupe longitudinale, le rotor d’une machine selon l’invention, la figure 2 représente un détail du rotor de la figure 1, une portion du stator de la machine étant représentée schématiquement, la figure 3 représente isolément, en vue de face, un flasque d’extrémité, la figure 4 représente le flasque de la figure 3 en coupe selon IV-IV, la figure 5 est une vue analogue à la figure 4, la figure 6 est une vue illustrant le positionnement relatif des logements de réception des aimants du paquet de tôles et du flasque, la figure 7 représente isolément, en perspective, une variante de flasque, la figure 8 est une vue de face du flasque de la figure 7, la figure 9 est une coupe selon IX-IX de la figure 8, la figure 10 est une vue de côté du flasque de la figure 7, la figure 11 est une vue en coupe selon XI-XI de la figure 7, et la figure 12 est une vue en coupe selon XII-XII de la figure 7.
Description détaillée
La machine électrique selon l’invention, partiellement représentée à la figure 1, comporte un rotor 10 tournant à l’intérieur d’un stator (non représenté sur cette figure) autour d’un axe de rotation X. Le stator 20, partiellement représenté à la figure 2, comporte un paquet 21 de tôles statoriques ménageant des encoches pour des conducteurs électriques d’un bobinage. Ces conducteurs dépassent axialement du paquet de tôles pour former des têtes de bobines 22, encore appelées chignons.
Le rotor 10 comporte au moins un paquet 11 de tôles ro toriques porté par un arbre 40 qui est guidé par des roulements 46.
Le paquet 11 comporte, comme visible sur la figure 6, des logements 13 dans lesquels sont disposés des aimants permanents 14.
Le rotor 10 comporte deux flasques d’extrémité 30 disposés contre les extrémités respectives du paquet 11.
Les deux flasques 30 sont identiques dans l’exemple considéré, et présentent sur leur face 31 tournée vers le paquet 11 un ensemble de reliefs en creux définissant un passage 32 de circulation d’un fluide de refroidissement. Les deux flasques 30 sont par exemple décalés angulairement de 45° l’un par rapport à l’autre, comme illustré.
Ce fluide de refroidissement, qui est de préférence une huile, est amené par un canal central 41 de l’arbre 40, qui communique avec des canaux radiaux 42.
Un espace 16 est ménagé entre le paquet 11 et l’arbre 40 pour permettre la circulation du fluide de refroidissement jusque dans la région centrale des flasques 30.
Si l’on se réfère aux figures 3 à 5, on voit que le flasque 30 présente une ouverture centrale 33 pour son montage sur l’arbre, bordée par un évidement annulaire 39.
Le flasque 30 présente à sa périphérie des sorties 34 orientées radialement, par lesquelles le fluide de refroidissement est éjecté vers le stator 20.
Ces sorties 34 sont alimentées par des canaux d’alimentation respectifs 35, orientés radialement dans l’exemple illustré, et débouchant intérieurement sur l’ouverture 33.
Le flasque 30 présente également, sur sa face 31, des canaux intermédiaires 36, en forme d’arcs de cercle centrés sur l’axe de rotation X, qui relient chacun deux canaux d’alimentation 35.
Un évidement annulaire 38 relie les sorties 34. Cet évidement 38 s’étend à partir de la face 31 du flasque 30. Dans l’exemple considéré, le flasque 30 présente quatre sorties 34, équiréparties autour de l’axe de rotation X, quatre canaux d’alimentation respectifs 35, et quatre canaux intermédiaires 36, mais l’invention n’est pas limitée à ce nombre de sorties et canaux.
Les canaux intermédiaires 36 présentent de préférence, comme illustré, une section hémicirculaire, constante jusqu’à une zone 37 de jonction avec les canaux d’alimentation 35, où la section s’élargit.
La face 31 présente, hormis les reliefs en creux décrits ci-dessus, une surface plane et perpendiculaire à l’axe de rotation X.
Les canaux d’alimentation 35 présentent une forme évasée en direction des sorties correspondantes 34, comme on peut le voir sur les figures 3 et 4 notamment.
Depuis la zone 37 de jonction avec les canaux intermédiaires 36, la section du canal 35 s’élargit pour augmenter de préférence d’un facteur compris entre 2 et 50 jusqu’à la sortie 34.
Le canal d’alimentation 35 peut notamment, comme illustré à la figure 4, présenter un fond qui suit une ligne infléchie, avec une première portion 51 sensiblement rectiligne inclinée d’un angle compris entre 1 et 10° avec le plan de la face 31, puis une deuxième portion 52 plus pentue qui présente une inflexion en 53 pour s’orienter, sur sa portion d’extrémité 54, sensiblement parallèlement à un rayon et au plan de la face 31.
La largeur du canal d’alimentation 35 est sensiblement constante sur la portion 35a s’étendant entre l’évidement 39 et la zone de jonction 37, et augmente sur la portion 35b s’étendant entre cette zone de jonction 37 et la sortie correspondante 34, comme illustré à la figure 3. La portion 35b peut être délimitée latéralement par des lignes infléchies 57, comme visible sur la figure 3.
La profondeur du canal d’alimentation 35 au niveau de la sortie 34 est supérieure à celle de l’évidement périphérique 38, comme on peut le voir sur la figure 4. La profondeur est également supérieure à celle des canaux intermédiaires 36. La profondeur de l’évidement annulaire 39 adjacent à l’ouverture 33 est supérieure à celle des canaux d’alimentation au niveau de leur raccordement à cet évidement 39.
Les flasques 30 sont de préférence réalisés par fonderie, en aluminium ou alliage d’aluminium.
Les flasques 30 peuvent être maintenus contre le paquet 11 par des tirants non représentés. Comme visible sur la figure 6, les canaux intermédiaires 36 sont situés sur le flasque 30 de manière à s’étendre en regard d’évidements 16 définis par les logements 13 de réception des aimants 14.
L’évidement périphérique 38 s’étend en regard d’évidements 17 formés par lesdits logements 13.
La face 31 du flasque 30 vient recouvrir les aimants 14 et contribue ainsi à leur immobilisation axiale au sein du paquet 31.
Durant le fonctionnement de la machine, la rotation du rotor 10 crée une circulation du fluide de refroidissement depuis l’arbre 40 vers l’évidement annulaire 39, dans l’espace entre l’arbre et le paquet, comme illustré à la figure 1.
Le fluide gagnant l’évidement 39 est distribué dans les canaux d’alimentation 35 et guidé vers les sorties 34. Du fluide de refroidissement peut également s’écouler par les canaux intermédiaires 36.
Une circulation axiale de fluide peut s’opérer au sein du rotor, dans les passages définis par les évidements 16 et 17, ce qui contribue également à refroidir les aimants 14.
Le fluide est éjecté par les sorties 34 vers les têtes de bobines 22 du stator 20. Compte-tenu de la section élargie des sorties 34, on évite la formation de jets fins sous haute pression dont l’impact sur les têtes de bobines serait susceptible de les endommager.
Le fluide de refroidissement projeté sur le stator peut être récupéré et pompé à l’extérieur du stator pour être refroidi avant d’être réinjecté par l’arbre creux 40.
Les figures 7 à 12 représentent une variante de flasque 30, qui diffère principalement de celle précédemment décrite par le fait que les canaux d’alimentation 35 s’étendent à partir d’un unique canal intermédiaire 36, lequel est ici défini par une gorge annulaire de section constante. Deux canaux de liaison radiaux 70 diamétralement opposés raccordent le canal intermédiaire 36 à l’évidement annulaire 39 et permettent ainsi l’alimentation en fluide des canaux 35 et 36.
Ces deux canaux de liaison 70 sont situés chacun dans le prolongement d’un canal d’alimentation 35, comme on peut le voir sur la figure 8.
A titre d’exemple, la largeur d’un canal d’alimentation 35 passe dans cet exemple de wi=3 mm là où il débouche sur le canal intermédiaire 36 à W2=10 au niveau de la sortie, comme illustré à la figure 10. La profondeur passe quant à elle de di=2,7mm à d2=8mm, comme illustré à la figure 11. Le changement de section du canal d’alimentation peut se faire sur une distance de 8mm par exemple.
Bien entendu, l’invention n’est pas limitée aux exemples qui viennent d’être décrits. Par exemple, on peut réaliser le rotor avec d’autres passages de fluide de refroidissement, par exemple orientés radialement à mi-longueur environ du paquet 11.
Les canaux radiaux 42 peut être positionnés axialement à mi-longueur du paquet 11.
Le passage 32 de circulation du fluide de refroidissement dans le flasque peut être crée non plus à l’interface paquet/ flasque mais entièrement au sein du flasque, par exemple directement au milieu du flasque. Dans ce cas, les sorties 34 sont réalisées entièrement dans l’épaisseur du flasque, à distance des faces principales de celui-ci, de même que les canaux d’alimentation 35 correspondants. En variante, les sorties 34 sont réalisées entièrement au sein du flasque entre les faces principales de celui-ci, mais le flasque comporte en outre au moins un canal intermédiaire formé à l’interface avec le paquet de tôles rotoriques, pour refroidir les aimants et/ou permettre une circulation du fluide dans les évidements formés dans le paquet de tôles rotoriques.

Claims

Revendications
1. Machine électrique tournante à refroidissement par liquide, comportant un rotor (10) à aimants permanents et un stator bobiné, le rotor comportant : i. au moins un paquet (11) de tôles ro toriques, ii. des aimants permanents (14) logés dans ledit paquet de tôles, iii. au moins un flasque (30) adjacent audit paquet (11) de tôles, la machine comportant un passage de circulation du liquide de refroidissement formé au moins partiellement dans l’épaisseur du flasque, ce passage débouchant sur des sorties (34) disposées à sa périphérie, par lesquelles le liquide est projeté sur le stator, chaque sortie étant alimentée par au moins un canal d’alimentation respectif (35) et chaque sortie présentant une section offerte à l’écoulement du liquide qui est supérieure à celle d’au moins une portion dudit canal, située en amont, les sorties (34) étant orientées radialement vers l’extérieur.
2. Machine électrique tournante à refroidissement par liquide, comportant un rotor (10) à aimants permanents et un stator bobiné, le rotor comportant : i. au moins un paquet (11) de tôles rotoriques, ii. des aimants permanents (14) logés dans ledit paquet de tôles, iii. au moins un flasque (30) adjacent audit paquet (11) de tôles, la machine comportant un passage de circulation du liquide de refroidissement formé au moins partiellement dans l’épaisseur du flasque, ce passage débouchant sur des sorties (34) disposées à sa périphérie, par lesquelles le liquide est projeté sur le stator, chaque sortie étant alimentée par au moins un canal d’alimentation respectif (35) et chaque sortie présentant une section offerte à l’écoulement du liquide qui est supérieure à celle d’au moins une portion dudit canal, située en amont, la machine comportant au moins un canal intermédiaire (36) au moins partiellement formé en creux sur le flasque, s’étendant dans la direction circonférentielle à distance des bords radialement intérieur et extérieur du flasque, alimenté en liquide de refroidissement.
3. Machine selon la revendication 1 ou 2, le flasque (30) venant axialement en appui contre ledit paquet de tôles rotoriques à une extrémité.
4. Machine selon l’une des revendications là 3, les sorties (34) et les canaux d’alimentation (35) étant formés en creux sur une face (31) du flasque tournée vers ledit paquet de tôles rotoriques.
5. Machine selon l’une quelconque des revendications précédentes, les canaux d’alimentation (35) étant orientés radialement.
6. Machine selon la revendication précédente, les sorties (34) étant reliées entre elles à une extrémité radialement intérieure par un évidement annulaire (39).
7. Machine selon l’une quelconque des revendications précédentes à l'exception de la revendication 2, comportant au moins un canal intermédiaire (36) au moins partiellement formé en creux sur le flasque, s’étendant dans la direction circonférentielle à distance des bords radialement intérieur et extérieur du flasque, alimenté en liquide de refroidissement.
8. Machine selon la revendication 7, le ou chaque canal intermédiaire (36) s’étendant selon un cercle centré sur l’axe de rotation.
9. Machine selon l’une des revendications 7 et 8, le ou chaque canal intermédiaire (36) reliant deux canaux d’alimentation adjacents (35).
10. Machine selon l’une quelconque des revendications précédentes, le ou chaque canal intermédiaire (36) faisant face à au moins un évidement (16, 17) du paquet de tôles rotoriques, cet évidement traversant axialement au moins une partie des tôles du paquet de tôles rotoriques.
11. Machine selon l’une quelconque des revendications précédentes, les canaux d’alimentation (35) faisant face à au moins un évidement (17) du paquet de tôles rotoriques, cet évidement traversant axialement au moins une partie du paquet de tôles rotoriques.
12. Machine selon l’une des revendications 10 et 11, le ou les évidements (16, 17) du paquet de tôles rotoriques étant formés au sein d’au moins un logement (13) de réception d’au moins un aimant permanent (14), par l’espace laissé libre par le ou les aimants dans ce logement.
13. Machine selon l’une quelconque des revendications précédentes, les canaux d’alimentation (35) présentant une forme évasée débouchant sur lesdites sorties (34).
14. Machine selon l’une quelconque des revendications précédentes, la section d’au moins un canal d’alimentation (35) augmentant d’un facteur d’au moins 5 avant d’atteindre la sortie correspondante.
15. Machine selon l’une quelconque des revendications précédentes, comportant un arbre (40) parcouru sur au moins une partie de sa longueur par un canal interne (41) de fourniture du liquide de refroidissement.
16. Machine selon la revendication précédente, au moins un canal axial (16) de distribution du liquide de refroidissement vers le flasque étant formé entre le paquet de tôles rotoriques et l’arbre, le long du celui-ci.
17. Machine selon l’une quelconque des revendications 2 à 16, les sorties (34) étant orientées radialement vers l’extérieur.
18. Machine selon l’une quelconque des revendications précédentes, le flasque (30) comportant un évidement périphérique (38) reliant les sorties (34).
19. Machine selon l’une quelconque des revendications précédentes, le flasque (30) étant une pièce de fonderie, étant notamment réalisé en aluminium ou alliage d’aluminium.
20. Procédé de refroidissement d’une machine électrique tournante, notamment telle que définie dans l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel on projette sur le stator, notamment sur les têtes de bobines de celui-ci, un liquide de refroidissement à partir de sorties (34) disposées en périphérie du rotor, ces sorties étant définies au moins partiellement par un flasque (30) rapporté sur un paquet de tôles rotoriques, les sorties (34) étant alimentées en liquide de refroidissement par des canaux d’alimentation (35) présentant au moins sur une portion de leur longueur une section plus petite que celle de la sortie correspondante, les sorties (34) étant orientées radialement vers l’extérieur.
21. Procédé selon la revendication précédente, dans lequel on fait circuler le liquide de refroidissement entre le flasque (30) et le paquet (11) de tôles rotoriques par un ou plusieurs canaux intermédiaires (36) formés au moins partiellement en creux sur le flasque (30), orientés circonférentiellement et situés à une distance non nulle des bords radialement intérieur et extérieur du flasque.
22. Procédé selon l’une des revendications 20 et 21, dans lequel on fait circuler axialement le fluide de refroidissement au sein du paquet de tôles rotoriques à travers des évidements (16, 17) de celui-ci débouchant sur les canaux d’alimentation (35) et/ou le ou les canaux intermédiaires (36).
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