FR2827437A1 - Agencement de redressement de courant pour machines electriques tournantes, notamment alternateurs pour vehicule automobile - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un agencement de redressement de courant pour machines électriques tournantes, notamment alternateurs pour véhicule automobile.Cet agencement est du type comprenant une pluralité de diodes positives (2) supportées par un support (1) en forme de plaque, une pluralité de diodes négatives (7) supportée par le palier arrière (6) de la machine, un dispositif connecteur (9) des diodes positives et négatives et des moyens générateurs d'un flux forcé axial d'un fluide de refroidissement, le support (1) des diodes portant des ailettes de refroidissement (4) qui s'étendent dans ledit écoulement axial (F1) du fluide de refroidissement dans la direction radiale de la machine. L'agencement est caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de refroidissement mixte du support des diodes négatives par convection et conduction.L'invention est utilisable pour des alternateurs pour véhicule automobile.
Description
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L'invention concerne un agencement de redressement de courant pour machines électriques tournantes, notamment alternateurs pour véhicule automobile, du type comprenant, placés dans un carter, un stator et un rotor monté à l'intérieur du stator, rotatif dans des paliers avant et arrière, l'agencement comportant une pluralité de diodes positives supportées par un support en forme de plaque, une pluralité de diodes négatives supportées par un support en forme de plaque, tel que le palier arrière de support du rotor de la machine, un dispositif connecteur pour électriquement interconnecter les diodes positives et négatives et des moyens générateurs d'un écoulement forcé d'un fluide de refroidissement, s'écoulant dans la direction axiale de la machine, le support des diodes positives portant sur sa face frontale orientée vers l'axe de la machine des ailettes de refroidissement qui s'étendent dans l'écoulement axial du fluide de refroidissement dans la direction radiale de la machine. Les supports sont métalliques ainsi que les paliers reliés à la masse.
Un agencement de redressement de ce type permettant de transformer le courant alternatif induit du stator en courant continu pour alimenter les consommateurs du véhicule est déjà connu par le brevet français nO 2 687 861 de la demanderesse. Cet agencement de redressement est conçu pour assurer le refroidissement du support des diodes positives uniquement par convection, par l'écoulement du fluide entre les ailettes radiales, tandis que le refroidissement du support de diodes négatives se fait par conduction et par convection.
Cet agencement de redressement connu présente l'inconvénient qu'il ne permet pas d'augmenter la capacité de refroidissement pour qu'il puisse être utilisé dans les alternateurs de plus forte puissance, tout en assurant un encombrement acceptable.
L'invention a pour but de pallier l'inconvénient qui vient d'être énoncé.
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Pour atteindre ce but, un agencement de redressement de courant selon l'invention est caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de refroidissement mixte du support des diodes négatives par convection et conduction.
Selon une caractéristique de l'invention les diodes négatives sont implantées dans des surépaisseurs locales sur la face supérieure du palier arrière de la machine.
Selon une autre caractéristique de l'invention le carter comporte au niveau du palier arrière de support des diodes négatives des orifices latérales d'entrée d'un flux de fluide de refroidissement radial, sous l'effet de l'écoulement du flux axial de fluide de refroidissement FI, qui passe au-dessus de la surface supérieure du palier comportant les surépaisseurs d'implantation des diodes négatives pour joindre le flux axial FI.
Selon encore une autre caractéristique de l'invention les surépaisseurs présentent une forme tronconique dans la face supérieure desquelles sont implantées les diodes négatives.
Selon encore une autre caractéristique de l'invention comporte des moyens de refroidissement du support des diodes positives par un flux de fluide de refroidissement radial F2.
Selon encore une autre caractéristique de l'invention le support des diodes positives comporte, sur son bord orienté vers l'axe de la machine, des moyens de déviation d'une partie du flux de fluide de refroidissement axial FI pour créer le flux radial F2 qui passe au-dessus de la surface supérieure du support dans laquelle sont implantées les diodes positives.
Selon encore une autre caractéristique de l'invention le flux de fluide de refroidissement radial F2 est amené à s'écouler sous le support des diodes positives en direction de l'axe de la machine pour rejoindre le flux de fluide de refroidissement axial FI.
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Selon encore une autre caractéristique de l'invention les moyens de déviation de la partie du flux de refroidissement axial, qui constitue le flux de fluide de refroidissement radial F2 du support des diodes positives est formé par un muret prévu sur le bord orienté vers l'axe de la machine, du support des diodes positives.
Selon encore une autre caractéristique de l'invention le support des diodes positives est disposé entre le dispositif connecteur et le palier arrière de façon que le rapport de sa distance.
Selon encore une autre caractéristique de l'invention la relation entre la masse de dissipation thermique que constitue les surépaisseurs d'implantation des diodes négatives et les pertes de charge que ces surépaisseurs occasionnent est susceptible d'être optimisée par un dimensionnement approprié de la forme des surépaisseurs.
L'invention sera mieux comprise, et d'autres buts, caractéristiques, détails et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement dans la description explicative qui va suivre faite en référence aux dessins schématiques annexés donnés uniquement à titre d'exemple illustrant plusieurs modes de réalisation de l'invention et dans lesquels : - la figure 1 est une vue en coupe schématique radiale d'un premier mode de réalisation d'un agencement de redressement de courant selon l'invention ; les figures 2A et 2B sont des vues de détail illustrant l'implantation d'une diode négative dans son support, selon l'invention ; - la figure 3 est une vue schématique en coupe radiale d'un autre mode de réalisation de l'invention, les figures 4A à 4C illustrent trois versions différentes de réalisation des ailettes de refroidissement radiales de l'agencement de redressement selon l'invention ;
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- la figure 5 est une vue en coupe schématique radiale d'encore un autre mode de réalisation d'un agencement de redressement de courant selon l'invention, - la figure 6 est une vue en perspective du capot représenté en 12 sur la figure 5.
La figure 1 est une vue schématique d'un agencement de redressement de courant, par exemple d'un alternateur, dont la structure générale est connue en soi, par exemple par le brevet français nO 2 687 861 et le brevet européen 055 15 259.
Sur la figure 1 l'agencement de redressement comporte un support 1 d'une pluralité de diodes positives 2, en forme de plaque qui porte sur sa face frontale orientée vers l'axe de rotation (non représenté) de la machine, des ailettes de refroidissement 4 qui s'étendent en direction de cet axe. Le support métallique à base d'aluminium a pour fonction d'assurer le refroidissement des diodes et est donc appelé radiateur positif. Ce radiateur 1 se trouve à une distance prédéterminée D2 dans la direction de l'axe de la machine au-dessus du palier arrière 6 dans lequel est implantée par emmanchement une pluralité de diodes négatives 7. Le numéro de référence 9 désigne le dispositif de connexion électrique, qui est disposé au-dessus du radiateur 1 et a pour fonction d'interconnecter électriquement en 10 les queues 11 de chaque paire de diodes positive et négative 2 et 7. Ces diodes sont montées en parallèle. Il est à noter que les supports sont métalliques ainsi que les paliers reliés à la masse.
Le dispositif de redressement qui vient d'être décrit est coiffé par un capot 12, qui comporte dans sa paroi supérieure horizontale perpendiculaire à l'axe de la machine des ouvertures d'entrée 14 d'un fluide de refroidissement, par exemple de l'air, et dans sa paroi latérale des ouvertures latérales 16 d'entrée de fluide de refroidissement. Ces ouvertures se trouvent par rapport à l'axe de la machine au niveau de l'espace entre
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le radiateur et le palier arrière 6. Le capot est solidaire du palier arrière 6 métallique.
L'agencement de redressement qui vient d'être décrit est refroidi par l'écoulement forcé d'un fluide de refroidissement, avantageusement de l'air, engendré par un ventilateur connu en soi (non représenté) et solidaire en rotation du rotor de la machine. Le palier arrière comporte des ouvertures de passage du fluide de refroidissement, qui portent la référence 18 et sont sensiblement alignés aux ouvertures 14 dans la paroi supérieure du capot 12.
Selon une caractéristique avantageux de l'invention le radiateur 1 comporte au niveau de son bord radialement interne, orienté vers l'axe de la machine, un muret 20 qui s'étend axialement vers le haut, mais n'est pas obligatoire
Selon une autre caractéristique de l'invention, le palier arrière 6 comporte à l'emplacement d'implantation de chaque diode négative 7 une surépaisseur tronconique 22 représentée plus en détail sur les figures 2A et 2B. Ces surépaisseurs tronconiques 22 sur la face supérieure du palier arrière, dans lesquelles les diodes négatives sont directement emmanchées, assurent un meilleur refroidissement des diodes. En effet, on obtient ainsi un refroidissement mixte par conduction et convection comme il sera décrit ci-après. Il est encore à noter que les ailettes de refroidissement radiales 4 se prolongent en 22 sous la face 23 du radiateur 1 jusque dans la zone d'implantation des diodes positives 2. D'autre part, les ailettes 4 s'étendent jusqu'au bord radialement externe 24 du muret 20.
Selon une autre caractéristique de l'invention, le palier arrière 6 comporte à l'emplacement d'implantation de chaque diode négative 7 une surépaisseur tronconique 22 représentée plus en détail sur les figures 2A et 2B. Ces surépaisseurs tronconiques 22 sur la face supérieure du palier arrière, dans lesquelles les diodes négatives sont directement emmanchées, assurent un meilleur refroidissement des diodes. En effet, on obtient ainsi un refroidissement mixte par conduction et convection comme il sera décrit ci-après. Il est encore à noter que les ailettes de refroidissement radiales 4 se prolongent en 22 sous la face 23 du radiateur 1 jusque dans la zone d'implantation des diodes positives 2. D'autre part, les ailettes 4 s'étendent jusqu'au bord radialement externe 24 du muret 20.
L'agencement de redressement selon l'invention, notamment grâce au muret 20, permet d'obtenir une configuration de flux de refroidissement avantageuse, qui comporte un premier flux axial FI qui passe axialement directement à travers les ouvertures 14 dans la paroi supérieure du capot 2 et les ouvertures 18 du palier
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arrière en s'écoulant entre les ailettes de refroidissement 4.
Un deuxième flux d'air F2 est produit par le muret 20 qui dévie radialement vers l'extérieur une partie de l'air aspirée à travers chaque ouverture de capot supérieur 14. Ce flux F2 passe sur la face supérieure du radiateur 1 et ainsi sur les diodes positives 2 pour s'écouler ensuite dans l'espace entre le radiateur 1 et le palier arrière 6 radialement en direction de l'axe de la machine avant de passer à travers les ouvertures 18 dans le palier arrière, sur l'effet d'un troisième flux F3 qui entre par les ouvertures latérales 16 du capot 12 et s'écoule en joignant le flux F2 dans l'espace entre la face inférieure 23 du radiateur 1 et la face supérieure du palier 6.
Il est à noter que le connecteur 9 est positionné au-dessus du radiateur 1 de façon à obtenir une bonne canalisation radiale du flux F2. Le positionnement du radiateur 1 par rapport, d'une part au connecteur 9, et, d'autre part au palier 6 est également important. Il s'est avéré que l'on obtienne un positionnement optimum lorsque l'on respecte la fourchette des valeurs suivantes :
0,85 < D2/D1 < 1,25. où Dl est la distance entre le connecteur 9 et la face supérieure du radiateur 1 et D2 est la distance entre la face supérieure du palier arrière 6 et le bord inférieur des prolongements 22 des ailettes de refroidissement 4 sous le radiateur 1.
0,85 < D2/D1 < 1,25. où Dl est la distance entre le connecteur 9 et la face supérieure du radiateur 1 et D2 est la distance entre la face supérieure du palier arrière 6 et le bord inférieur des prolongements 22 des ailettes de refroidissement 4 sous le radiateur 1.
Concernant le muret 20, en choisissant bien sa forme, on peut optimiser son effet, c'est-à-dire la déviation d'une partie de l'air qui entre en axial à travers les ouvertures supérieures 14 et qui passe ensuite radialement pour refroidir le radiateur ou dissipateur positif. Ce flux F2 vers l'extérieur de la machine au-dessus du radiateur positif est ensuite repoussé vers l'intérieur sous le radiateur par le flux
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F3 qui entre par les ouvertures latérales 16 du capot en face de l'espace situé entre le palier arrière et le radiateur. Les portions d'ailettes 22 sous le radiateur assurent encore un meilleur refroidissement.
Il est à noter que l'espace entre les pièces a été optimisé pour le flux F3 de façon que les pertes de charge dans la machine soient réduites au minimum. En effet, moins il y a perte de charge, plus la vitesse du flux de refroidissement est grande or celle-ci est importante pour le refroidissement des pièces. Il est ainsi avantageux de choisir de façon que D2 soit supérieure à Dl.
Il est encore à noter que le refroidissement des diodes négatives peut être optimisé en dimensionnant de façon appropriée la forme des surépaisseurs tronconiques 22. En effet, ces surépaisseurs permettent d'augmenter la surface d'échange thermique entre le palier arrière et l'air et accomplissent la fonction d'ailettes de refroidissement par convection tout en constituant des obstacles pour l'écoulement du flux en occasionnant des pertes de charge.
A titre d'exemple, pour des alternateurs de 2,5 à 3 kW, on obtient une optimisation entre la masse de dissipation thermique et les pertes de charge par l'écoulement de refroidissement pour une épaisseur du palier arrière e = 5mm + 2 et-1 mm en choisissant la largeur supérieure 1 sur la figure 2B a une valeur minimale de 1,5 mm de façon à avoir suffisamment de matière pour dissiper la chaleur par conduction et au maximum de 3mm pour minimiser les pertes de charges. La hauteur h pour les mêmes raisons doit être comprise entre 2 mm et 4 mm, ce qui permet d'optimiser aussi l'encombrement axial. Il est possible de formuler une relation optimale pour la pente du cône tel que :
1 < h/1 < 5 où h est la hauteur de la face supérieure de la surépaisseur tronconique par rapport à la face supérieure
1 < h/1 < 5 où h est la hauteur de la face supérieure de la surépaisseur tronconique par rapport à la face supérieure
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du palier et constitue la distance horizontale entre le début et la fin de la pente p.
Selon encore un autre caractéristique essentiel de l'invention, la forme et la surface d'échange des ailettes radiales 4 ont été optimisées pour obtenir un refroidissement optimal dans un encombrement minimal. Les figures 4A à 4C montrent trois possibilités de configuration de ces ailettes. Il est à noter que le pourtour extérieur du radiateur positif et aussi du muret éventuel peut être ondulé si bien que l'extension radiale des ailettes est différente.
Le mode de réalisation des ailettes illustré sur la figure 4A a pour particularité que les ailettes sont fines. La particularité du mode de réalisation selon la figure 4B réside dans le fait que les ailettes sont groupées par trois, les ailettes extérieures étant reliées par un muret de fermeture 26. La figure 4C préconise également le groupement des ailettes, mais sous forme de groupes à quatre ailettes, avec un muret continue de liaison 28 sur les extrémités des ailettes extérieures de chaque groupe.
On constate que les ailettes sont disposées en face des ouvertures axiales du capot et du palier pour optimiser le refroidissement par une surface d'échange maximal et une diminution des pertes de charge.
La figure 3 montre un autre mode de réalisation de l'agencement de redressement selon l'invention. Sur la figure 3 on utilise les mêmes chiffres de référence pour les pièces et éléments identiques ou similaires au mode de réalisation selon la figure 1. La particularité du mode de réalisation selon la figure 3 réside dans le fait que le connecteur 9 est disposé entre le radiateur positif 1 et le palier arrière 6, ce qui permet un montage tête-bêche des diodes positives et négatives (non représentées).
Les figures 5 et 6 montrent un autre mode de réalisation de l'agencement de redressement selon
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l'invention. Ce mode de réalisation a pour particularité avantageuse que le flux F2 de refroidissement par convection du radiateur 1, en s'écoulant le long des surfaces supérieure et inférieure de ce dernier, entre par des ouvertures spécifiques 30 pratiquées dans la paroi supérieure de fond du capot 12 au-dessus des diodes positives 2. Les ouvertures 30 sont séparées des ouvertures 14 par une zone annulaire pleine 31 qui est située, dans la direction axiale de la machine, sensiblement au-dessus du muret 20. Comme le montre la figure 6, les ouvertures 30 sont disposées, comme les ouvertures 14, dans une zone en forme d'un arc de cercle, coaxiale à la zone des ouvertures 14 et radialement à l'extérieur de cette dernière.
On constate en outre que, dans le mode de réalisation de la figure 5, la surface supérieure du palier arrière 6 ne comporte pas de surépaisseurs tronconiques d'implantation pour les diodes négatives 7.
Ces diodes sont implantées dans une surface supérieure de palier, qui est plane. Enfin, les ailettes radiales 4 se terminent du côté de la surface inférieure 23 du radiateur positif 1 au niveau de cette surface. Par conséquent il n'y a pas de portion d'ailette sous le radiateur, comme dans le cas de la figure 1. Il est cependant à noter que les considérations concernant les distances Dl et D2 telles que faites plus haut, sont applicables aussi au mode de réalisation selon la figure 5.
Un autre avantage de l'agencement de redressement selon l'invention réside dans son assemblage aisé. En effet, l'assemblage se réalise par empilement des différents composants par le haut de la machine, c'est-àdire par l'extérieur. Ceci permet d'assembler le palier arrière avant de le monter sur le reste de la machine. De même les diodes sont emmanchées dans le même sens avec les queues de diodes toutes dirigées vers le haut, ce qui permet de n'utiliser qu'un seul moyen de soudage et de
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supprimer le transfert de pièces. De plus, les diodes sont positionnées de façon qu'il n'y ait qu'un seul plan de soudage. Enfin, le positionnement des pièces a été conçu de façon à avoir les pièces les plus lourdes le plus proche possible des fixations pour en limiter le porte à faux. Ceci permet une meilleure fiabilité, et de faire en sorte que des vibrations et des fréquences de résonance soient plus hautes afin d'éviter des pointes de bruit magnétique aux efforts magnétiques générés par la machine.
Enfin, le pont de redressement peut être branché en triphasé ou en hexaphasé. Du fait de son faible encombrement l'agencement de redressement peut être utilisé également en pont triphasé à six diodes, ou huit diodes (triphasées avec pont neutre redressé) ou douze diodes (hexaphasé ou triphasées dans le cas d'une thermique extrême).
Bien entendu de multiples modifications peuvent être apportées à l'invention telle que décrite et représentée sur les figures. Par exemple, le muret pourrait avoir toute autre forme appropriée et la disposition des ouvertures pourraient être choisies différemment, à condition d'assurer la création des flux de refroidissement F1 à F3.
Cet agencement équipe avantageusement un alternateur du type de celui décrit dans le document FR- 01 04 770 déposé le 5 avril 2001. Pour plus de précisions on se reportera à ce document présentant un ventilateur porté par le rotor de l'alternateur et implanté de manière adjacent au palier arrière. Dans ce document le stator comporte un corps interposé entre les paliers avant et arrière et définissant le carter. Ce corps consiste en un paquet de tôles dotées à leur périphérie interne d'encoches dans lesquelles sont montées des éléments électriquement conducteur en forme de barres agencés en réseaux, dont les sorties sont reliées aux connecteurs 9.
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Avantageusement un isolant est interposé entre les éléments électriquement conducteurs et les bords des encoches. Cet isolant est monté, dans une forme de réalisation, dans les encoches avant les éléments électriquement conducteurs. Grâce aux éléments conducteurs en forme de barres de préférence de section rectangulaire, on augmente la puissance de l'alternateur.
L'agencement de redressement selon l'invention convient bien à ce type d'alternateur.
Grâce à l'agencement selon l'invention on peut augmenter la puissance du rotor, celui-ci présentant dans une forme de réalisation un bobinage d'excitation profilé comme décrit dans le document FR-00 06 853 déposé le 29 mai 2001, sachant que la stator entoure le rotor, usuellement à griffes. Ce rotor présente des bagues reliées aux extrémités du bobinage du rotor et servant de pistes de frottement aux balais du porte-balais relié au régulateur de tension.
Claims (15)
1. Agencement de redressement de courant pour machines électriques tournantes, notamment alternateurs pour véhicule automobile, comportant, placés dans un carter, un stator et un rotor monté à l'intérieur du stator, rotatif dans des paliers avant et arrière, l'agencement étant du type comprenant une pluralité de diodes positives supportées par un support en forme de plaque, une pluralité de diodes négatives supportée par un support en forme de plaque, tel que le palier arrière, un dispositif connecteur pour électriquement interconnecter les diodes positives et négatives et des moyens générateurs d'un flux forcé d'un fluide de refroidissement, s'écoulant dans la direction axiale de la machine, le support des diodes positives portant sur sa face frontale orientée vers l'axe de la machine des ailettes de refroidissement qui s'étendent dans ledit écoulement axial du fluide de refroidissement dans la direction radiale de la machine, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de refroidissement mixtes du support des diodes négatives par convection et conduction.
2. Agencement selon la revendication 1, caractérisé en ce que le carter (12) comporte au niveau du palier arrière (6) de support des diodes négatives (7) des orifices latéraux (16) d'entrée d'un flux de fluide de refroidissement radial (F3), sous l'effet de l'écoulement du flux axial de fluide de refroidissement (FI), qui passe au-dessus de la surface supérieure du palier dans laquelle sont implantées des diodes négatives (7).
3. Agencement selon la revendication 2, caractérisé en ce que les diodes négatives sont implantées dans des surépaisseurs locales (22) sur la face supérieure du palier arrière (6) de la machine.
4. Agencement selon la revendication 3, caractérisé en ce que les surépaisseurs présentent une forme
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tronconique dans la face supérieure desquelles sont implantées les diodes négatives (7).
5. Agencement selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de refroidissement du support (1) des diodes positives (2) par un flux de fluide de refroidissement radial (F2).
6. Agencement selon la revendication 5, caractérisé en ce que les moyens de refroidissement par un flux de fluide de refroidissement radial (F2) comporte des ouvertures (14,30) qui sont prévues dans la paroi du carter, qui recouvre l'agencement en s'étendant perpendiculairement à l'axe de la machine.
7. Agencement selon la revendication 6, caractérisé en ce que le support (1) des diodes positives (2) comporte, sur son bord orienté vers l'axe de la machine, des moyens de déviation d'une partie du flux de fluide de refroidissement axial (FI) pour créer le flux radial (F2) qui passe au-dessus de la surface supérieure du support (1) dans laquelle sont implantées les diodes positives (2).
8. Agencement selon la revendication 7, caractérisé en ce que le flux de fluide de refroidissement radial (F2) est amené à s'écouler sous le support (1) des diodes positives en direction de l'axe de la machine pour rejoindre le flux de fluide de refroidissement axial FI.
9. Agencement selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'écoulement radial vers l'axe de la machine, du flux de fluide de refroidissement radial (F2) sous le support (1) de diodes positives (2), est entraîné par le fluide de refroidissement radial (F3).
10. Agencement selon l'une des revendications 6 à 9, caractérisé en ce que les moyens de refroidissement par le flux de fluide radial (F2) comporte au bord orienté vers l'axe de la machine, du support (1) des diodes positives (2) un élément tel qu'un muret (20), qui fait saillie du support en direction des ouvertures
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d'entrée (14,30) entre les flux de fluide de refroidissement (F1) et (F2).
11. Agencement selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que le support (1) des diodes positives (2) est disposé entre le dispositif connecteur (9) et le palier arrière (6) de façon que le rapport de sa distance (D2) du palier (6) et de sa distance (Dl) du connecteur (9) soit compris entre 0,85 et 1,25.
12. Agencement selon la revendication 11, caractérisé en ce que le rapport précité des distances est avantageusement supérieur à 1.
13. Agencement selon l'une des revendications 3 à 11, caractérisé en ce que la relation entre la masse de dissipation thermique que constitue les surépaisseurs (22) d'implantation des diodes négatives (7) et les pertes de charge que ces surépaisseurs occasionnent est susceptible d'être optimisée par un dimensionnement approprié de la forme des surépaisseurs.
14. Agencement selon l'une des revendications 6 à 12, caractérisé en ce que les ouvertures pratiquées dans la paroi de recouvrement du carter (12) comportent, juxtaposées dans la direction radiale de la machine, des ouvertures (14) d'entrée du flux de fluide de refroidissement (F1) et des ouvertures (30) d'entrée du fluide de refroidissement (F2).
15. Agencement selon les revendications 10 et 14, caractérisé en ce que les ouvertures précitées (14,30) d'entrée des flux de fluide de refroidissement (F1) et (F2) sont séparées par une zone annulaire pleine (31) du carter, située au niveau au-dessus du muret (20).
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