FR3096844A1 - Machine electrique tournante munie d'une chambre de refroidissement - Google Patents

Machine electrique tournante munie d'une chambre de refroidissement Download PDF

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Abstract

L’invention porte principalement sur une machine électrique tournante (10), notamment pour véhicule automobile, comportant: - un stator (11) comprenant un corps de stator (33) et un bobinage (34), ledit corps de stator (33) comportant une culasse (37) et des dents issues d'une périphérie interne de la culasse (37), - au moins un palier (16) muni d'un logement (17) destiné à recevoir un moyen de guidage en rotation (19) d'un arbre (13), et - une chambre de refroidissement (41) disposée autour du corps de stator (33) et dans laquelle circule un liquide de refroidissement, - au moins une portion externe (37.2) de la culasse (37) est réalisée dans un matériau composite magnétique, la chambre de refroidissement (41) étant délimitée au moins en partie d'une part par une périphérie externe de la culasse (37) du corps de stator (33) et d'autre part par une périphérie interne du palier (16). Figure pour abrégé : Figure 1

Description

MACHINE ELECTRIQUE TOURNANTE MUNIE D'UNE CHAMBRE DE REFROIDISSEMENT
La présente invention porte sur une machine électrique tournante munie d'une chambre de refroidissement. L'invention trouve une application particulièrement avantageuse, mais non exclusive, avec les machines électriques tournantes équipant les véhicules automobiles.
De façon connue en soi, une machine électrique tournante comporte un stator et un rotor solidaire d'un arbre. Le rotor pourra être solidaire d'un arbre menant et/ou mené et pourra appartenir à une machine électrique tournante sous la forme d'un alternateur, d'un moteur électrique, ou d'une machine réversible pouvant fonctionner dans les deux modes.
Le stator est monté dans un carter configuré pour porter à rotation l'arbre par exemple par l'intermédiaire de roulements. Le rotor comporte un corps formé par un empilage de feuilles de tôles maintenues sous forme de paquet au moyen d'un système de fixation adapté, tel que des rivets traversant axialement le corps du rotor de part en part. Le rotor comporte des pôles formés par exemple par des aimants permanents logés dans des cavités ménagées dans la masse magnétique du rotor, comme cela est décrit par exemple dans le document EP0803962. Alternativement, dans une architecture dite à pôles "saillants", les pôles sont formés par des bobines enroulées autour de bras du rotor.
Par ailleurs, le stator comporte un corps constitué par un empilage de tôles minces formant une couronne, dont la face intérieure est pourvue d'encoches ouvertes vers l'intérieur pour recevoir des enroulements de phase. Les enroulements de phase sont obtenus par exemple à partir d'un fil continu recouvert d'émail ou d'épingles soudées entre elles. Ces enroulements sont des enroulements polyphasés connectés en étoile ou en triangle dont les sorties sont reliées à un module électronique de commande comportant un onduleur de puissance.
Afin d'assurer le refroidissement de la machine électrique, le document WO2017216488 enseigne la réalisation d'une chambre de refroidissement disposée autour du stator. Un liquide de refroidissement, tel que de l'eau, est destiné à circuler dans la chambre pour extraire les calories du stator générées par le passage des courants dans le bobinage.
La chambre de refroidissement est délimitée d'une part par une périphérie externe d'un des paliers du carter et d'autre part par une périphérie interne de l'autre palier du carter. Afin d'établir un contact intime entre le corps de stator et la chambre de refroidissement, le corps de stator est fretté avec une périphérie interne d'un des paliers, ce qui constitue une opération complexe et coûteuse. En outre, une telle configuration est encombrante du fait de la superposition radiale des parois des paliers pour former la chambre de refroidissement.
La présente invention vise à remédier efficacement à ces inconvénients en proposant une machine électrique tournante, notamment pour véhicule automobile, comportant:
- un stator comprenant un corps de stator et un bobinage, ledit corps de stator comportant une culasse et des dents issues d'une périphérie interne de la culasse,
- au moins un palier muni d'un logement destiné à recevoir un moyen de guidage en rotation d'un arbre, et
- une chambre de refroidissement disposée autour du corps de stator et dans laquelle circule un liquide de refroidissement,
- au moins une portion externe de la culasse étant réalisée dans un matériau composite magnétique, la chambre de refroidissement étant délimitée au moins en partie d'une part par une périphérie externe de la culasse du corps de stator et d'autre part par une périphérie interne du palier.
L'invention permet ainsi de supprimer un des paliers pour former la chambre de refroidissement, ce qui rend l'ensemble plus compact et présente un caractère économique. Le fait qu'au moins la portion externe de la culasse soit réalisée en matériau composite magnétique permet de garantir l'étanchéité de la chambre de refroidissement par rapport à un corps de stator réalisé classiquement entièrement en tôles feuilletées. En outre, l'invention permet de supprimer l'étape de frettage, de sorte que la machine électrique tournante est plus facile à réaliser.
Selon une réalisation, le corps de stator est réalisé entièrement dans un matériau magnétique composite.
Selon une réalisation, le corps de stator comporte une première partie formée par une portion interne de la culasse et les dents et une deuxième partie formée par la portion externe de la culasse réalisée dans un matériau magnétique composite. Une telle configuration offre un bon compromis en termes de performances magnétiques.
Selon une réalisation, la portion externe de la culasse est surmoulée autour de la portion interne de la culasse.
Selon une réalisation, la portion externe de la culasse est fixée à la portion interne de la culasse, notamment par emmanchement ou collage.
Selon une réalisation, la portion externe de la culasse comporte au moins une rainure destinée à recevoir un joint d'étanchéité.
Selon une réalisation, la portion externe de la culasse comporte un épaulement constituant une paroi d'extrémité axiale de la chambre de refroidissement.
Selon une réalisation, la périphérie interne du palier comporte un épaulement constituant une paroi d'extrémité axiale de la chambre de refroidissement.
Selon une réalisation, la périphérie interne du palier comporte un épaulement constituant une butée de mise en place axiale pour une extrémité axiale du corps de stator.
Selon une réalisation, ladite machine électrique tournante comporte un muret de séparation entre une entrée de liquide de refroidissement et une sortie de liquide de refroidissement.
Selon une réalisation, une épaisseur de la portion externe de la culasse est comprise entre 2mm et 4mm et vaut de préférence de l'ordre de 3mm.
L’invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit et à l’examen des figures qui l’accompagnent. Ces figures ne sont données qu’à titre illustratif mais nullement limitatif de l’invention.
La figure 1 est une vue en coupe longitudinale d'un premier mode de réalisation d'une machine électrique tournante selon la présente invention;
La figure 2 est une vue en perspective éclatée de la machine électrique tournante de la figure 1;
La figure 3 est une vue en perspective du stator de la machine électrique tournante de la figure 1;
La figure 4 est une vue en coupe longitudinale d'un deuxième mode de réalisation d'une machine électrique tournante selon la présente invention;
La figure 5 est une vue en perspective du stator de la machine électrique tournante de la figure 4.
Les éléments identiques, similaires, ou analogues conservent la même référence d’une figure à l’autre.
La figure 1 montre une machine électrique tournante 10 comportant un stator 11 polyphasé entourant un rotor 12 monté sur un arbre 13 d'axe X correspondant à l'axe de la machine électrique 10. Le stator 11 entoure le rotor 12 avec présence d’un entrefer entre la périphérie interne du stator 11 et la périphérie externe du rotor 12. La machine électrique 10 comporte également un palier avant 15 et un palier arrière 16 muni chacun d'un logement 17 destiné à recevoir un moyen de guidage en rotation 19 de l'arbre 13, tel qu'un roulement à billes.
Le palier avant 15 est situé du côté de la sortie de l'arbre 13 destinée à coopérer avec un élément externe de la machine (système à courroie, engrenage, ou autre), tandis que le palier arrière 16 est situé du côté opposé par rapport à la sortie de l'arbre 13.
Comme on peut le voir sur la figure 2, le palier arrière 16 comporte une portion 21 d'orientation transversale par rapport à l'axe X comprenant centralement le logement 17 d'un roulement 19 et de laquelle est issue une portion annulaire 22 d'orientation axiale ayant une longueur axiale au moins égale à celle du stator 11.
Le palier avant 15 comporte une portion transversale 23 comprenant centralement un logement 17 d'un roulement 19 de laquelle est issue une portion annulaire 24 plus courte axialement que la portion annulaire 22 du palier arrière 16. Le palier avant 15 forme un couvercle destiné à fermer l'extrémité ouverte du palier arrière 16. A cet effet, des organes de fixation 26, tels que des vis ou des rivets, coopèrent avec des oreilles saillantes 27 réalisées en périphérie externe du palier avant 15 et du palier arrière 16. En variante, les configurations du palier avant 15 et du palier arrière 16 pourront bien entendu être inversées, c’est-à-dire que le palier arrière 16 pourra jouer un rôle de couvercle pour le palier avant 15.
Le rotor 12 comporte, de façon connue en soi, un corps 29 sous la forme d’un paquet de tôles. Des aimants permanents 30 sont implantés dans des cavités du corps 29, tel que montré sur les figures 1 et 4. Les aimants permanents 30 pourront être en terres rares ou en ferrite selon les applications et la puissance recherchée de la machine électrique 10. En outre, le rotor 12 comporte deux flasques 31 plaqués chacun contre une face d'extrémité axiale du rotor 12. Ces flasques 31 assurent une retenue axiale des aimants 30 et servent, le cas échéant, à équilibrer le rotor 12.
Par ailleurs, le stator 11 comporte un corps 33 ainsi qu’un bobinage 34. Comme cela est illustré par la figure 3, le corps de stator 33 est muni de dents 35 issues d'une périphérie interne d'une culasse 37 annulaire d'orientation axiale par rapport à l'axe X. Les dents 35 et la culasse 37 ont une fonction magnétique, dans la mesure où le flux magnétique de la machine électrique traverse ces éléments pour assurer son fonctionnement.
Les dents 35 délimitent deux à deux des encoches 40 pour le montage du bobinage 34 du stator 11. Ainsi, deux encoches 40 successives sont séparées par une dent 35. Les encoches 40 débouchent axialement dans les faces d'extrémité axiale et radialement vers l'intérieur du corps de stator 33.
Suivant ce mode de réalisation, le corps de stator 33 est réalisé en deux parties, à savoir une première partie 33.1 formée par une portion interne 37.1 de la culasse 37 de laquelle sont issues les dents 35 et une deuxième partie 33.2, indépendante de la première partie 33.1, formée par une portion externe 37.2 de la culasse 37.
La première partie 33.1, à savoir l'ensemble "portion interne 37.1 de la culasse 37 et dents 35", est constituée par un paquet de tôles réalisé par un empilement de feuilles de tôles maintenues sous forme de paquet au moyen d'un système de fixation adapté, tel que des rivets.
La deuxième partie 33.2, à savoir la portion externe 37.2 de la culasse 37, est réalisée dans un matériau magnétique composite, ou matériau SMC pour "Soft Magnetic Composite" en anglais). Ce matériau contient de la poudre de matériau ferromagnétique, tel que de la poudre d'acier, dont les particules sont liées avec un matériau isolant, par exemple un matériau polymère résistant aux hautes températures.
La portion externe 37.2 de la culasse 37 est de préférence surmoulée autour de la portion interne 37.1 de la culasse 37. En variante, la portion externe 37.2 de la culasse 37 est fixée à la portion interne 37.1 de la culasse 37, notamment par emmanchement ou collage.
Dans sa partie active, c’est-à-dire la partie dans laquelle circule un flux magnétique utile pour le fonctionnement de la machine électrique 10, la portion externe 37.2 de la culasse 37 présente une épaisseur comprise entre 2mm et 4mm et vaut de préférence de l'ordre de 3mm. La portion interne 37.1 de la culasse 37 présente une épaisseur comprise entre 1.5mm et 3mm, et vaut de préférence de l'ordre de 2mm.
Le bobinage 34 représenté en figures 1 et 2 comporte un ensemble d'enroulements de phase traversant les encoches 40 et formant des chignons s'étendant en saillie de part et d'autre du corps de stator 33. Dans l'exemple représenté, le bobinage 34 est réalisé à partir d'éléments conducteurs en forme d'épingles reliés entre eux par exemple par soudage. Ces enroulements sont par exemple des enroulements triphasés ou doubles triphasés connectés en étoile ou en triangle.
Afin d'assurer le refroidissement de la machine électrique 10, une chambre de refroidissement 41 est disposée autour du corps de stator 33, tel que montré sur la figure 1. La chambre de refroidissement 41 pourra présenter avantageusement une forme annulaire. La chambre de refroidissement 41 est munie d'une entrée 42 et d'une sortie 43 de liquide de refroidissement (cf. figure 2) pour permettre une circulation du liquide de refroidissement à l'intérieur de la chambre de refroidissement 41 autour du corps de stator 33.
La chambre de refroidissement 41 est délimitée au moins en partie d'une part par une périphérie externe de la culasse 37 du corps de stator 33 et d'autre part par une périphérie interne d'un des paliers. En l'occurrence, la chambre de refroidissement 41 est délimitée au moins en partie d'une part par une périphérie externe de la portion externe 37.2 de la culasse 37 et d'autre part par une périphérie interne du palier arrière 16.
Ainsi, le liquide de refroidissement, tel que de l'eau ou de l'huile ou tout autre liquide à fort pouvoir caloporteur adapté à l'application, étant en contact direct avec le corps de stator 33, l'extraction des calories générées par le courant circulant dans le bobinage 34 est optimale.
La portion externe 37.2 de la culasse 37 comporte un épaulement 45 défini par une différence de diamètre externe constituant une paroi d'extrémité axiale de la chambre de refroidissement 41.
Le palier arrière 16 comporte une périphérie interne étagée en diamètre ayant un épaulement 46 constituant l'autre paroi d'extrémité axiale de la chambre de refroidissement 41. La périphérie interne du palier arrière 16 comporte également un épaulement 47 constituant une butée de mise en place axiale pour une extrémité axiale du corps de stator 33.
L'étanchéité de la chambre de refroidissement 41 est assurée par des joints 49, notamment de type torique, disposés chacun dans une rainure 50 correspondante ménagée dans la portion externe 37.2 de la culasse 37. En variante, les rainures 50 de réception des joints 49 pourront être prévues dans la périphérie interne du palier arrière 16.
De préférence, un muret 51 permet de séparer l'entrée 42 de liquide de refroidissement et la sortie 43 de liquide de refroidissement afin de favoriser un renouvellement du liquide de refroidissement dans la chambre 41.
En variante, dans le mode de réalisation des figures 4 et 5, le corps de stator 33 est réalisé entièrement dans un matériau magnétique composite. Le stator 11 pourra comporter un bobinage 34 réalisé à partir de fils continus ou d'épingles comme précédemment, ou à partir de bobines individuelles 53 enroulées autour des dents 35 du stator 11 par l'intermédiaire d'un isolant de bobine 54, tel que cela est représenté sur la figure 5.
Bien entendu, la description qui précède a été donnée à titre d'exemple uniquement et ne limite pas le domaine de l'invention dont on ne sortirait pas en remplaçant les différents éléments par tous autres équivalents.
En outre, les différentes caractéristiques, variantes, et/ou formes de réalisation de la présente invention peuvent être associées les unes avec les autres selon diverses combinaisons, dans la mesure où elles ne sont pas incompatibles ou exclusives les unes des autres.

Claims (11)

  1. Machine électrique tournante (10), notamment pour véhicule automobile, comportant:
    - un stator (11) comprenant un corps de stator (33) et un bobinage (34), ledit corps de stator (33) comportant une culasse (37) et des dents (35) issues d'une périphérie interne de la culasse (37),
    - au moins un palier (16) muni d'un logement (17) destiné à recevoir un moyen de guidage en rotation (19) d'un arbre (13), et
    - une chambre de refroidissement (41) disposée autour du corps de stator (33) et dans laquelle circule un liquide de refroidissement,
    caractérisée en ce qu'au moins une portion externe (37.2) de la culasse (37) est réalisée dans un matériau composite magnétique et en ce que la chambre de refroidissement (41) est délimitée au moins en partie d'une part par une périphérie externe de la culasse (37) du corps de stator (33) et d'autre part par une périphérie interne du palier (16).
  2. Machine électrique tournante selon la revendication 1, caractérisée en ce que le corps de stator (33) est réalisé entièrement dans un matériau magnétique composite.
  3. Machine électrique tournante selon la revendication 1, caractérisée en ce que le corps de stator (33) comporte une première partie (33.1) formée par une portion interne (37.1) de la culasse (37) et les dents (35) et une deuxième partie (33.2) formée par la portion externe (37.2) de la culasse (37) réalisée dans un matériau magnétique composite.
  4. Machine électrique tournante selon la revendication 3, caractérisée en ce que la portion externe (37.2) de la culasse (37) est surmoulée autour de la portion interne (37.1) de la culasse (37).
  5. Machine électrique tournante selon la revendication 3, caractérisée en ce que la portion externe (37.2) de la culasse (37) est fixée à la portion interne (37.1) de la culasse (37), notamment par emmanchement ou collage.
  6. Machine électrique tournante selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que la portion externe (37.2) de la culasse (37) comporte au moins une rainure (50) destinée à recevoir un joint d'étanchéité (49).
  7. Machine électrique tournante selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que la portion externe (37.2) de la culasse (37) comporte un épaulement (45) constituant une paroi d'extrémité axiale de la chambre de refroidissement (41).
  8. Machine électrique tournante selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que la périphérie interne du palier (16) comporte un épaulement (46) constituant une paroi d'extrémité axiale de la chambre de refroidissement (41).
  9. Machine électrique tournante selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisée en ce que la périphérie interne du palier (16) comporte un épaulement (47) constituant une butée de mise en place axiale pour une extrémité axiale du corps de stator (33).
  10. Machine électrique tournante selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisée en ce qu'elle comporte un muret (51) de séparation entre une entrée (42) de liquide de refroidissement et une sortie (43) de liquide de refroidissement.
  11. Machine électrique tournante selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisée en ce qu'une épaisseur de la portion externe (37.2) de la culasse (37) est comprise entre 2mm et 4mm et vaut de préférence de l'ordre de 3mm.
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