FR3098039A1

FR3098039A1 - Rotor pour machine électrique et machine électrique équipée d’un tel rotor

Info

Publication number: FR3098039A1
Application number: FR1907207A
Authority: FR
Inventors: Khadija El Baraka; Svetislav Jugovic
Original assignee: Valeo Equipements Electriques Moteur SAS
Current assignee: Valeo Equipements Electriques Moteur SAS
Priority date: 2019-06-28
Filing date: 2019-06-28
Publication date: 2021-01-01

Abstract

Un aspect de l’invention concerne un rotor (3) pour machine électrique (1), comportant un corps de rotor (31) cylindrique destiné à être monté autour d’un arbre de rotor (32) et équipé d’une pluralité d’encoches ouvertes (320) s’étendant axialement en périphérie externe dudit corps, lesdites encoches (320) étant destinées à recevoir au moins un bobinage (33) comprenant des enroulements de phase (330) connectés ensemble, dans lequel le corps de rotor (32) comporte en outre une pluralité d’évidements (350) s’étendant axialement le long de certaines au moins des encoches (320) et débouchant chacun dans un fond (321) d’une des encoches de sorte à permettre à un flux d’air circulant dans les évidements de lécher le bobinage. Un autre aspect de l’invention concerne une machine électrique comportant ce rotor (3). Figure pour l’abrégé : Fig. 5

Description

Rotor pour machine électrique et machine électrique équipée d’un tel rotor

La présente invention concerne un rotor bobiné dont le bobinage est refroidi par une circulation d’air. L’invention concerne également une machine électrique comportant un tel rotor.

L’invention trouve des applications dans le domaine des machines électriques tournantes telles que les alternateurs, les alterno-démarreurs, les moteurs électriques et les machines réversibles. L’invention trouve, en particulier, une application dans les véhicules électriques, par exemple de faible puissance ("microcars" en termes anglosaxons), les véhicules à deux roues de type moto, ou les quadricycles lourds.

ARRIERE-PLAN TECHNOLOGIQUE DE L’INVENTION

Il est connu dans le domaine technique d’utiliser des machines électriques à courant continu, notamment dans les démarreurs de véhicule automobile ou pour propulser un véhicule. Ces machines électriques sont munies d’un stator, formant l’inducteur, comportant plusieurs aimants permanents ou des pôles bobinés (électroaimants) et d’un rotor comportant des conducteurs formant le bobinage du rotor. Le rotor forme, avec un collecteur mécanique, l’induit. Le collecteur mécanique, muni de lames sur lesquelles frottent des balais, permet l’alimentation en courant continu de l’induit. L’ensemble balais/collecteur forme un commutateur mécanique qui permet l’autopilotage mécanique de l’alimentation du bobinage. Chaque changement de position angulaire de l’induit correspond, grâce à l’agencement de position angulaire des lames et des balais, à une nouvelle alimentation du bobinage. Le positionnement des balais et du collecteur est fixé par la position angulaire des pôles inducteurs.

Il est connu également d’utiliser des machines électriques tournantes synchrones polyphasées, notamment triphasées, à courant alternatif synchrone, notamment pour une application dans la chaîne de traction d’un véhicule automobile. Une telle machine synchrone polyphasée comprend classiquement un rotor mobile en rotation autour d’un axe et un stator fixe entourant le rotor. En mode alternateur, lorsque le rotor est en rotation, il induit une tension au stator qui la transforme en courant électrique pour ensuite alimenter les consommateurs électriques du véhicule et recharger la batterie. En mode moteur, le stator est alimenté électriquement et crée un champ tournant magnétique puis un couple relativement aux pôles inducteurs, entraînant le rotor en rotation par exemple pour démarrer le moteur thermique. Ces machines présentent un net avantage en termes de performance volumiques par rapport aux machines à courant continu.

Une telle machine comporte classiquement un arbre, solidaire du rotor, dont une extrémité arrière porte des bagues collectrices appartenant à un collecteur. Des balais sont disposés de façon à frotter sur les bagues collectrices. Le porte-balais est relié à un régulateur de tension pour l’utilisation en mode alternateur. Le rotor comporte un corps constitué par un empilage de tôles minces formant une couronne, dont la face extérieure est pourvue d'encoches s’étendant axialement pour recevoir un bobinage comprenant des enroulements de phase connectés ensemble, par exemple, en étoile ou en triangle. Les encoches, en périphérie externe du corps de rotor, sont ouvertes vers l’extérieur dudit corps. Les enroulements traversent axialement les encoches du corps de rotor et forment des chignons formant saillie de part et d'autre dudit corps de rotor. Les enroulements de phase sont obtenus généralement à partir d'un fil continu recouvert d'émail ou à partir d'éléments conducteurs en forme d'épingles reliées entre elles par soudage. Le bobinage est relié électriquement à un ensemble électronique par une entrée et une sortie. Contrairement aux machines électriques à courant continu, les enroulements sont ouverts.

Il est connu qu’une machine électrique, quelle que soit sa conception, doit être refroidie pour éviter tout risque de surchauffe et donc lui assurer la meilleure durée de vie possible. Pour refroidir une machine électrique de type fermé, il est connu de faire circuler un fluide de refroidissement dans un circuit fermé et d’évacuer la chaleur au moyen d’un échangeur de chaleur. Dans une machine électrique de type ouvert, l’air, directement extrait de l’environnement, circule à l’intérieur de la machine et est rejeté dans l’environnement. Différents mécanismes, comme la rotation de l’air induite par le rotor, la convection naturelle sur l’extérieur de la machine, des ailettes augmentant les surfaces d’échange, sont généralement utilisés pour refroidir la machine.

Cependant, ces techniques de refroidissement permettent généralement de refroidir le stator de la machine électrique ainsi que le corps du rotor. Elles ne permettent pas de refroidir le bobinage du rotor et, en particulier, pas les couches internes des enroulements du bobinage.

Il existe donc un besoin de refroidissement du bobinage d’un rotor de machine électrique et, en particulier, des enroulements de bobinage internes, situés en intérieur des encoches du corps de rotor.

Pour répondre aux problèmes évoqués ci-dessus de refroidissement du bobinage du rotor d’une machine électrique, le demandeur propose un rotor dont le corps de rotor comporte des évidements débouchant dans les encoches dudit corps de rotor.

Selon un premier aspect, l’invention concerne un rotor pour machine électrique, comportant un corps de rotor cylindrique destiné à être monté autour d’un arbre de rotor et équipé d’une pluralité d’encoches ouvertes s’étendant axialement en périphérie externe dudit corps, lesdites encoches étant destinées à recevoir au moins un bobinage comprenant des enroulements de phase connectés ensemble. Ce rotor se caractérise par le fait que le corps de rotor comporte en outre une pluralité d’évidements s’étendant axialement le long de certaines au moins des encoches et débouchant chacun dans un fond d’une des encoches de sorte à permettre à un flux d’air circulant dans les évidements de lécher le bobinage.

Ce rotor permet un refroidissement de l’ensemble du bobinage et, en particulier, des enroulements internes du bobinage.

Outre les caractéristiques qui viennent d’être évoquées dans le paragraphe précédent, le rotor selon un aspect de l’invention peut présenter une ou plusieurs caractéristiques complémentaires parmi les suivantes, considérées individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles :

le corps de rotor comporte, entre chaque évidement et le fond d’une encoche voisine dudit évidement, un canal de liaison axial assurant un passage du flux d’air de l’évidement vers l’encoche.
le canal de liaison comporte une dimension axiale sensiblement identique à une dimension axiale de l’encoche et une dimension latérale petite par rapport à une dimension latérale de l’encoche.
le canal de liaison est de forme rectiligne.
chaque évidement comporte une dimension radiale inférieure à une dimension radiale de l’encoche.
les évidements sont espacés circonférentiellement les uns des autres d’au moins 3mm.
les évidements sont répartis régulièrement le long des encoches, un évidement étant positionné toutes les n encoches, avec n entier naturel supérieur ou égal à 1.

Selon un second aspect, l’invention concerne une machine électrique comportant un rotor et un stator montés de façon concentrique autour d’un arbre de rotor. Cette machine électrique se caractérise par le fait que le rotor est tel que défini ci-dessus.

Cette machine électrique peut présenter une ou plusieurs caractéristiques complémentaires parmi les suivantes, considérées individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles :

elle comporte un ventilateur monté en face avant et/ou en face arrière du rotor.
le rotor est un rotor à bobinage concentrique ou ondulé.

Dans la suite de la description, on comprendra par « axial » ou « axialement » une direction parallèle à l’axe de rotation du rotor, c'est-à-dire une direction parallèle à l’arbre de rotor. On comprendra, en outre, par « radial » ou « radialement » une direction selon un des rayons du rotor, c'est-à-dire une direction reliant perpendiculairement l’axe de rotation du rotor et la face extérieure du corps de rotor.

De plus, le terme « fond » d’une encoche sera compris comme la surface la plus intérieure de l’encoche, c'est-à-dire la surface fermant au moins partiellement l’encoche dans la partie de l’encoche la plus proche de l’arbre de rotor.

D’autres avantages et caractéristiques de l’invention apparaîtront à la lecture de la description, illustrée par les figures dans lesquelles :

[Fig.1] La figure 1 représente une vue schématique en coupe d’une machine électrique équipée du rotor selon l’invention ;
[Fig. 2] La figure 2 représente une vue schématique en perspective d’un corps de rotor selon l’invention ;
[Fig. 3] La figure 3 représente une vue schématique de face du corps de rotor de la figure 2 ;

[Fig. 4] La figure 4 représente une vue schématique de côté d’un rotor selon un mode de réalisation, avec son corps de rotor, son bobinage et son arbre de rotor ;
[Fig. 5] La figure 5 représente une vue schématique de face du rotor de la figure 4 ;

[Fig. 6] La figure 6 représente une vue schématique en perspective d’un rotor selon un autre mode de réalisation, avec son corps de rotor, son bobinage et son arbre de rotor.

Un exemple de réalisation d’un rotor de machine électrique équipé de moyens de refroidissement du bobinage est décrit en détail ci-après, en référence aux dessins annexés. Cet exemple illustre les caractéristiques et avantages de l'invention. Il est toutefois rappelé que l'invention ne se limite pas à cet exemple.

Sur les figures, les éléments identiques sont repérés par des références identiques. Pour des questions de lisibilité des figures, les échelles de taille entre éléments représentés ne sont pas respectées.

Un exemple d’une machine électrique selon l’invention est représenté schématiquement sur la figure 1, en coupe. La machine électrique 1, appelée plus simplement machine, est apte à équiper par exemple un système de traction pour engin de transport, notamment un véhicule automobile.

Dans cet exemple, la machine 1 comprend un rotor 3 mobile en rotation autour de l’axe X de rotation de la machine et un stator 4 fixe en rotation comprenant 2*p pôles magnétiques. Le rotor 3 avec le collecteur forment l’induit et le stator 4 forme l’inducteur de la machine. La machine 1 comprend également un carter 5 fixe en rotation, par exemple en deux parties 5a et 5b, qui entoure l’ensemble du stator 4 et du rotor 3 et sur lequel est fixé le stator 4.

Le stator 4, par exemple un stator bobiné ou un stator à aimants permanents, est alimenté avec un courant électrique d’excitation continu EXC généré par une source de tension, en particulier la batterie B dans le cas d’un véhicule automobile.

Dans l’exemple de la figure 1, le rotor 3 comprend un corps de rotor 31 et un arbre de rotor 32 sur lequel est monté, par exemple en force, ledit corps de rotor. L’arbre de rotor 32, qui traverse un palier avant 13 et un palier arrière 14, est monté à rotation par rapport au carter 5, par exemple au moyen d’organes de roulement montés sur les paliers 13, 14.

La machine 1 comporte en outre un commutateur mécanique 40 pour alimenter les phases de rotor 3. Comme expliqué par la suite, lorsque le rotor 3 comporte trois phases, le commutateur mécanique alimente ledit rotor avec un système de courant triphasé. Dans l’exemple de la figure 1, le commutateur 40 comprend un collecteur 41 mobile en rotation autour de l’axe X. Le collecteur 41 est fixé en rotation sur l’arbre de rotor 32 et forme avec le rotor 3 l’induit de la machine 1. Le commutateur 40 comprend également au moins une paire de balais d’extension radiale, un balai positif 45 et un balai négatif 46, aptes à frotter sur le collecteur 41. Les balais 45, 46, reliés à une même source de tension B, sont fixes en rotation et sont définis chacun sur un secteur angulaire.

Dans l’exemple considéré, la machine 1 comprend un ensemble porte-balais 50 fixe en rotation dans lequel sont logés les balais 45, 46. Le porte-balais est fixé au carter, notamment sur la partie arrière 5b du carter. Le porte-balais 50, qui porte les balais, entoure le collecteur 41. Ainsi, lorsque la machine 1 fonctionne en mode générateur, le rotor 3 est entraîné en rotation et le bobinage 33 du rotor est alimenté électriquement par le commutateur 40. Le rotor 3 est alors magnétisé et le champ magnétique créé génère un courant induit dans le bobinage du stator 4.

Comme énoncé précédemment, le rotor 3 comporte un corps de rotor 31 monté autour d’un arbre de rotor 32 et entouré d’un bobinage 33 concentrique ou ondulé. Un exemple d’un corps de rotor 31 est représenté schématiquement, selon une vue en perspective, sur la figure 2 et selon une vue de face sur la figure 3. Dans cet exemple, le corps de rotor 31 comprend un paquet de tôles 310 en matériau ferromagnétique, par exemple de l’acier ou un composite magnétique. Ce paquet de tôles 310 comprend une pluralité de tôles de forme annulaire, empilées axialement et assemblées par des moyens d’assemblage tels que, par exemple, des agrafes, une soudure ou des rivets. Dans l’exemple des figures 2 et 3, les tôles empilées sont réunies et compactées au moyen de rivets destinés à être insérés dans les orifices 312 réalisés au sein du paquet de tôles 310. Le paquet de tôles 310 peut comporter, en plus des orifices de rivets 312, des orifices d’allègement 314 conçus pour réduire la masse du rotor 3. Ces orifices d’allègement 314 peuvent être des trous traversants et/ou borgnes, de formes différentes, par exemple oblongs, circulaires ou ovales, disposés ou non radialement autour de l’orifice central 316 destiné à recevoir l’arbre de rotor 32.

Le paquet de tôles 310 comporte en outre une pluralité d’encoches d’extension axiale 320 formées à l’extrémité externe du paquet de tôles. Ces encoches 320, ouvertes vers l’extérieur du corps de rotor, sont séparées les unes des autres par des dents 340 et s’étendent radialement sur toute la longueur du corps de rotor.

Les encoches 320 sont adaptées pour recevoir au moins un bobinage 33, comme représenté sur les figures 4 à 6. Le bobinage 33 comporte des enroulements de phase 330 connectés ensemble, par exemple en étoile ou en polygone. Les enroulements de phase 330 s’étendent axialement à l’intérieur des encoches 320 et forment, sur les faces avant et arrière du corps de rotor 31, des chignons 332 formant saillie de part et d'autre dudit corps de rotor. Le bobinage 33 est relié électriquement à un ensemble électronique, non représenté sur les figures, par une entrée et une sortie 335.

Le bobinage est reparti en q phases. Les phases comprennent des sections de bobinage logées dans les encoches 320, les sections de chaque phase se succédant circonférentiellement. Dans les exemples des figures 4 à 6, le bobinage 33 est triphasé ; le nombre de phase q est donc égale à 3 et les trois phases sont connectées en triangle ou en étoile.

Selon l’invention, le paquet de tôles 310 comprend, au voisinage des encoches 320, une pluralité d’évidements 350 s’étendant axialement le long de certaines au moins desdites encoches 320. Les évidements 350 sont des orifices qui débouchent chacun dans le fond d’une encoche 320. En effet, selon l’invention, le fond 321 de chaque encoche 320 à proximité de laquelle s’étend un évidement 350 est ouvert de sorte que l’encoche et l’évidement communiquent l’un avec l’autre.

Les évidements 350 peuvent comporter des dimensions et des formes diverses, adaptées aux performances du rotor et/ou de la machine électrique. En effet, les évidements sont définis et dimensionnés pour offrir le plus grand volume possible d’air, tout en impactant le moins possible les performances du rotor et/ou de la machine électrique et donc en évitant de perturber les lignes de champs magnétique générées au sein de ladite machine électrique. Les évidements peuvent donc présenter des sections de forme quelconque, par exemple carrée comme sur les figures 2 et 3, ou rectangulaire, triangulaire, ronde, etc.

Selon certains modes de réalisation, les évidements 350 sont répartis circonférentiellement dans le paquet de tôles 310, dans une zone voisine des encoches. La répartition, de préférence régulière, est adaptée pour que soit respecté un écart minimum entre deux évidements consécutifs. Cet écart minimum est déterminé en fonction notamment du diamètre du rotor 3 et du matériau du corps de rotor. Il peut être, par exemple, de 3 mm pour un rotor de 110 mm de diamètre.

Le nombre d’évidements 350 peut varier en fonction des dimensions du rotor et du refroidissement recherché. Il est dans tous les cas inférieur ou égal au nombre d’encoches 320. Autrement dit, le paquet de tôles 310 peut comprendre un évidement pour n encoches, avec n entier naturel supérieur ou égal à 1. Il peut comporter, par exemple, un évidement pour deux encoches ou un évidement pour trois ou quatre encoches. Selon les modes de réalisation représentés sur les figures 2 et 3, le paquet de tôles 310 comporte autant d’évidements 350 que d’encoches 320. Dans ces modes de réalisation, un évidement est alors associé à chaque encoche, chaque évidement débouchant dans le fond d’une des encoches 320.

Quel que soit le nombre d’évidements 350, chaque évidement est positionné de sorte à être radialement aligné avec l’encoche 320 à laquelle il est associé, c'est-à-dire l’encoche 320 au fond de laquelle il débouche. Autrement dit, chaque évidement 350 est positionné sur un rayon reliant le centre de l’arbre de rotation 32 et le fond 321 d’une encoche 320. L’évidement 350 communique ainsi directement avec l’encoche associée 320 de sorte qu’un flux d’air circulant dans l’évidement 350 peut entrer dans l’encoche 320 par le fond 321 de ladite encoche.

Dans certains modes de réalisation, le paquet de tôles 310 comporte un canal de liaison axial 360 – appelé plus simplement canal - entre l’évidement 350 et l’encoche 320 associée. Ce canal 360, par exemple de forme rectiligne, assure le passage du flux d’air entre l’évidement 350 et le fond 321 de l’encoche 320. Chaque canal 360 présente des dimensions adaptées aux dimensions de l’évidement 350 et aux dimensions de l’encoche 320. En particulier, la dimension axiale ou longueur - suivant une direction parallèle à l’axe de l’arbre de rotor - du canal 360 est sensiblement identique à la dimension axiale de l’encoche 320. La dimension circonférentielle - ou dimension latérale - du canal 360 qui s’étend du fond de l’encoche 320 jusqu’à l’évidement 350 est restreinte par rapport à la dimension circonférentielle, ou dimension latérale, de l’encoche 320, pour des raisons de tenue des enroulements du bobinage 33 à l’intérieur de l’encoche. Le ratio entre la dimension circonférentielle du canal 360 et la dimension circonférentielle de l’encoche 320 peut être, par exemple de 1, par exemple de 1/2, par exemple de 1/3, par exemple de 1/4.

Ainsi, quelles que soient sa forme et ses dimensions, l’évidement 350 permet à l’air ambiant de circuler au sein du corps de rotor 31 et de venir lécher les enroulements internes 337 du bobinage 33, c'est-à-dire les enroulements situés les plus près du fond 321 de l’encoche 320 de façon à les refroidir. En effet, en tournant, le rotor 3 génère un flux d’air qui s’insère dans les évidements 350 et circule dans lesdits évidements en léchant les enroulements 337 au fond de l’encoche 320.

Selon certains modes de réalisation, et afin d’augmenter encore les performances du refroidissement par évidements, un ou plusieurs ventilateur(s) peuvent être installés en face avant et/ou en face arrière du rotor 3. Ces modes de réalisation permettent non seulement d’assurer un refroidissement des enroulements internes 337 du bobinage, comme expliqué précédemment, mais également de refroidir les enroulements externes 336 dudit bobinage 33 (c'est-à-dire les enroulements les plus proches de l’ouverture de l’encoche). L’ensemble du bobinage 33 peut ainsi être refroidi.

Bien que décrit à travers un certain nombre d'exemples, variantes et modes de réalisation, le rotor pour machine électrique selon l’invention comprend divers variantes, modifications et perfectionnements qui apparaîtront de façon évidente à l'homme du métier, étant entendu que ces variantes, modifications et perfectionnements font partie de la portée de l'invention.

Claims

Rotor (3) pour machine électrique (1), comportant un corps de rotor (31) cylindrique destiné à être monté autour d’un arbre de rotor (32) et équipé d’une pluralité d’encoches ouvertes (320) s’étendant axialement en périphérie externe dudit corps, lesdites encoches (320) étant destinées à recevoir au moins un bobinage (33) comprenant des enroulements de phase (330) connectés ensemble,
caractérisé en ce que le corps de rotor (32) comporte en outre une pluralité d’évidements (350) s’étendant axialement le long de certaines au moins des encoches (320) et débouchant chacun dans un fond (321) d’une des encoches de sorte à permettre à un flux d’air circulant dans les évidements de lécher le bobinage.
Rotor pour machine électrique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le corps de rotor (32) comporte, entre chaque évidement (350) et le fond (321) d’une encoche voisine dudit évidement, un canal de liaison axial (360) assurant un passage du flux d’air de l’évidement (350) vers l’encoche (320).
Rotor pour machine électrique selon la revendication 2, caractérisé en ce que le canal de liaison (360) comporte une dimension axiale sensiblement identique à une dimension axiale de l’encoche (320) et une dimension latérale petite par rapport à une dimension latérale de l’encoche (320).
Rotor pour machine électrique selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que le canal de liaison (360) est de forme rectiligne.
Rotor pour machine électrique selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que chaque évidement (350) comporte une dimension radiale inférieure à une dimension radiale de l’encoche (320).
Rotor pour machine électrique selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les évidements (150) sont espacés circonférentiellement les uns des autres d’au moins 3mm.
Rotor pour machine électrique selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les évidements (150) sont répartis régulièrement le long des encoches (320), un évidement étant positionné toutes les n encoches, avec n entier naturel supérieur ou égal à 1.
Machine électrique comportant un rotor (3) et un stator (4) montés de façon concentrique autour d’un arbre de rotor (32), caractérisée en ce que le rotor est conforme à l’une quelconque des revendications 1 à 7.
Machine électrique selon la revendication 8, caractérisée en ce qu’elle comporte un ventilateur monté en face avant et/ou en face arrière du rotor (3).
Machine électrique selon l’une quelconque des revendications 8 et 9, caractérisée en ce que le rotor (3) est un rotor à bobinage concentrique ou ondulé.