FR3120755A1 - Machine électrique tournante comprenant une chambre de refroidissement d’un stator - Google Patents
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Abstract
L’invention concerne une machine électrique tournante (10) comprenant :
un stator (11) comprenant un corps (13) et un bobinage (19), un premier palier (24) comprenant une première portion (25) munie d’un logement de roulement (26) pour le montage à rotation, une deuxième portion (27) dans laquelle est monté fretté ledit corps de stator (13) et une troisième portion (28) positionnée autour de ladite deuxième portion (27),
dans laquelle la deuxième et troisième portion (27, 28) du premier palier (24) sont fixées ensemble par au moins une soudure par friction malaxage (50, 51, 52) pour former une chambre de refroidissement (31).
Figure pour l’abrégé : Fig. 1
Description
La présente invention porte sur une machine électrique tournante comprenant une chambre de refroidissement d’un stator. L’invention trouve des applications dans le domaine des machines électriques tournantes pour véhicule hybride, notamment automobiles et, en particulier, dans le domaine des machines électriques de forte puissance pouvant fonctionner en mode alternateur et en mode moteur accouplées avec une boite de vitesses.
De façon connue en soi, les machines électriques tournantes comportent 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.
Dans certains types de chaînes de traction de véhicule automobile, une machine électrique tournante réversible de forte puissance est accouplée à la boîte de vitesses du véhicule ou à un train du véhicule automobile. La machine électrique est alors apte à fonctionner dans un mode alternateur pour fournir notamment de l’énergie à la batterie et/ou au réseau de bord du véhicule, et dans un mode moteur, non seulement pour assurer le démarrage du moteur thermique, mais également pour participer à la traction du véhicule seule ou en combinaison avec le moteur thermique.
Le rotor pourra comporter un corps formé par un empilage de feuilles de tôles maintenues sous forme de paquet au moyen d'un système de fixation adapté. Le rotor comporte des pôles formés par exemple par des aimants permanents logés dans des cavités ménagées dans la masse magnétique du rotor. 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 est porté par un palier qui comporte des roulements pour le montage en rotation de l’arbre de rotor. 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. Ces enroulements traversent les encoches et forment des chignons faisant saillie de part et d'autre du corps du stator. Les enroulements de phase sont obtenus par exemple à partir d'un fil continu recouvert d'émail ou à partir d'éléments conducteurs en forme d'épingles reliées entre elles par soudage. Alternativement, dans le cas d'un bobinage de type concentrique, la machine électrique polyphasée comporte un bobinage de stator constitué par plusieurs bobines préformées montées autour des dents du stator par l'intermédiaire d'un isolant de bobine.
La chaleur générée par la circulation du courant à travers le bobinage du stator peut être évacuée vers une chambre de refroidissement ménagée dans le palier dans laquelle circule un liquide caloporteur. La chambre de refroidissement peut être réalisée par moulage à l'aide d'un noyau en sable. Lors de l’assemblage par frettage d'un stator dans ce type de palier, il peut arriver que des défauts liés à la difficulté de mise en œuvre du procédé de moulage provoquent des problèmes d'étanchéité de la chambre de refroidissement. Dans certains cas, l'assemblage est récupérable par injection d’une résine dans la chambre de refroidissement. Dans d'autres cas, il est toutefois possible qu'aucune réparation ne soit réalisable, ce qui engendre par conséquent un important taux de rebuts.
Il est également connu de l’art antérieur d’utiliser des éléments élastiques tels que des joints toriques qui s’étendent sur toute la circonférence de la machine électrique, ces derniers sont pris en sandwich entre les pièces formant la chambre de refroidissement pour assurer son étanchéité.
L’utilisation d’un joint torique entraîne une étape de rainurage dans l’une des deux pièces le prenant en sandwich. La pièce rainurée doit donc avoir une épaisseur suffisante pour permettre cet usinage ce qui augmente son encombrement radial et diminue sa conductivité thermique. De plus, la rainure pour l’installation du joint torique nécessite une grande précision et une faible rugosité afin de maintenir le joint et de garantir l’étanchéité, la difficulté de l’’usinage est donc élevée ce qui entraîne une augmentation des coûts.
L'invention vise ainsi à proposer une machine électrique tournante avec un refroidissement et une compacité améliorés tout en présentant un coût de fabrication réduit.
La présente invention vise ainsi à proposer une machine électrique tournante comprenant :
- un stator comprenant un corps et un bobinage,
- un premier palier comprenant une première portion munie d’un logement de roulement pour le montage à rotation, une deuxième portion dans laquelle est monté fretté ledit corps de stator et une troisième portion positionnée autour de ladite deuxième portion,
dans laquelle la deuxième et troisième portion du premier palier sont fixées ensemble par au moins une soudure par friction malaxage pour former une chambre de refroidissement.
L’invention permet ainsi, par l’utilisation d’au moins une soudure par friction malaxage pour former la chambre de refroidissement d’améliorer le refroidissement avec un meilleur échange thermique du fait d’une épaisseur réduite des parois de la chambre, de diminuer l’encombrement radial de la machine et de faciliter le procédé de réalisation de la chambre par rapport aux procédés de l’art antérieur.
Dans la description et les revendications, on utilisera les termes "externe" et "interne" ainsi que les orientations "axiale" et "radiale" pour désigner, selon les définitions données dans la description, des éléments du rotor, du stator et/ou de la machine électrique. Par convention, l'orientation "radiale" est dirigée orthogonalement à l’orientation axiale. L’orientation axiale se rapporte, suivant le contexte, à l’axe de rotation du rotor, du stator et/ou de la machine électrique. L'orientation "circonférentielle" est dirigée orthogonalement à la direction axiale et orthogonalement à la direction radiale. Les termes "externe, extérieur" et "interne, intérieur" sont utilisés pour définir la position relative d'un élément par rapport à un autre, par rapport à l’axe de référence, un élément proche de l'axe est ainsi qualifié d'interne par opposition à un élément externe situé radialement en périphérie.
Par soudure par friction malaxage (abrégé en FSW pour Friction Stir Welding selon la terminologie anglaise), on entend désigner au sens de la présente invention une soudure obtenue par le procédé de soudage à l'état solide qui consiste à assembler deux pièces en les amenant dans un état pâteux grâce à un pion en rotation.
Par « troisième portion positionnée autour de ladite deuxième portion », on entend désigner une troisième portion disposée radialement à l’extérieur de la deuxième portion
Avantageusement, la deuxième et troisième portion du premier palier sont fixées ensemble par au moins deux soudures par friction malaxage, de préférence deux.
Avantageusement, au moins une soudure par friction malaxage est dirigée radialement. De préférence cette soudure est disposée du côté extérieur machine. En d’autres termes, cette soudure ne fait pas face au stator de la machine électrique.
Avantageusement, au moins une soudure par friction malaxage est dirigée axialement.
Avantageusement, lorsque la deuxième et troisième portion du premier palier sont fixées ensemble par deux soudures par friction malaxage, une soudure par friction malaxage est dirigée radialement et une soudure par friction malaxage est dirigée axialement.
Selon un mode de réalisation, une première zone d’accouplement et une deuxième zone d’accouplement entre ladite deuxième et troisième portion du premier palier sont configurées pour autoriser un montage de ladite deuxième portion par rapport à ladite troisième portion suivant un déplacement axial relatif entre lesdites portions.
Selon un mode de réalisation, ladite première zone d’accouplement comporte un premier épaulement ménagé dans ladite deuxième portion recevant une extrémité de ladite troisième portion, et ladite deuxième zone d’accouplement comporte un deuxième épaulement ménagé dans ladite deuxième portion recevant une extrémité de ladite troisième portion.
Selon un mode de réalisation, la machine électrique tournante comprend en outre un deuxième palier muni d’un logement de roulement pour le montage à rotation, ledit premier et deuxième palier étant fixés ensemble au moyen de vis ou par soudure par friction malaxage.
Selon un mode de réalisation, la chambre de refroidissement comprend une entrée et une sortie de liquide de refroidissement disposées sur sa circonférence extérieure. En variante, l’entrée et/ou la sortie peuvent être disposées axialement.
Selon un mode de réalisation, le premier palier et/ou le deuxième palier sont réalisés dans un matériau à base d’aluminium.
Selon un aspect de l’invention, la machine électrique tournante consiste en un alternateur, un alterno-démarreur, une machine réversible ou un moteur électrique.
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.
Les éléments identiques, similaires ou analogues conservent la même référence d'une figure à l'autre.
La représente une machine électrique tournante 10 comportant un stator 11 polyphasé entourant un rotor 12 d’axe X monté sur un arbre 9. Le stator 11 de la machine 10 entoure le rotor 12 avec la présence d’un entrefer sur la périphérie interne du stator et la périphérie externe du rotor 12.
La machine électrique tournante 10 pourra être destinée à être accouplée à une boîte de vitesses appartenant à une chaîne de traction de véhicule automobile. La machine électrique tournante 10 est alors apte à fonctionner dans un mode alternateur pour fournir notamment de l’énergie à la batterie et au réseau de bord du véhicule, et dans un mode moteur, non seulement pour assurer le démarrage du moteur thermique du véhicule, mais également pour participer à la traction du véhicule seule ou en combinaison avec le moteur thermique. La puissance de la machine 10 pourra être comprise entre 4kW et 50kW. Alternativement, la machine électrique 10 pourra être implantée sur un essieu du véhicule automobile, notamment un essieu arrière.
Dans l’exemple considéré, la machine électrique 10 présente avantageusement une tension de fonctionnement inférieure à 60 Volts, et valant de préférence 48Volts. Typiquement, le couple fourni par la machine électrique est compris entre 30N.m et 150N.m.
La machine électrique tournante 10 est avantageusement de type réversible, c’est-à-dire qu'elle est apte à fonctionner dans un mode moteur pour appliquer un couple moteur aux roues à partir de l'énergie électrique de la batterie, et dans un mode générateur pour recharger une batterie à partir d'une puissance mécanique prélevée aux roues.
Le rotor 12 comporte un corps sous la forme d’un paquet de tôles pour diminuer les courants de Foucault. Des aimants permanents sont implantés dans des ouvertures du corps. Les aimants peuvent être implantés suivant une configuration en V. Alternativement, les aimants sont implantés radialement à l’intérieur des cavités, les faces en vis-à-vis de deux aimants adjacents étant de même polarité. Il s’agit alors d’une configuration à concentration de flux. Les aimants pourront être en terre rare ou en ferrite selon les applications et la puissance recherchée de la machine 10. Alternativement, les pôles du rotor 12 pourront être formés par des bobines.
Le stator 11 comporte un corps 13 constitué par un paquet de tôles ainsi qu’un bobinage 19. Le corps 13 est formé par un empilement de feuilles de tôles indépendantes les unes des autres et maintenues sous forme de paquet au moyen d’un système de fixation adapté. Le paquet de tôles est doté d'encoches, par exemple du type semi-fermées, équipées d'isolant d'encoches pour le montage du bobinage 19 du stator 11. Le corps 13 est muni de dents délimitant deux à deux des encoches pour le montage du bobinage 19 du stator 11.
Le bobinage 19 comporte une pluralité d’entrées/sorties de phase traversant les encoches du corps 13 du stator 11 et formant des chignons s’étendant en saillie de part et d’autre du corps 13 du stator 11. Les entrées et sorties de phase comprennent par exemple chacune deux extrémités qui peuvent être obtenues à partir d’éléments conducteurs en forme d’épingles reliées entre elles par exemple par soudage. Ces enroulements sont par exemple des enroulements triphasés connectés en étoile ou en triangle.
Dans les exemples considérés, la machine 10 comprend un premier palier 24 et un deuxième palier 54.
Le premier palier 24 comporte une première portion 25 s’étendant transversalement par rapport à l’axe X, c’est-à-dire suivant une direction radiale par rapport à l’axe X. Cette première portion 25 est munie centralement d’un logement 26 recevant un roulement pour le montage à rotation de l’extrémité de l’arbre 9 du rotor 12. Le palier 24 comprend en outre une deuxième portion 27 ayant globalement la forme d’une jupe annulaire s’étendant axialement depuis la périphérie externe de la première portion 25.
Le corps 13 de stator 11 est monté fretté à l’intérieur de la deuxième portion 27 du palier 24. A cet effet, le palier 24 est chauffé à haute température jusqu’à la dilatation du matériau, puis refroidi de telle façon que la périphérie externe du corps 13 du stator 11 soit maintenue fixe contre la périphérie interne de la deuxième portion 25 du palier 24.
Le premier palier comporte également une troisième portion 28 constituée par une paroi annulaire d’orientation axiale. Cette troisième portion 28 est positionnée autour de la deuxième portion 27 pour former une chambre de refroidissement 31 dans laquelle circule un liquide de refroidissement. La chambre de refroidissement 31 est délimitée par une périphérie externe de la deuxième portion 27 et une périphérie interne de la troisième portion 28.
La périphérie externe du corps de stator 13 étant en contact intime avec la périphérie interne de la deuxième portion 27 du premier palier 24 du fait de l’opération de frettage, cela permet de faciliter l’évacuation par conduction de la chaleur générée par le bobinage 19 vers la chambre de refroidissement 31.
Le premier palier 24, en particulier sa troisième portion 28, comprend en outre une entrée 34 et une sortie 35 de liquide de refroidissement disposées sur sa circonférence extérieure et visibles sur les figures 1 et 2.
Une première zone d’accouplement 38 et une deuxième zone d’accouplement 39 entre la deuxième portion 27 et la troisième portion 28 sont configurées pour autoriser un montage de la deuxième portion 27 par rapport à la troisième portion 28 suivant un déplacement axial relatif entre les deux portions 27, 28.
A cet effet, comme cela est représenté sur les figures 1 et 2, la première zone d’accouplement 38 comporte un premier épaulement 41 ménagé dans la deuxième portion 27 recevant une extrémité 42 de la troisième portion 28. La deuxième zone d’accouplement 39 comporte un deuxième épaulement 43 ménagé dans la deuxième portion 27 recevant une extrémité 44 de la troisième portion 28. On obtient ainsi un assemblage imbriqué de la deuxième et troisième portion 27, 28.
En variante comme on peut le voir sur la , la deuxième zone d’accouplement 39 comporte un deuxième épaulement 43 ménagé dans la troisième portion 28 recevant une extrémité 45 de la deuxième portion 27.
Dans le cadre de l’invention, la deuxième et troisième portion 27, 28 du premier palier 24 sont fixées ensemble par au moins une soudure par friction malaxage 50, 51, 52 pour former la chambre de refroidissement 31. Chaque soudure est disposée sur toute la circonférence et décrit ainsi une forme de rond de manière à garantir l’étanchéité sur tout le pourtour. Un tel assemblage permet d’assurer une liaison entre les deux portions 27, 28 du premier palier 24 évitant toute fuite de la chambre de refroidissement 31 suite par exemple à une dilatation différentielle lors d’un fonctionnement à chaud de la machine 10. Grâce à ces soudures, il n’est également plus nécessaire d’utiliser un joint élastique additionnel ce qui réduit les coûts.
Dans les exemples considérés, la deuxième et troisième portion 27, 28 du premier palier 24 sont fixées ensemble par au moins deux soudures par friction malaxage 50, 51.
De préférence, la soudure par friction malaxage est de type bout à bout.
Dans les exemples des figures 1 et 2, une première soudure par friction malaxage 50 est dirigée radialement et la deuxième soudure par friction malaxage 51 est dirigée axialement. On entend par « diriger axialement ou radialement » décrire la direction d’application de la soudure. En l’espèce, la soudure 50 est formée par un outil en rotation qui exerce une force radiale et la soudure 51 est formée par un outil en rotation qui exerce une force axiale. La soudure 50 dirigée radialement est disposée du côté extérieur machine, cela facilitant le passage de l’outillage pour l’étape de soudure.
En variante comme on peut le voir sur la , la première et deuxième soudure 50, 52 sont dirigées radialement. La soudure 50 est disposée du côté extérieur machine tandis que la soudure 52 est disposée du côté intérieur de la machine.
La machine 10 comprend également un deuxième palier 54 qui fait office de couvercle en forme de flasque transversale. Le deuxième palier 54 est muni d’un logement de roulement 56 pour le montage à rotation de l’autre extrémité de l’arbre du rotor 12. Le premier et deuxième palier 24, 54 peuvent être fixés ensemble au moyen de vis ou par soudure par friction malaxage.
De préférence, le premier palier 24 et/ou le deuxième palier 54 sont réalisés dans un matériau à base d’aluminium.
De préférence, le premier palier 24 est le palier avant et le deuxième palier 54 est le palier arrière. En variante non représentée, le premier palier 24 est le palier arrière et le deuxième palier 54 est le palier avant.
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 (10)
- Machine électrique tournante (10) comprenant :
- un stator (11) comprenant un corps (13) et un bobinage (19),
- un premier palier (24) comprenant une première portion (25) munie d’un logement de roulement (26) pour le montage à rotation, une deuxième portion (27) dans laquelle est monté fretté ledit corps de stator (13) et une troisième portion (28) positionnée autour de ladite deuxième portion (27),
- Machine électrique tournante (10) selon la revendication précédente, caractérisée en ce que la deuxième et troisième portion (27, 28) du premier palier (24) sont fixées ensemble par au moins deux soudures par friction malaxage (50, 51).
- Machine électrique tournante (10) selon la revendication précédente, caractérisée en ce que au moins une soudure par friction malaxage (50) est dirigée radialement.
- Machine électrique tournante (10) selon la revendication précédente, caractérisée en ce que ladite soudure (50) dirigée radialement est disposée du côté extérieur machine.
- Machine électrique tournante (10) selon l’une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisée en ce que au moins une soudure par friction malaxage (51) est dirigée axialement.
- Machine électrique tournante (10) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu’une première zone d’accouplement (38) et une deuxième zone d’accouplement (39) entre ladite deuxième et troisième portion (27, 28) du premier palier (24) sont configurés pour autoriser un montage de ladite deuxième portion (27) par rapport à ladite troisième portion (28) suivant un déplacement axial relatif entre lesdites portions (27, 28).
- Machine électrique tournante (10) selon la revendication précédente, caractérisée en ce que :
- ladite première zone d’accouplement (38) comporte un premier épaulement (41) ménagé dans ladite deuxième portion (27) recevant une extrémité (42) de ladite troisième portion (28), et
- ladite deuxième zone d’accouplement (39) comporte un deuxième épaulement (43) ménagé dans ladite deuxième portion (27) recevant une extrémité (44) de ladite troisième portion (28).
- Machine électrique tournante (10) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu’elle comprend en outre un deuxième palier (54) muni d’un logement de roulement (56) pour le montage à rotation, ledit premier et deuxième palier (24, 54) étant fixés ensemble au moyen de vis ou par soudure par friction malaxage.
- Machine électrique tournante (10) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la chambre de refroidissement (31) comprend une entrée (34) et une sortie (35) de liquide de refroidissement disposées sur sa circonférence extérieure.
- Machine électrique tournante (10) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le premier palier (24) et/ou le deuxième palier (54) sont réalisés dans un matériau à base d’aluminium.
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|---|---|---|---|---|
| JPH08111966A (ja) * | 1994-10-07 | 1996-04-30 | Mitsubishi Electric Corp | 液冷式回転機の冷却装置 |
| CN109546786A (zh) * | 2018-12-04 | 2019-03-29 | 菲仕绿能科技(北京)有限公司 | 一种驱动电机定子壳体结构及制造方法 |
| CN109873522A (zh) * | 2019-04-04 | 2019-06-11 | 重庆青山工业有限责任公司 | 电机壳体密封水冷结构 |
-
2021
- 2021-03-11 FR FR2102381A patent/FR3120755B1/fr active Active
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH08111966A (ja) * | 1994-10-07 | 1996-04-30 | Mitsubishi Electric Corp | 液冷式回転機の冷却装置 |
| CN109546786A (zh) * | 2018-12-04 | 2019-03-29 | 菲仕绿能科技(北京)有限公司 | 一种驱动电机定子壳体结构及制造方法 |
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| Publication number | Publication date |
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