FR3124036A1 - Machine électrique tournante à flux axial multiple ayant une configuration creuse - Google Patents

Machine électrique tournante à flux axial multiple ayant une configuration creuse Download PDF

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Abstract

L'invention porte sur une machine électrique tournante (10), notamment pour un véhicule automobile, comportant: - au moins un premier stator (18.1) à champ magnétique axial et un deuxième stator (18.2) à champ magnétique axial, et - au moins un ensemble rotorique (19) comportant: - un premier rotor d’extrémité axiale (20.1), - un deuxième rotor d’extrémité axiale (20.2), et - un rotor intermédiaire (20.3) disposé axialement entre le premier rotor (20.1) et le deuxième rotor (20.2), - ledit rotor intermédiaire (20.3) comportant une première face portant des aimants (23) aptes à interagir avec le premier stator (18.1) et une deuxième face portant des aimants (23) aptes à interagir avec le deuxième stator (18.2), - ledit rotor intermédiaire (20.3) étant lié mécaniquement d’une part au premier rotor d’extrémité axiale (20.1) et d’autre part au deuxième rotor d’extrémité axiale (20.2) de façon à définir un espace intérieur creux (24) autorisant le montage d'un élément annexe (25). Figure 1

Description

MACHINE ÉLECTRIQUE TOURNANTE À FLUX AXIAL MULTIPLE AYANT UNE CONFIGURATION CREUSE
La présente invention porte sur une machine électrique tournante à flux axial multiple ayant une configuration creuse. L'invention trouve une application particulièrement avantageuse dans le domaine des véhicules automobiles.
De façon connue en soi, une chaîne de traction électrique implantée sur un train de roues d'un véhicule automobile comporte un moteur électrique associé à un réducteur de vitesse permettant d'adapter la vitesse de rotation très élevée du moteur électrique à celle des roues du véhicule automobile.
La machine électrique est généralement apte à fonctionner dans un mode moteur dans lequel la machine électrique transforme une énergie électrique issue d'une batterie en une énergie mécanique afin d'assurer la traction du véhicule et dans un mode générateur dans lequel la machine électrique transforme une énergie mécanique en une énergie électrique afin de recharger la batterie du véhicule, notamment au cours de phases de freinage récupératif.
Il est connu d'utiliser des machines électriques à flux axial comportant un empilement de rotors et de stators correspondants. Il est possible d'adapter une puissance de la machine électrique en fonction du nombre de stators et de rotors empilés les uns avec les autres. De telles machines électriques présentent toutefois un encombrement central important notamment du fait de la liaison mécanique des rotors centraux avec l’arbre de la machine électrique.
L’invention vise à remédier efficacement à cet inconvénient en proposant une machine électrique tournante, notamment pour un véhicule automobile, comportant:
- un carter,
- au moins un premier stator à champ magnétique axial et un deuxième stator à champ magnétique axial, et
- au moins un ensemble rotorique comportant:
- un premier rotor d’extrémité axiale comportant des aimants aptes à interagir avec un champ magnétique généré par le premier stator,
- un deuxième rotor d’extrémité axiale comportant des aimants aptes à interagir avec le champ magnétique généré par le deuxième stator, et
- un rotor intermédiaire disposé axialement entre le premier rotor d’extrémité axiale et le deuxième rotor d’extrémité axiale,
- ledit rotor intermédiaire comportant une première face portant des aimants aptes à interagir avec le premier stator et une deuxième face portant des aimants aptes à interagir avec le deuxième stator,
- ledit rotor intermédiaire étant lié mécaniquement d’une part au premier rotor d’extrémité axiale et d’autre part au deuxième rotor d’extrémité axiale de façon à définir un espace intérieur creux autorisant le montage d'un élément annexe.
L'invention permet ainsi, grâce à la configuration du rotor intermédiaire, de monter un composant annexe à l'intérieur de l'espace intérieur creux de la machine électrique tournante afin d'obtenir un ensemble compact facilement intégrable à l'intérieur d'une boîte de vitesses ou d'un réducteur de vitesse ou d’un embrayage ou de tout autre organe de véhicule automobile.
Selon une réalisation de l’invention, ladite machine électrique tournante comporte un arbre lié mécaniquement en rotation avec le premier rotor d'extrémité axiale, ledit arbre s'étendant depuis le premier rotor d’extrémité axiale sans traverser l'espace intérieur creux de ladite machine électrique tournante.
Selon une réalisation de l’invention, le premier rotor d’extrémité axiale et le deuxième rotor d’extrémité axiale sont montés rotatifs par rapport au carter par l'intermédiaire de roulements.
Selon une réalisation de l’invention, le rotor intermédiaire n'est pas directement monté rotatif par rapport au carter mais uniquement par l'intermédiaire du premier rotor d’extrémité axiale et du deuxième rotor d’extrémité axiale auxquels est connecté ledit rotor intermédiaire.
Selon une réalisation de l’invention, l'élément annexe monté à l'intérieur de l'espace intérieur creux est un boîtier de commande de ladite machine électrique tournante.
Selon une réalisation de l’invention, le premier stator est fixé au carter par l'intermédiaire de son diamètre externe et le deuxième stator est fixé au carter par l'intermédiaire de son diamètre interne.
Selon une réalisation de l’invention, le premier stator et le deuxième stator sont fixés au carter par l'intermédiaire de leur diamètre externe.
Selon une réalisation de l’invention, le premier stator et le deuxième stator sont coaxiaux.
Selon une réalisation de l’invention, le rotor intermédiaire comporte une portion en forme de flasque munie d'aimants permanents sur deux faces opposées l'une par rapport à l'autre, ladite portion en forme de flasque étant prolongée par au moins un bras annulaire lié mécaniquement à au moins un rotor d’extrémité axiale.
L’invention concerne en outre un ensemble comportant un réducteur de vitesse et une machine électrique tournante telle que précédemment définie accouplée audit réducteur de vitesse.
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 est une vue en coupe d'un premier mode de réalisation d'une machine électrique tournante selon l'invention accouplée à un réducteur de vitesse de véhicule automobile;
La est une vue en coupe d'un deuxième mode de réalisation d'une machine électrique tournante selon l'invention accouplée à un réducteur de vitesse de véhicule automobile.
Les éléments identiques, similaires, ou analogues conservent la même référence d’une figure à l’autre.
La montre une machine électrique 10 tournante d’axe X accouplée à un réducteur de vitesse 11 associé à un différentiel d’un train de roues de véhicule automobile. A cet effet, la machine électrique 10 comporte un arbre 13 muni d’un pignon 14 engrenant avec un pignon d’entrée 15 du réducteur de vitesse 11. Le réducteur de vitesse 11 permet d'adapter la vitesse de rotation très élevée de la machine électrique 10 (plus de 5000 tours/min) à celle des roues du véhicule automobile.
Plus précisément, la machine électrique 10 d’axe X comporte un carter 17, un premier stator 18.1 à champ magnétique axial et un deuxième stator 18.2 à champ magnétique axial. Chaque stator 18.1, 18.2 comporte classiquement un corps réalisé dans un matériau ferromagnétique et un bobinage inséré à l'intérieur d'encoches ménagées dans le corps de stator. Le premier stator 18.1 et le deuxième stator 18.2 sont coaxiaux par rapport à l’axe X de la machine électrique 10.
En outre, un ensemble rotorique 19 comporte un premier rotor d’extrémité axiale 20.1, un deuxième rotor d’extrémité axiale 20.2, et un rotor intermédiaire 20.3 disposé axialement entre le premier rotor d’extrémité axiale 20.1 et le deuxième rotor d’extrémité axiale 20.2. Le premier rotor d'extrémité axiale 20.1 est situé à une première extrémité axiale de l'ensemble rotorique 19 par rapport à l'axe X. Le deuxième rotor d'extrémité axiale 20.2 est situé à une deuxième extrémité axiale de l'ensemble rotorique 19 par rapport à l'axe X.
Le premier rotor d’extrémité axiale 20.1 comporte des aimants 23 interagissant avec le champ magnétique généré par le premier stator 18.1. Par "interagir", on entend le fait que les aimants 23 participent à la création et au rebouclage d'un flux magnétique entre le rotor et le stator correspondant.
Le deuxième rotor d’extrémité axiale 20.2 comporte des aimants 23 interagissant avec le champ magnétique généré par le deuxième stator 18.2.
Le rotor intermédiaire 20.3 comporte une première face 21 portant des aimants 23 interagissant avec le champ magnétique du premier stator 18.1 et une deuxième face 22 portant des aimants 23 interagissant avec le champ magnétique du deuxième stator 18.2. Les faces 21 et 22 présentent une orientation radiale par rapport à l’axe. X.
Le rotor intermédiaire 20.3 est lié mécaniquement d’une part au premier rotor 20.1 et d’autre part au deuxième rotor 20.2 de façon à définir un espace intérieur creux 24 autorisant le montage d'un élément annexe 25. L'espace intérieur creux 24 est circonscrit radialement au moins en partie par au moins une portion d’une face interne du premier stator 18.1 et au moins une portion d’une face interne du deuxième stator 18.2. L’élément annexe 25 pourra prendre la forme d’un boîtier de commande de la machine électrique tournante 10. Le boîtier contient l’électronique de commande de la machine électrique 10, en particulier un onduleur, un pont redresseur, et un système de protection thermique. En variante, l’élément annexe 25 pourra être un dispositif mécanique.
L’arbre 13 est lié mécaniquement en rotation avec le premier rotor d’extrémité axiale 20.1. A cet effet, une liaison à cannelures pourra être interposée entre l'arbre 13 muni de cannelures coopérant avec des cannelures de forme complémentaire du premier rotor 20.1. L’arbre 13 s'étend depuis le premier rotor d’extrémité axiale 20.1 sans traverser l'espace intérieur creux 24 de la machine électrique 10. Le pignon 14 pourra être rapporté et fixé sur l'arbre 13 ou venir de matière avec l'arbre 13. L’arbre 13 est guidé en rotation par l’intermédiaire de roulements 25.1, 25.2.
Le premier rotor d’extrémité axiale 20.1 et le deuxième rotor d’extrémité axiale 20.2 sont montés rotatifs par rapport à un carter 17 par l'intermédiaire de roulements 26.1, 26.2. Ainsi, un roulement 26.1 est disposé radialement entre une portée du rotor 20.1 et une portée du carter 17. Un roulement 26.2 est disposé radialement entre une portée du rotor 20.2 et une portée du carter 17. Le rotor intermédiaire 20.3 n'est pas directement monté rotatif par rapport au carter 17 mais uniquement par l'intermédiaire du premier rotor 20.1 et du deuxième rotor 20.2 auxquels est connecté ledit rotor intermédiaire 20.3. Une telle configuration permet de dégager une partie centrale de la machine électrique 10 pour la création de l'espace intérieur creux 24.
Dans le mode de réalisation de la , le premier rotor d’extrémité axiale 20.1 présente un corps en forme de flasque annulaire d'orientation radiale par rapport à l'axe X. Une face du premier rotor 20.1 tournée vers le premier stator 18.1 porte les aimants 23 interagissant avec le premier stator 18.1.
Le rotor intermédiaire 20.3 comporte un corps ayant une portion 27 en forme de flasque annulaire d'orientation radiale par rapport à l'axe X. La face 21 de la portion 27 tournée vers le premier stator 18.1 porte les aimants 23 interagissant avec le premier stator 18.1. La face 22 opposée de la portion 27 tournée vers le deuxième stator 18.2 porte les aimants 23 interagissant avec le deuxième stator 18.2. La portion 27 en forme de flasque est prolongée par un bras 28 annulaire d'orientation axiale. Le bras 28 s'étend du côté d'une face interne du premier stator 18.1 pour autoriser la fixation du stator sur le carter 17 par son diamètre externe. Le bras 28 coopère avec une portée annulaire de centrage du premier rotor 20.1. Le bras 28 est fixé au premier rotor 20.1 au moyen d'organes de fixation 29, tels que des vis ou des rivets.
Le deuxième rotor d'extrémité axiale 20.2 comporte un corps ayant une portion 31 en forme de flasque annulaire d'orientation radiale. Une face du flasque 31 tournée vers le deuxième stator 18.2 porte les aimants 23 interagissant avec le deuxième stator 18.2. La portion 31 en forme de flasque est prolongée par un bras 32 annulaire d'orientation axiale. Le bras 32 s'étend du côté d'une face externe du deuxième stator 18.2. Le bras 32 coopère avec une portée annulaire de centrage du rotor intermédiaire 20.3. Le bras 32 est fixé au rotor intermédiaire 20.3 au moyen d'organes de fixation 33, tels que des vis ou des rivets.
Les corps des rotors 20.1, 20.2, 20.3 sont réalisés de façon classique en tôle feuilletée. Les aimants 23 prennent par exemple la forme d'aimants permanents en ferrite ou en terres rares. Le type d'aimants 23 utilisé est adapté en fonction de la puissance recherchée de la machine électrique 10. Les aimants 23 pourront être disposés à l'intérieur de logements ménagés dans le corps d'un rotor correspondant.
Le premier stator 18.1 est fixé au carter 17 par l'intermédiaire de son diamètre externe et le deuxième stator 18.2 est fixé au carter 17 par l'intermédiaire de son diamètre interne. La fixation du premier stator 18.1 pourra être effectuée au moyen d'organes de fixation 34, tels que des vis ou de rivets, traversant des oreilles trouées ménagées dans une face externe du premier stator 18.1 et dans une face interne du carter 17. Alternativement, la fixation du premier stator 18.1 pourra être effectuée par frettage, soudage, collage ou toute autre technique de fixation adaptée à l'application. La fixation du deuxième stator 18.2 est effectuée au moyen d'un flasque 35 lié d'une part à une face interne du deuxième stator 18.2 et d'autre part au carter 17. La liaison mécanique entre le flasque 35 et la face interne du deuxième stator 18.2 pourra être effectuée par vissage, soudage, frettage, collage ou toute autre technique de fixation adaptée à l'application. La liaison mécanique entre le flasque 35 et le carter 17 pourra être effectuée au moyen d'organes de fixation 36, tels que des vis ou des rivets, coopérant avec des trous réalisés dans le flasque 35 et un rebord annulaire du carter 17.
Dans le mode de réalisation de la , le rotor intermédiaire 20.3 comporte un corps ayant une portion 27 en forme de flasque annulaire d'orientation radiale par rapport à l'axe X. La face 21 de la portion 27 tournée vers le premier stator 18.1 porte les aimants 23 interagissant avec le premier stator 18.1 et la face 22 opposée de la portion 27 tournée vers le deuxième stator 18.2 porte les aimants 23 interagissant avec le deuxième stator 18.2.
La portion 27 en forme de flasque est prolongée par deux bras 28.1, 28.2 annulaires d'orientation axiale s’étendant de part et d’autre de la portion 27 en forme de flasque suivant deux directions opposées l’une par rapport à l’autre. Les bras 28.1, 28.2 s'étendent du côté d'une face interne du premier stator 18.1 et du deuxième stator 18.2 pour autoriser la fixation des stators 18.1, 18.2 sur le carter 17 via leur diamètre externe.
Le bras 28.1 coopère avec une portée annulaire de centrage du premier rotor 20.1. Le bras 28.1 est fixé au premier rotor 20.1 au moyen d'organes de fixation 29, tels que des vis ou des rivets.
Le bras 28.2 coopère avec une portée annulaire de centrage du deuxième rotor 20.2. Le bras 28.2 est fixé au deuxième rotor 20.2 d'extrémité au moyen d'organes de fixation 38, tels que des vis ou des rivets.
Dans ce mode de réalisation, le deuxième rotor 20.2 est donc dépourvu de bras 32. Le deuxième rotor 20.2 comporte uniquement une portion en forme de flasque d’orientation radiale.
Le premier stator 18.1 et le deuxième stator 18.2 sont fixés au carter 17 par l'intermédiaire de leur diamètre externe. La fixation des stators 18.1, 18.2 pourra être effectuée au moyen d'organes de fixation, tels que des vis ou de rivets, traversant des oreilles trouées ménagées dans une face interne du carter 17 et dans une face externe d’un stator 18.1, 18.2 correspondant. Alternativement, la fixation des stators 18.1, 18.2 pourra être effectuée par frettage, soudage, collage ou toute autre technique de fixation adaptée à l'application.
En variante, la machine électrique tournante 10 pourra comporter un ensemble rotorique 19 comportant plus de trois rotors. Le nombre de stators étant alors adapté en conséquence. Autrement dit, le nombre de rotors et de stators empilés axialement dans la machine électrique 10 selon l’invention peut varier en fonction de l’application et en particulier de la puissance souhaitée.
En variante, la machine électrique tournante 10 pourra être intégrée dans une boîte de vitesses, un embrayage, une roue, ou tout autre organe d’un véhicule automobile.

Claims (10)

  1. Machine électrique tournante (10), notamment pour un véhicule automobile, comportant:
    - un carter (17),
    - au moins un premier stator (18.1) à champ magnétique axial et un deuxième stator (18.2) à champ magnétique axial, et
    - au moins un ensemble rotorique (19),
    caractérisée en ce que ledit ensemble rotorique (19) comporte:
    - un premier rotor d’extrémité axiale (20.1) comportant des aimants (23) aptes à interagir avec un champ magnétique généré par le premier stator (18.1),
    - un deuxième rotor d’extrémité axiale (20.2) comportant des aimants (23) aptes à interagir avec le champ magnétique généré par le deuxième stator (18.2), et
    - un rotor intermédiaire (20.3) disposé axialement entre le premier rotor d’extrémité axiale (20.1) et le deuxième rotor d’extrémité axiale (20.2),
    - ledit rotor intermédiaire (20.3) comportant une première face (21) portant des aimants (23) aptes à interagir avec le premier stator (18.1) et une deuxième face (22) portant des aimants (23) aptes à interagir avec le deuxième stator (18.2),
    - ledit rotor intermédiaire (20.3) étant lié mécaniquement d’une part au premier rotor d’extrémité axiale (20.1) et d’autre part au deuxième rotor d’extrémité axiale (20.2) de façon à définir un espace intérieur creux (24) autorisant le montage d'un élément annexe (25).
  2. Machine électrique tournante selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comporte un arbre (13) lié mécaniquement en rotation avec le premier rotor d'extrémité axiale (20.1), ledit arbre (13) s'étendant depuis le premier rotor d’extrémité axiale (20.1) sans traverser l'espace intérieur creux (24) de ladite machine électrique tournante (10).
  3. Machine électrique tournante selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que le premier rotor d’extrémité axiale (20.1) et le deuxième rotor d’extrémité axiale (20.2) sont montés rotatifs par rapport au carter (17) par l'intermédiaire de roulements (26.1, 26.2).
  4. Machine électrique tournante selon la revendication 3, caractérisée en ce que le rotor intermédiaire (20.3) est monté rotatif par rapport au carter (17) uniquement par l'intermédiaire du premier rotor d’extrémité axiale (20.1) et du deuxième rotor d’extrémité axiale (20.2) auxquels est connecté ledit rotor intermédiaire (20.3).
  5. Machine électrique tournante selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que l'élément annexe (25) monté à l'intérieur de l'espace intérieur creux (24) est un boîtier de commande de ladite machine électrique tournante.
  6. Machine électrique tournante selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que le premier stator (18.1) est fixé au carter (17) par l'intermédiaire de son diamètre externe et le deuxième stator (18.2) est fixé au carter (17) par l'intermédiaire de son diamètre interne.
  7. Machine électrique tournante selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que le premier stator (18.1) et le deuxième stator (18.2) sont fixés au carter (17) par l'intermédiaire de leur diamètre externe.
  8. Machine électrique tournante selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que le premier stator (18.1) et le deuxième stator (18.2) sont coaxiaux.
  9. Machine électrique tournante selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisée en ce que le rotor intermédiaire (20.3) comporte une portion (27) en forme de flasque munie d'aimants permanents (23) sur deux faces (21, 22) opposées l'une par rapport à l'autre, ladite portion (27) en forme de flasque étant prolongée par au moins un bras (28) annulaire lié mécaniquement à au moins un rotor d’extrémité axiale (20.1, 20.2).
  10. Ensemble comportant un réducteur de vitesse (11) et une machine électrique tournante (10) telle que définie selon l’une quelconque des revendications précédentes accouplée audit réducteur de vitesse (11).
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