FR3138635A1

FR3138635A1 - Dispositif de refroidissement et de lubrification d’un groupe motopropulseur electrique

Info

Publication number: FR3138635A1
Application number: FR2208040A
Authority: FR
Inventors: Eric Dumas
Original assignee: Renault SAS
Current assignee: Renault SAS
Priority date: 2022-08-03
Filing date: 2022-08-03
Publication date: 2024-02-09

Abstract

Dispositif (1) de refroidissement et de lubrification d’un groupe motopropulseur électrique comprenant une machine électrique à rotor (2) bobiné et un réducteur (3) de vitesse, comprenant : au moins un compartiment (5, 6) destiné à loger au moins une partie du rotor (2) et au moins un autre compartiment (4) destiné à loger le réducteur (3) ; comprenant chacun une zone de récupération (17, 18, 19) de l’huile, une conduite d’aspiration (20, 21, 22) de l’huile et une conduite de gavage (23, 24, 25) de l’huile, chaque conduite d’aspiration étant raccordée à une zone de récupération et chaque conduite de gavage étant raccordée à une zone de récupération ou à une conduite d’aspiration, un circuit d’alimentation (10) des compartiments et des conduites de gavage, un collecteur d’huile (27) raccordé aux conduites d’aspiration, une pompe (7) située entre le collecteur et le circuit d’alimentation. Figure de l’abrégé : Figure 1

Description

DISPOSITIF DE REFROIDISSEMENT ET DE LUBRIFICATION D’UN GROUPE MOTOPROPULSEUR ELECTRIQUE

L’invention concerne un dispositif de refroidissement et de lubrification d’un groupe motopropulseur électrique comprenant une seule pompe.

Le groupe motopropulseur électrique d’un véhicule automobile comprend diverses pièces mécaniques tel que le réducteur mécanique permettant de modifier le rapport de vitesse ou le couple entre l’axe d’entrée et l’axe de sortie du moteur. Ces pièces mécaniques nécessitent d’être lubrifiées par une huile moteur formant une fine pellicule entre les pièces mécaniques permettant de limiter les frottements entre elles et ainsi réduire leur usure. L’huile moteur ne sert pas uniquement à la lubrification des pièces mécaniques du groupe motopropulseur. L’huile permet également de protéger les pièces de l’oxydation et de la corrosion et de nettoyer les pièces puisque l’huile en circulant va emporter les dépôts qui se sont formés. L’huile permet en outre de refroidir la machine électrique du groupe motopropulseur, notamment dans des zones non accessibles par le liquide de refroidissement.

L’huile circule donc au niveau du groupe motopropulseur et doit être évacuée par un système d’aspiration. Or, dans le but de trouver une architecture compétitive du groupe motopropulseur, la hauteur du groupe est réduite et il reste donc peu de place pour installer le système d’aspiration de l’huile. Le point bas de l’aspiration se retrouve alors près des éléments tournants du groupe motopropulseur (rotors, engrenages), mais il faut éviter que ces éléments tournants barbotent dans l’huile afin de ne pas affecter le rendement du groupe motopropulseur.

Le système d’aspiration doit donc être conçu pour que les éléments tournants du groupe motopropulseur ne soient pas plongés dans l’huile. De plus, suivant l’écoulement de l’huile dans le système, et notamment en fonction des pentes et accélérations du véhicule, il existe un risque d’aspiration de l’air dans le circuit d’huile engendrant une augmentation du taux d’aération de l’huile et une diminution de son efficacité en termes de capacité de refroidissement et de lubrification. Il est donc important de concevoir un système d’aspiration de l’huile permettant d’éviter l’aspiration d’air.

Une solution fréquemment utilisée consiste à disposer plusieurs pompes aux différents points bas du groupe motopropulseur. Chaque pompe aspire l’huile à un débit fixé par le constructeur afin d’éviter et de limiter l’aspiration d’air.

Une autre solution est d’installer une bâche à huile et de positionner le point d’aspiration au niveau de cette bâche pour récupérer l’huile descendue sur la bâche.

Cependant, ces solutions présentent l’inconvénient d’avoir besoin d’un espace important pour leur installation ce qui n’est pas compatible avec une architecture du groupe motopropulseur compacte, notamment en hauteur.

Il existe donc un besoin pour un dispositif de refroidissement et de lubrification d’un groupe motopropulseur qui prenne peu d’espace dans le groupe motopropulseur tout en limitant l’aspiration de l’air par l’huile.

A cet effet, la présente invention propose un dispositif de refroidissement et de lubrification d’un groupe motopropulseur électrique, ce dernier comprenant une machine électrique à rotor bobiné et un réducteur de vitesse couplé à ladite machine. Le dispositif selon l’invention comprend :

au moins un compartiment destiné à loger au moins une partie du rotor de la machine électrique et au moins un autre compartiment destiné à loger le réducteur, chaque compartiment comprenant une zone de récupération de l’huile, une conduite d’aspiration de l’huile et une conduite de gavage de l’huile, chaque conduite d’aspiration étant raccordée à une zone de récupération et chaque conduite de gavage étant raccordée à une zone de récupération ou à une conduite d’aspiration,
un circuit d’alimentation en huile des compartiments et des conduites de gavage,
un collecteur d’huile recueillant l’huile aspirée par les conduites d’aspiration, et,
une pompe située entre le collecteur et le circuit d’alimentation.

L’invention présentée prévoit ainsi deux compartiments ou plus comprenant chacun une zone de récupération d’huile au lieu d’une bâche de récupération d’huile, ce qui permet de réduire le volume utilisé par le dispositif de refroidissement et de lubrification. Cela peut permettre de diminuer la hauteur du groupe motopropulseur d’environ 5 centimètres par rapport aux solutions existantes. En utilisant deux compartiments ou plus comprenant chacun une zone de récupération d’huile, l’invention permet également de réduire la taille de chaque zone de récupération d’huile par rapport à une solution comprenant une seule zone de récupération d’huile, notamment de type bâche, et ainsi de réduire le volume d’huile minimal à utiliser pour assurer une accumulation d’huile dans chaque zone de récupération autour des points d’aspiration. Ce volume d’huile minimal étant relativement faible, le dispositif de refroidissement et de lubrification de l’invention est moins sensible au déplacement des nappes d’huile, par exemple en cas d’inclinaison du véhicule. De plus, l’utilisation d’une seule pompe permet de simplifier le dispositif.

Enfin, un gavage de l’huile est effectué pour limiter les risques de déjaugeage et d’aération de l’huile permettant ainsi d’augmenter l’efficacité de refroidissement du dispositif et de limiter le bruit généré par la pompe en limitant l’effet de cavitation généré par la présence d’air.

Avantageusement, le collecteur d’huile peut être situé au-dessus d’un niveau maximal d’huile de chaque zone de récupération de l’huile.

Cette configuration permet de garder l’huile en suspension dans les conduites et aussi, le cas échéant, de faire en sorte que le niveau de l’huile ne soit pas forcément identique dans chaque compartiment lorsque le dispositif est en fonctionnement.

Avantageusement, le dispositif peut comprendre au moins une conduite de mise à niveau de l’huile reliant les zones de récupération et débouchant dans celles-ci au-dessus d’un niveau maximal d’huile de la zone de récupération de l’huile.

Cette conduite de mise à niveau permet de rééquilibrer les niveaux d’huile entre les zones de récupération de l’huile de chaque compartiment. Elle permet également que la zone de récupération du compartiment destiné à loger le réducteur ne manque pas d’huile sinon l’absence d’huile pourrait entraîner des problèmes de fiabilité du produit.

Avantageusement, la conduite de gavage peut être raccordée à une conduite d’aspiration à proximité immédiate de la zone de récupération, ceci afin d’améliorer le mélange d’huile non aérée à l’huile aérée qui est ensuite aspirée et envoyé au collecteur, puis à la pompe.

Avantageusement, le circuit d’alimentation peut comprendre :

au moins un gicleur apte à alimenter en huile un compartiment, chaque gicleur débouchant à l’intérieur d’un compartiment,
au moins une conduite d’alimentation raccordée à l’au moins un gicleur afin de l’alimenter en huile,
une conduite d’alimentation générale raccordée à chaque conduite d’alimentation, ladite conduite d’alimentation générale étant raccordée à la pompe en aval de celle-ci par rapport au sens de circulation de l’huile dans le circuit d’alimentation.

Avantageusement, le circuit d’alimentation peut comprendre un réservoir d’huile à débordement raccordé à une portion de conduite horizontale du circuit d’alimentation dans une position d’utilisation du dispositif.

Ce réservoir d’huile déporté permet d’embarquer une quantité plus importante d’huile augmentant ainsi la durabilité du dispositif selon l’invention. De plus, le réservoir permet également de limiter le barbotage des éléments mécaniques en mouvement lorsque le système est en fonctionnement puisque l’huile est stockée dans le réservoir. Enfin, la présence de ce réservoir permet d’utiliser l’huile à une pression plus faible qu’en absence de ce réservoir. L’huile contenue dans ce réservoir est en outre parfaitement désaérée.

L’invention concerne également un véhicule automobile comprenant le dispositif de refroidissement et de lubrification décrit ci-dessus.

D’autres particularités et avantages de l’invention ressortiront à la lecture de la description faite ci-après de plusieurs modes de réalisation particuliers de l’invention, donnés à titre indicatif mais non limitatifs, en référence aux dessins annexés sur lesquels :

est un schéma du dispositif de refroidissement et de lubrification selon un mode de réalisation de l’invention.

est un schéma d’un autre mode de réalisation du dispositif de refroidissement et de lubrification.

Sur les figures, le dispositif de refroidissement et de lubrification est dans une position d’utilisation dans laquelle Z désigne une direction verticale, dirigée de bas vers le haut, et Y une direction horizontale, perpendiculaire à la direction verticale. Cette position d’utilisation correspond à une position dans laquelle le véhicule repose horizontalement sur le sol.

Dans la présente description, les termes « aval » et « amont » ou « entrée » et « sortie » font référence au sens de circulation de l’huile dans le dispositif de refroidissement et de lubrification. Ce sens de circulation est symbolisé par des flèches sur les figures.

La représente un dispositif 1 de refroidissement et de lubrification selon l’invention prévu pour refroidir une machine électrique à rotor 2 bobiné lequel est couplé un réducteur 3 mécanique de vitesse d’un groupe motopropulseur électrique d’un véhicule automobile électrique ou hybride.

Le dispositif 1 selon l’invention est compartimenté afin de réduire le volume disponible pour que l’huile s’accumule autour du point d’aspiration. Le dispositif 1 comprend ainsi au moins deux compartiments, l’un destiné à loger au moins une partie du rotor 2 de la machine électrique et l’autre destiné à loger le réducteur 3. Préférentiellement, tel que représenté sur la , le dispositif 1 comprend trois compartiments : un compartiment 4 logeant le réducteur 3 tandis que les deux autres compartiments 5 et 6 logent chacun une partie du rotor 2. L’invention n’est toutefois pas limitée par le nombre de compartiments.

Le dispositif 1 comprend une pompe 7 destiné à faire circuler l’huile dans les différentes parties du dispositif 1. Elle est située entre le collecteur 27 et le circuit d’alimentation 10 et raccordée à ceux-ci.

Dans l’exemple représenté, en amont de la pompe 7, le dispositif 1 comprend un filtre 8 optionnel permettant d’éliminer les particules fines contenues dans l’huile et d’éviter ainsi de bloquer la pompe. En aval de la pompe 7, le dispositif 1 comprend également un échangeur 9 de chaleur dont l’entrée est reliée à la sortie de la pompe. L’échangeur de chaleur 9 est destiné à refroidir l’huile reçue de la pompe avant de la réinjecter dans le circuit d’alimentation 10 en huile des compartiments, et ainsi le rotor 2 et le réducteur 3. Cet échangeur de chaleur est par exemple un échangeur thermique huile/eau associé à un circuit d’eau et un radiateur d’échange eau/air du véhicule.

La sortie de l’échangeur de chaleur 9 est raccordée au circuit d’alimentation 10 en huile des compartiments. Ce circuit d’alimentation 10 comprend une conduite d’alimentation générale 11 raccordée à la sortie de l’échangeur 9.

La conduite d’alimentation générale 11 présente une première portion de conduite 11a en forme du U dont une partie est disposée verticalement sous la pompe 7, et aussi l’échangeur 9, et comprenant une partie verticale 11b s’étendant selon un axe Z et étant plus haute que la pompe 7 selon l’axe Z. Ces forme, hauteur et disposition de la première portion de conduite 11a permet d’éviter le désamorçage de la pompe 7 côté aval en faisant en sorte qu’il y ait toujours de l’huile en aval de la pompe 7, même lorsque celle-ci est arrêtée. La conduite d’alimentation générale 11 présente ensuite une deuxième portion de conduite 11c raccordée à la partie verticale 11b de la première portion de conduite 11a et s’étendant horizontalement.

Le circuit d’alimentation 10 comprend également au moins deux gicleurs aptes à alimenter en huile les compartiments. Préférentiellement, comme représenté sur la , le circuit d’alimentation 10 comprend trois gicleurs 12, 13 et 14, soit un gicleur par compartiment. Les gicleurs sont destinés à envoyer l’huile sur le rotor 2 et le réducteur 3 pour ainsi les lubrifier et les refroidir. Les gicleurs sont calibrés et optimisés pour envoyer la quantité d’huile nécessaire en fonction du besoin en huile des différents éléments. A titre d’exemple, ils peuvent assurer un débit d’environ 1,2 à 2 litres/minutes vers le rotor 2 et un débit d’environ 2 à 2,5 litres/minutes vers le réducteur 3.

Les gicleurs sont raccordés à la conduite d’alimentation générale 11 par une ou plusieurs conduites d’alimentation. Dans l’exemple représenté, le circuit d’alimentation 10 comprend ainsi deux conduites d’alimentation 15 et 16. La conduite 15 permet d’alimenter le gicleur 12 et la conduite 16 permet d’alimenter les deux autres gicleurs 13 et 14. L’invention n’est toutefois pas limitée par le nombre de gicleurs, ni le nombre de conduite alimentant les gicleurs, pourvu qu’au moins un gicleur débouche à l’intérieur de chaque compartiment et que chaque gicleur soit alimenté en huile par une conduite d’alimentation.

Selon l’invention, chaque compartiment 4, 5 et 6 comprend une zone de récupération de l’huile 17, 18 et 19, une conduite d’aspiration de l’huile 20, 21 et 22 et une conduite de gavage de l’huile 23, 24 et 25. Chaque zone de récupération de l’huile 17, 18 et 19 est raccordée à une conduite d’aspiration de l’huile 20, 21 et 22 respectivement. Chaque conduite de gavage est destinée à limiter l’aération de l’huile aspirée en mélangeant l’huile récupérée dans une zone de récupération (et qui a été aérée du fait de son passage dans un compartiment) avec de l’huile non aérée provenant du circuit d’alimentation, ce qui permet de diminuer le taux d’aération de l’huile et ainsi d’augmenter son efficacité. A cet effet, chaque conduite de gavage est reliée soit à la zone de récupération du compartiment, soit à la conduite d’aspiration, de préférence à proximité immédiate de la zone de récupération.

Sur la , on remarque que la conduite de gavage 23 est raccordée à la conduite d’alimentation 15 et à la conduite d’aspiration 20 tandis que les conduites de gavage 24 et 25 sont raccordées à la conduite d’alimentation 16 et respectivement aux zones de récupérations 18 et 19.

Les conduites de gavage de l’huile 23, 24 et 25 sont de préférence situées au plus près du raccordement entre les zones de récupération de l’huile 17, 18 et 19 et les conduites d’aspiration 20, 21 et 22, autrement dit au plus près du point d’aspiration, pour augmenter la quantité d’huile non aérée amenée au point d’aspiration. Les conduites de gavage 23, 24 et 25 peuvent notamment être calibrées pour assurer un débit à peu près équivalent au débit utile de chaque compartiment 4, 5 et 6.

Les zones de récupération de l’huile 17, 18 et 19 peuvent correspondre à un réservoir, ou à une bassine, situé en partie inférieure de chaque compartiment et apte à récupérer l’huile coulant le long du rotor 2 ou du réducteur 3 à l’intérieur d’un compartiment. Avantageusement, une partie inférieure de chaque compartiment peut définir la zone de récupération. Chaque zone de récupération est raccordée à une conduite d’aspiration de l’huile 20, 21 et 22 au niveau d’un point d’aspiration 29, 30, 31 par une buse d’aspiration (non représentée sur les figures).

Le diamètre de la buse d’aspiration pourra être choisi en fonction des débits de circulation dans les conduites d’aspiration. A titre d’exemple, pour un débit de 4 litres/minutes, le débit de la buse peut être d’environ 6 millimètres. Mais elle peut être également choisie en fonction d’un niveau minimal d’huile à assurer dans les zones de récupérations. Sur la même problématique, les gicleurs peuvent être calibrés pour assurer le niveau minimal d’huile dans les zones de récupération.

Les points d’aspiration 29, 30, 31 peuvent correspondre à un point le plus bas de la zone de récupération suivant la direction verticale : ils peuvent alors être situés au niveau d’une paroi inférieure de la zone de récupération.

L’huile est alors prélevée par le bas comme représenté par les conduites d’aspirations 20 et 21 des zones de récupération 17 et 18.

Les points d’aspiration 29, 30, 31 peuvent correspondre à un point de la zone de récupération inférieur au niveau minimal d’huile dans cette zone de récupération, par exemple situé au centre du volume d’huile correspondant à ce niveau minimal d’huile. L’huile peut alors être prélevée par le haut, comme représenté, par la conduite d’aspiration 19 s’étendant en partie verticalement et la zone de récupération 22. On pourrait toutefois prévoir une conduite d’aspiration latérale s’étendant en partie horizontalement et débouchant au centre du volume minimal.

Ces différentes positions d’aspiration peuvent être choisies en fonction de l’architecture du groupe motopropulseur et notamment de l’espace disponible pour le dispositif 1.

La taille des différentes zones de récupération de l’huile peut varier suivant leur utilisation mais aussi suivant la fonction du réservoir. En effet, par exemple, la zone de récupération 19 du compartiment 6 logeant le réducteur 3 sera plus grand car le manque d’huile pourrait entraîner des conséquences importantes. Dans tous les cas, les réservoirs étroits et profonds sont à privilégier car ils sont moins sensibles aux inclinaisons du dispositif.

Dans l’exemple représenté, le dispositif 1 comprend au moins une, ici une seule, conduite 26 de mise à niveau de l’huile reliant les compartiments et débouchant dans chaque compartiment au-dessus d’un niveau maximal d’huile de chaque zone de récupération de l’huile, notamment juste au-dessus de ce niveau maximal. La conduite 26 de mise à niveau comprend ici trois orifices 32, 33, 34 reliés chacun à une zone de récupération. Ainsi, lorsqu’une zone de récupération est remplie au-dessus de son niveau maximal, alors le trop plein d’huile va passer par un orifice pour être transvasé dans une autre zone de récupération. Cette conduite 26 de mise à niveau s’étend ici horizontalement et relie les trois compartiments. L’invention n’est toutefois pas limitée à ce mode de réalisation et l’on pourrait prévoir plus d’une conduite de mise à niveau, par exemple une conduite de mise à niveau reliant deux des compartiments et une autre conduite de mise à niveau reliant l’un de ces compartiments au troisième compartiment. En outre, la ou les conduites de mise à niveau pourraient ne pas être horizontales pourvu qu’elles permettent le déversement du trop-plein d’une zone de récupération vers une autre zone de récupération.

Le niveau maximal peut correspondre à un niveau d’huile défini, au-delà duquel le rotor 2 et le réducteur 3 barbotent dans l’huile lorsqu’ils sont en fonctionnement. Il peut être déterminé par l’homme du métier par des essais et/ou des modélisations.

Enfin, le dispositif 1 comprend également un collecteur d’huile 27 recueillant l’huile aspirée par les conduites d’aspiration. Le collecteur d’huile 27 est situé en amont du filtre 8 optionnel et en amont de la pompe 7. Tel que représenté sur la , le collecteur 27 est situé de préférence au-dessus du niveau maximal d’huile de chaque zone de récupération 17, 18, 19 de l’huile afin d’éviter un désamorçage de la pompe 7 côté amont. Ainsi, lorsque la pompe est à l’arrêt, du fait de l’équilibrage des pressions dans le circuit d’alimentation, l’huile reste dans le collecteur 27, les conduites d’aspiration et les zones de récupération, ces dernières comportant un volume d’huile suffisant pour que les conduites d’aspiration débouchent dans l’huile et non à l’air.

La présente un autre mode de réalisation qui ne diffère du mode de réalisation de la que par la présence d’un réservoir d’huile à débordement 28 dans le circuit d’alimentation 10.

Le réservoir d’huile à débordement 28 permet d’embarquer plus d’huile pour la durabilité du dispositif 1. Il permet aussi de limiter le barbotage des éléments mécaniques en mouvement lorsque le système est en fonctionnement puisqu’une partie de l’huile est stockée dans le réservoir 28.

Le réservoir à débordement 28 peut être placé en tout point de la deuxième portion de conduite horizontale 11c. Il peut être disposé en amont des conduites d’alimentation 15 et 16 ou entre celles-ci. Le réservoir 28 se remplit ainsi au fur et à mesure d’huile jusqu’à ce que son niveau atteigne la portion de conduite 11c et se déverse à l’intérieur de celle-ci.

Claims

Dispositif (1) de refroidissement et de lubrification d’un groupe motopropulseur électrique comprenant une machine électrique à rotor (2) bobiné et un réducteur (3) de vitesse couplé à ladite machine, ledit dispositif (1) comprend :
au moins un compartiment (5, 6) destiné à loger au moins une partie du rotor (2) de la machine électrique et au moins un autre compartiment (4) destiné à loger le réducteur (3), chaque compartiment comprenant une zone de récupération (17, 18, 19) de l’huile, une conduite d’aspiration (20, 21, 22) de l’huile et une conduite de gavage (23, 24, 25) de l’huile, chaque conduite d’aspiration étant raccordée à une zone de récupération et chaque conduite de gavage étant raccordée à une zone de récupération ou à une conduite d’aspiration, et,

un circuit d’alimentation (10) en huile des compartiments et des conduites de gavages

un collecteur d’huile (27) recueillant l’huile aspirée par les conduites d’aspiration, et,

une pompe (7) située entre le collecteur et le circuit d’alimentation.
Dispositif (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que le collecteur d’huile (27) est situé au-dessus d’un niveau maximal d’huile de chaque zone de récupération (17, 18, 19) de l’huile.
Dispositif (1) selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le dispositif comprend au moins une conduite (26) de mise à niveau de l’huile reliant les zones de récupération (17, 18, 19) et débouchant dans celles-ci au-dessus d’un niveau maximal d’huile de la zone de récupération de l’huile.
Dispositif (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la conduite (23, 24, 25) de gavage est raccordée à une conduite d’aspiration à proximité immédiate de la zone de récupération.
Dispositif (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le circuit d’alimentation (10) comprend :
au moins un gicleur (12, 13, 14) apte à alimenter en huile un compartiment (4, 5, 6), chaque gicleur (12, 13, 14) débouchant à l’intérieur d’un compartiment,

au moins une conduite d’alimentation raccordée à l’au moins un gicleur afin de l’alimenter en huile,

une conduite d’alimentation générale (11) raccordée à chaque conduite d’alimentation (15, 16), ladite conduite d’alimentation générale étant raccordée à la pompe (7) en aval de celle-ci par rapport au sens de circulation de l’huile dans le circuit d’alimentation.
Dispositif (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le circuit d’alimentation (10) comprend un réservoir d’huile à débordement (28) raccordé à une portion de conduite horizontale du circuit d’alimentation dans une position d’utilisation du dispositif.
Véhicule automobile comprenant le dispositif (1) de refroidissement et de lubrification selon les revendications 1 à 6.