WO2019063889A1 - Compresseur electrique avec volute amelioree - Google Patents

Compresseur electrique avec volute amelioree Download PDF

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volute
compressor
elbow
joint
electric
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Nicolas Martin
Julien ROUFFINEAU
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Valeo Systemes De Controle Moteur
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    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
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    • F04D29/00—Details, component parts, or accessories
    • F04D29/40—Casings; Connections of working fluid
    • F04D29/42—Casings; Connections of working fluid for radial or helico-centrifugal pumps
    • F04D29/44—Fluid-guiding means, e.g. diffusers
    • F04D29/441—Fluid-guiding means, e.g. diffusers especially adapted for elastic fluid pumps
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
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    • F04D29/4206—Casings; Connections of working fluid for radial or helico-centrifugal pumps especially adapted for elastic fluid pumps
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F04D29/62—Mounting; Assembling; Disassembling of radial or helico-centrifugal pumps
    • F04D29/624—Mounting; Assembling; Disassembling of radial or helico-centrifugal pumps especially adapted for elastic fluid pumps

Definitions

  • the present invention relates to the field of electric compressors, and more particularly to an electric supercharging compressor with volute.
  • an electric compressor is a device used to supercharge a heat engine, operating with an electric motor. More specifically, the compressor comprises a compressor wheel driven by an electric motor. The wheel is arranged in a volute.
  • the electric compressor is placed on the air intake line of an internal combustion engine, in addition to a turbocharger.
  • the electric compressor plays the same role as the turbocharger, namely increase the intake pressure of the fresh gases in the engine, but is used in particular during transient phases to overcome turbocharger response time problems.
  • the volute is made in one piece, gravity foundry with a sand core.
  • the demolding is ensured by breaking the sand mold.
  • This technique therefore involves the production of a new sand mold for each part to be produced. Manufacturing cost and cycle time are not optimal for mass production.
  • this technique imposes significant material thicknesses, which makes the piece heavy and cumbersome.
  • the present invention proposes a volute for an electric compressor, comprising a bend and formed by at least two parts each defining a part of the elbow of the volute and delimited by a zone of joint at the elbow of the volute, the zone of seal being parallel to one end of the elbow.
  • the joint zone is arranged so that:
  • the portion of the duct located below the median surface of the elbow is included in the first part of the volute
  • the portion of the duct located above the median surface of the elbow is included in the second part of the volute.
  • the zone of joint is perpendicular to the axis X of rotation of the compressor.
  • the joint area is positioned at the beginning of the elbow of the volute.
  • the first part extends beyond the joint area, and is inserted into the second part and the second part extends beyond the joint area, and is inserted into the first part. part.
  • the two parts are fixed together by any method compatible with the use of a compressor.
  • the volute comprises a seal at the joint area.
  • the volute is preferably made of aluminum in die casting.
  • the present invention also relates to an electric compressor comprising a volute according to the invention.
  • the compressor comprises an electric motor with variable reluctance or permanent magnet.
  • FIG. 1 is a schematic representation of a compressor comprising a volute according to the invention
  • FIG. 2 is a schematic view of a volute of a compressor comprising a volute according to the invention
  • FIG. 3 a, b, c, d is a diagrammatic representation of a cross-sectional view along respectively of a, b, c, d of FIG. 2 of a volute of an electric compressor according to the invention
  • FIG. 4 a and b is a diagrammatic representation of a view in longitudinal section of a volute of an electric compressor according to the invention
  • FIG. 5 is a diagrammatic representation of an elevational view of the two parts of a volute of an electric compressor according to the invention
  • FIG. 6 is a schematic representation of the joint plane of the mold for obtaining the volute of an electric compressor according to the invention.
  • the present invention relates to a volute.
  • the volute is an electric compressor volute.
  • the term electric compressor an air compressor, volumetric or not and for example centrifugal or radial, driven by an electric motor, for the purpose of supercharging a heat engine.
  • the electric motor is a DC or AC motor, or any type of electric motor of the same type. More specifically, according to one embodiment of the invention, the electric motor is a variable reluctance motor (also called SRM machine for Switched Reluctance Motor according to English terminology).
  • the motor is a permanent magnet motor.
  • FIG. 1 illustrates an example of an electric compressor 1.
  • the electric compressor 1 comprises at least one electric motor 5, bearings 7 and a compressor wheel 3.
  • the electric motor 5 allows rotation of a shaft 6 of the electric compressor via the bearings 7.
  • the shaft 6 thus rotates the wheel 3 of the compressor 1. More precisely one end of the shaft 6 is rotated. by the electric motor, and another end of the shaft 6 rotates the wheel 3 of the compressor.
  • the electric motor comprises a rotor and a stator.
  • the compressor 1 comprises an electronic assembly 9 for controlling the electric compressor 1.
  • at least part of the electronic assembly 9 is disposed at the rear of the wheel 3, between the wheel 3 and the electric motor 5, illustrated in FIG.
  • At least a portion of the electronic assembly 9 is disposed at one end of the shaft 6 opposite the end where the wheel 3, not shown, is located.
  • the intermediate portion of the shaft is protected by the compressor body 4.
  • the compressor comprises a volute 12 in which is disposed the wheel 3, and allowing the passage of the air compressor 1.
  • the volute 12 comprises a bend 20.
  • the bend 20 is located at the portion forming the output of the volute illustrated in FIG.
  • the bend 20 is located at the portion forming the entrance of the volute.
  • the following description focuses on the first variant of the invention, but also applies to the second variant of the invention.
  • the bend 20 is defined by the fact that the volute 12 has at its outlet two contiguous portions 14, 15 which form an angle ⁇ less than 180 ° C. More precisely, the respective Z and Y axes of the first and second contiguous portions form an angle ⁇ less than 180 ° C. This angle forms the elbow of the volute.
  • the volute 12 is at least in two parts.
  • the volute is made in two parts 14, 15 demouldable in simple directions U and V. Near the joint area 16 of the two parts, is disposed a seal that keeps the seal of the volute.
  • the joint zonel6 is defined by the plane which delimits the two parts 14, 15 of the volute. This zone is a sealing zone.
  • the joint plane 16 is parallel to one of the ends of the bend 20 or perpendicular to the other end of the bend 20.
  • the zone 16 of joint is horizontal, that is to say perpendicular to the axis X of rotation of the vertical or that is to say parallel to the X axis of rotation of the compressor.
  • the joint area is started upstream of the elbow 20 of the volute, at the beginning of the output of the volute. More specifically, the joint zone 16 is arranged to be flush with the outer surface of the volute.
  • the first part of the volute is the body of the volute 12, and the second part of the volute is the output of the volute 12.
  • the first part 14 extends beyond the joint zone 16, and is inserted in the second part.
  • the second portion extends beyond the joint zone 16 and is inserted into the first portion.
  • the joint zone is arranged so that:
  • the portion of the duct located below the median surface 21 of the elbow 20 is included in the body 14 of the volute, that is to say the first part,
  • the portion of the duct located above the median surface 21 of the bend 20 is included in the outlet 15 of the volute, that is to say the second part.
  • the portion of the duct located below the medial surface 21 is included in the volute body and the portion of the duct situated above the medial surface 21 is included in the outlet. .
  • the two parts are fixed together by any method compatible with the use of the compressor. And for example, screwing, clipping, gluing, welding .... Depending on the fixing method used, a seal is added.
  • the body of the volute is preferably made of aluminum in die casting (High Pressure Die Casting).
  • the outlet or entrance of the volute is made of aluminum in the same way or plastic.
  • the use of plastic allows a gain in mass.
  • the mold joint plane 22 making it possible to obtain the second volute part according to the invention, illustrated in FIG. 6, is thus defined so as to allow simple demolding in the two U and V directions.
  • Such an architecture makes it possible to optimize the guiding of the fluid along the inner and outer walls and there is no phenomenon of delamination of the boundary layer of the fluid.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Structures Of Non-Positive Displacement Pumps (AREA)

Abstract

La présente invention concerne une volute pour compresseur (1) électrique, comportant une partie coudée et est formée par au moins deux parties (14, 15) définissant chacune une partie du coude de la volute (12) et délimitées par une zone (16) de joint au niveau du coude de la volute (12), la zone de joint étant parallèle à une extrémité du coude (20).

Description

COMPRESSEUR ELECTRIQUE AVEC VOLUTE AMELIOREE
La présente invention concerne le domaine des compresseurs électriques, et plus particulièrement un compresseur électrique de suralimentation avec volute.
Dans le cadre de l'invention, un compresseur électrique est un dispositif, utilisé pour suralimenter un moteur thermique, fonctionnant avec un moteur électrique. Plus précisément, le compresseur comporte une roue de compresseur entraînée par un moteur électrique. La roue est disposée dans une volute.
Le compresseur électrique est placé sur la ligne d'admission d'air d'un moteur à combustion interne, en complément d'un turbocompresseur. Le compresseur électrique joue le même rôle que le turbocompresseur, à savoir augmenter la pression d'admission des gaz frais dans le moteur, mais est utilisé notamment lors des phases transitoires pour palier aux problèmes de temps de réponse du turbocompresseur.
L'intégration d'un compresseur dans l'environnement moteur nécessite parfois d'utiliser une entrée et/ou une sortie coudée sur la volute. L'ajout d'un tel coude rend la forme non démoulable naturellement, et engendre des pertes de charge non acceptables
Actuellement, dans certains cas, la volute est réalisée en une seule pièce, en fonderie par gravité avec un noyau sable. Le démoulage est assuré par cassage du moule sable. Cette technique implique donc la réalisation d'un nouveau moule sable pour chaque pièce à produire. Le coût de fabrication et le temps de cycle ne sont pas optimaux pour une production en très grande série. De plus, cette technique impose des épaisseurs matière importantes, ce qui rend la pièce lourde et encombrante.
Une alternative est de réaliser la volute en deux pièces démoulables séparément. Ainsi, on peut réaliser les deux pièces en fonderie sous pression (HPDC pour High Pressure Die Casting, selon la terminologie anglaise). Le fait d'avoir des formes démoulables, implique des contraintes sur les formes générales du conduit de la volute dans lequel circule le fluide, comme par exemple une arête vive à l'intérieur du coude ce qui entraine un décollement de la couche limite du fluide. Il en résulte un impact négatif sur l'écoulement du fluide, comme par exemple des turbulences et une réduction de la section utile en aval du coude, et donc sur les performances du compresseur. La présente invention a donc pour objet de pallier un ou plusieurs des inconvénients des dispositifs de l'art antérieur en proposant un compresseur électrique avec une volute en deux parties améliorée, permettant ainsi de réduire l'encombrement de la volute, tout en en facilitant son démoulage et en maintenant son niveau de performances.
Pour cela la présente invention propose, une volute pour compresseur électrique, comportant un coude et formée par au moins deux parties définissant chacune une partie du coude de la volute et délimitées par une zone de joint au niveau du coude de la volute, la zone de joint étant parallèle à une extrémité du coude.
Selon un mode de réalisation de l'invention, la zone de joint est disposée de façon à ce que:
la portion du conduit située en dessous de la surface médiane du coude est incluse dans la première partie de la volute, et
la portion du conduit située au dessus de la surface médiane du coude est incluse dans la deuxième partie de la volute.
Selon un mode de réalisation de l'invention, la zone de joint est perpendiculaire à l'axe X de rotation du compresseur.
Selon un mode de réalisation de l'invention, la zone de joint est positionnée au début du coude de la volute.
Selon un mode de réalisation de l'invention, la première partie se prolonge au delà de la zone de joint, et est insérée dans la deuxième partie et la deuxième partie se prolonge au delà de la zone de joint, et est inséré dans la première partie.
Selon un mode de réalisation de l'invention, les deux parties sont fixées entre elles par tous procédés compatibles avec l'utilisation d'un compresseur.
Selon un mode de réalisation de l'invention, la volute comporte un joint d'étanchéité au niveau de la zone de joint.
Selon un mode de réalisation de l'invention, la volute est réalisée préférentiellement en aluminium en fonderie sous pression.
La présente invention concerne également un compresseur électrique comportant une volute selon l'invention. Selon un mode de réalisation de l'invention, le compresseur comporte un moteur électrique à reluctance variable ou à aimant permanent.
D'autres buts, caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris et apparaîtront plus clairement à la lecture de la description faite, ci-après, en se référant aux figures annexées, données à titre d'exemple et dans lesquelles:
- la figure 1 est une représentation schématique d'un compresseur comportant une volute selon l'invention,
- la figure 2 est une vue schématique d'une volute d'un compresseur comportant une volute selon l'invention,
- la figure 3 a, b, c, d est une représentation schématique d'une vue en coupe transversale selon respectivement a, b, c, d de la figure 2 d'une volute d'un compresseur électrique selon l'invention,
- la figure 4 a et b est une représentation schématique d'une vue en coupe longitudinale d'une volute d'un compresseur électrique selon l'invention,
- la figure 5 est une représentation schématique d'une vue en élévation des deux parties d'une volute d'un compresseur électrique selon l'invention,
- la figure 6 est une représentation schématique du plan de joint du moule permettant d'obtenir la volute d'un compresseur électrique selon l'invention.
La présente invention concerne une volute.
Selon un mode de réalisation de l'invention, la volute est une volute de compresseur électrique.
Dans le cadre de l'invention, on entend par compresseur électrique, un compresseur d'air, volumétrique ou non et par exemple centrifuge ou radial, entraîné par un moteur électrique, dans le but de suralimenter un moteur thermique. Selon un mode de réalisation de l'invention, le moteur électrique est un moteur à courant continu ou alternatif, ou tout type de moteur électrique du même type. Plus précisément, selon un mode de réalisation de l'invention, le moteur électrique est un moteur à reluctance variable (également appelée machine SRM pour Switched Reluctance Motor selon la terminologie anglaise).
Selon un autre mode de réalisation de l'invention, le moteur est un moteur à aimant permanent.
La figure 1 illustre un exemple de compresseur 1 électrique. Le compresseur électrique 1 comprend au moins un moteur 5 électrique, des roulements 7 et une roue 3 de compresseur. Le moteur 5 électrique permet la mise en rotation d'un arbre 6 du compresseur électrique via les roulements 7. L'arbre 6 entraine ainsi en rotation la roue 3 du compresseur 1. Plus précisément une extrémité de l'arbre 6 est entraînée en rotation par le moteur électrique, et une autre extrémité de l'arbre 6 entraine en rotation la roue 3 du compresseur. Le moteur 5 électrique comporte un rotor et un stator.
Selon un mode de réalisation de l'invention, le compresseur 1 comporte un ensemble 9 électronique permettant de commander le compresseur 1 électrique. Selon un mode de réalisation de l'invention, au moins une partie de l'ensemble 9 électronique est disposée à l'arrière de la roue 3, entre la roue 3 et le moteur 5 électrique, illustré figure 1.
Selon un mode de réalisation de l'invention, au moins une partie de l'ensemble électronique 9 est disposée à une extrémité de l'arbre 6 opposée à l'extrémité ou est située la roue 3, non illustré.
La partie intermédiaire de l'arbre est protégée par le corps 4 de compresseur. Le compresseur comporte une volute 12 dans laquelle est disposée la roue 3, et permettant le passage de l'air du compresseur 1.
Dans le cadre de l'invention, comme illustrée figure 4, la volute 12 comporte un coude 20.
Selon une première variante de l'invention, le coude 20 est situé au niveau de la partie formant la sortie de la volute illustrée figure 2.
Selon une deuxième variante de l'invention, le coude 20 est situé au niveau de la partie formant l'entrée de la volute. La suite de la description est axée sur la première variante de l'invention, mais s'applique également à la deuxième variante de l'invention.
Dans le cadre de l'invention illustrée figures 2 à 5, le coude 20 est défini par le fait que la volute 12 comporte au niveau de sa sortie deux parties 14, 15 contigues qui forment un angle a inférieur à 180°C. Plus précisément, les axes Z, Y respectifs de la première et deuxième parties contigues forment un angle a inférieur à 180°C. Cet angle a forme le coude de la volute.
Selon un mode de réalisation de l'invention illustré figure 2à 5, la volute 12 est au moins en deux parties.
Plus précisément, la volute est faite en deux parties 14, 15 démoulables selon des directions simples U et V. A proximité de la zone 16 de joint des deux parties, est disposé un joint qui permet de maintenir l'étanchéité de la volute.
Dans le cadre de l'invention, la zonel6 de joint est défini par le plan qui délimite les deux parties 14, 15 de la volute. Cette zone est une zone d'étanchéité.
Le plan 16 de joint est parallèle à l'une des extrémités du coude 20 ou perpendiculaire à l'autre extrémité du coude 20.
Et par exemple, selon un mode de réalisation de l'invention, la zone 16 de joint est horizontal, c'est-à-dire perpendiculaire à l'axe X de rotation du ou verticale, c'est-à-dire parallèle à l'axe X de rotation du compresseurl.
La zone de joint est débute en amont du coude 20 de la volute, au début de la sortie de la volute. Plus précisément, la zone 16 de joint est disposé de façon à affleurer la surface externe de la volute.
Cela permet de démarrer la courbure dès la sortie de la spirale de la volute 12. Il en résulte un grand rayon de courbure (en regard du diamètre du conduit). Les pertes de charge sont alors très limitées et les performances sont proches celles obtenues avec une sortie droite.
Selon un mode de réalisation de l'invention, la première 14 partie de la volute est le corps de la volute 12, et la deuxième 15 partie de la volute est la sortie de la volute 12. Selon un mode de réalisation de l'invention, illustrée figures 4 et 5, la première partie 14 se prolonge au delà de la zone 16 de joint, et est insérée dans la deuxième 15 partie.
Selon, un mode de réalisation de l'invention, illustrée figures, 4 et 5, la deuxième 15 partie se prolonge au delà de la zone 16 de joint, et est inséré dans la première 14 partie.
Selon un mode de réalisation de l'invention, la zone de joint est disposé de façon à ce que:
la portion du conduit située en dessous de la surface 21 médiane du coude 20 est incluse dans le corps 14 de la volute, c'est-à-dire la première partie,
la portion du conduit située au dessus de la surface 21 médiane du coude 20 est incluse dans la sortie 15 de la volute, c'est-à-dire la deuxième partie.
Ainsi, comme illustrée figure 3, quelque soit la section considérée, la portion du conduit située en dessous de la surface 21 médiane est incluse dans le corps de volute et la portion du conduit située au dessus de la surface 21 médiane est incluse dans la sortie.
Il y a donc ainsi de part et d'autre de la zone 16 de joint un prolongement du conduit qui permet d'obtenir un plus grand rayon de courbure au niveau du coude 20. Il n'y a donc plus d'arête vive au niveau du coude à l'intérieur du conduit de la volute, comme cela est le cas pour les volutes de l'art antérieur. Cela permet ainsi d'optimiser les performances du compresseur électrique.
Dans le cadre de l'invention, les deux parties sont fixées entre elles par tous procédés compatibles avec l'utilisation du compresseur. Et par exemple, vissage, clipsage, collage, soudure.... En fonction du procédé de fixation utilisé, un joint d'étanchéité est rajouté.
Selon un mode de réalisation de l'invention, le corps de la volute est réalisé préférentiellement en aluminium en fonderie sous pression (High Pressure Die Casting). La sortie ou entrée de la volute est réalisée en aluminium de la même façon ou bien en plastique. L'utilisation du plastique permet un gain de masse. Le plan 22 de joint du moule permettant d'obtenir la deuxième 15 partie volute selon l'invention, illustré figure 6, est ainsi défini de façon à permettre un démoulage simple selon les deux directions U et V.
Une telle architecture permet d'optimiser le guidage du fluide le long des parois interne et externe et il n'y a pas de phénomène de décollement de couche limite du fluide.
En parallèle, la fabrication est aisée puisque le démoulage des pièces est naturel selon des directions U, V simples.
La portée de la présente invention ne se limite pas aux détails donnés ci-dessus et permet des modes de réalisation sous de nombreuses autres formes spécifiques sans s'éloigner du domaine d'application de l'invention. Par conséquent, les présents modes de réalisation doivent être considérés à titre d'illustration, et peuvent être modifiés sans toutefois sortir de la portée définie par les revendications supportées par la description.

Claims

REVENDICATIONS
1. Volute pour compresseur (1) électrique,
caractérisée en ce qu'elle comporte un coude (20) et est formée par au moins deux parties (14, 15) définissant chacune une partie du coude (20) de la volute (12) et délimitées par une zone (16) de joint au niveau du coude de la volute (12),
et en ce que la zone (16) de joint est parallèle à une extrémité du coude (20).
2. Volute selon la revendication 1, dans laquelle la zone (16) de joint est disposé de façon à ce que:
- la portion du conduit située en dessous de la surface médiane (21) du coude (20) est incluse dans la première (14) partie de la volute (12), et
la portion du conduit située au dessus de la surface médiane (21) du coude (20) est incluse dans la deuxième (15) partie de la volute (12).
3. Volute selon une des revendications 1 ou 2, c'est-à-dans laquelle la zone (16) de joint est perpendiculaire à l'axe X de rotation du compresseur (1).
4. Volute selon une des revendications 1 à 3, dans laquelle la zone (16) de joint est positionnée au début du coude (20) de la volute (12).
5. Volute selon une de revendications 1 à 4, dans laquelle la première (14) partie se prolonge au delà de la zone de joint, et est insérée dans la deuxième (15) partie et la deuxième (15) partie se prolonge au delà de la zone (16) de joint, et est inséré dans la première (14) partie.
6. Volute selon une de revendications 1 à 5, dans laquelle les deux parties (14, 15) sont fixées entre elles par tous procédés compatibles avec l'utilisation d'un compresseur.
7. Volute selon une de revendications 1 à 6, comportant un joint d'étanchéité au niveau de la zone (16) de joint.
8. Volute selon une de revendications 1 à 7, le corps de la volute est réalisé préférentiellement en aluminium en fonderie sous pression.
9. Compresseur (1) électrique comportant une volute (12) selon une des revendications 1 à 8.
10. Compresseur 1 selon la revendication 9, comportant un moteur (5) électrique à reluctance variable ou à aimant permanent.
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