WO2019122551A1 - Arbre refroidit et procede de fabrication d'un arbre - Google Patents

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WO2019122551A1
WO2019122551A1 PCT/FR2018/052820 FR2018052820W WO2019122551A1 WO 2019122551 A1 WO2019122551 A1 WO 2019122551A1 FR 2018052820 W FR2018052820 W FR 2018052820W WO 2019122551 A1 WO2019122551 A1 WO 2019122551A1
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WO
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shaft
fluid
insert
metal casing
pipe
Prior art date
Application number
PCT/FR2018/052820
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English (en)
Inventor
Philippe Benayoun
Thierry Glotin
Original Assignee
Psa Automobiles Sa
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Publication date
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K1/00—Details of the magnetic circuit
    • H02K1/06—Details of the magnetic circuit characterised by the shape, form or construction
    • H02K1/22—Rotating parts of the magnetic circuit
    • H02K1/32—Rotating parts of the magnetic circuit with channels or ducts for flow of cooling medium
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K5/00—Casings; Enclosures; Supports
    • H02K5/04—Casings or enclosures characterised by the shape, form or construction thereof
    • H02K5/20—Casings or enclosures characterised by the shape, form or construction thereof with channels or ducts for flow of cooling medium
    • H02K5/203—Casings or enclosures characterised by the shape, form or construction thereof with channels or ducts for flow of cooling medium specially adapted for liquids, e.g. cooling jackets
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K7/00—Arrangements for handling mechanical energy structurally associated with dynamo-electric machines, e.g. structural association with mechanical driving motors or auxiliary dynamo-electric machines
    • H02K7/003—Couplings; Details of shafts

Definitions

  • the invention relates to a shaft comprising an internal cooling device.
  • the invention aims including but not limited to, applications in the field of rotating electrical machines, these electrical machines generally comprising a stator and a rotor, the rotor comprising the shaft of the invention.
  • the invention further provides a method of manufacturing this tree.
  • cooling devices include cooling circuits carrying a heat transfer fluid within the stators and rotors.
  • the patent document CN 206237252 discloses a cooling fluid coolant device comprising a cooling circuit, this circuit comprising a cooling tube in an axial bore of a shaft of a rotor of an electric motor. .
  • this cooling device has the main disadvantage of not being able to optimize the shape of the cooling circuit vis-à-vis the heat exchange. Indeed, the constraints of the processes for obtaining the shaft by machining, and in particularly by drilling, do not make it possible to produce more complex shapes than a hole of constant section.
  • the tube being an insert, this creates additional mounting interfaces may be at the source of leakage of the heat transfer fluid.
  • the object of the invention is to overcome this main drawback, in particular by having a shaft for optimizing the shape of the cooling circuit.
  • the invention relates to a shaft comprising a metal casing around the axis of the shaft, and comprising a cooling fluid coolant device, said cooling device comprising a first exchange surface heat with the heat transfer fluid, the cooling device being an insert inside the metal casing and comprising a second heat exchange surface with the metal casing, the first and second heat exchange surfaces being disjoint.
  • the insert being a separate part of the metal casing, it is manufactured by a method independent of that of the metal casing and is therefore not related to the manufacturing constraints of the metal casing. This allows a greater freedom to achieve the shape of the first heat exchange surface, and thus allows to optimize this form vis-à-vis the heat exchange.
  • the insert alone contains the coolant circulating in the shaft, so that the sealing of the heat transfer fluid for the shaft is provided only by a part: the insert. This limits the risk of leaks.
  • the second surface is concentric to the metal casing and overmolded by the metal casing.
  • the second surface is concentric to the metal casing and the insert is force-fitted into the metal casing.
  • the concentricity with respect to the metal casing will be understood throughout the text of this document, in the sense that the metal casing forms a wall surrounding the insert, the orthogonal sections to the axis of the shaft and cutting the insert having this wall with a constant thickness.
  • the first heat exchange surface forms a heat transfer fluid pipe, this pipe having a first fluid inlet end and a second fluid outlet end, the the conduit being scalable from the first input end to the second output end.
  • the section of the pipe is continuously decreasing from the first inlet end to the second outlet end.
  • the first input end and the second output end open on the same end of the insert.
  • the inlet and the outlet of the heat transfer fluid are grouped together, making it possible to centralize the sealing problems in one and the same place.
  • the pipe comprises a fluid inlet pipe and a fluid outlet pipe, the fluid inlet and outlet pipes being concentric, the inlet pipe of the fluid from the first inlet end to a bottom of the insert, the fluid outlet pipe from the bottom to the second outlet end.
  • the insert is a hollow body whose skin forms the bottom and the pipe.
  • the fluid inlet pipe has a half-moon-shaped section partially surrounding the outlet pipe of the circular section fluid.
  • a gap is formed between the fluid inlet pipe and the fluid outlet pipe, and which will be filled by the material of the metal shell when the latter is overmolded to the insert. This filling is possible by the half-moon shape leaving a filling passage.
  • the passage In addition to improving the conduction of heat to the heat transfer fluid, the passage, once filled by the metal casing, to properly maintain the outlet pipe of the heat transfer fluid.
  • the invention also relates to an electric machine comprising a rotor, the rotor comprising a shaft as previously described and balancing masses for the rotation of the rotor, these balancing masses compensating the imbalance caused by the shape. of half-moon.
  • the density of the heat transfer fluid being different from the density of the metal casing, the half-moon shaped fluid inlet duct creates a unbalance around the axis of the tree.
  • These balancing masses are sized to compensate for this unbalance.
  • the invention also relates to a method of manufacturing a tree as briefly described above, this method comprising a first step of producing the insert by a three-dimensional printing process using the metal powder, especially stainless steel powder.
  • this method advantageously makes it possible to produce hollow bodies of complex shapes, such as the insert, independently of the manufacturing constraints of the metal envelope.
  • this method comprises a second overmolding step of the second surface by the metal shell, and a third step of machining the metal shell to discover the first input end and the second output end.
  • the metal casing for example cast iron
  • a first machining for example a dressing operation, will remove a first part of the metal envelope obstructing the first inlet end, while a second machining operation, for example a drilling operation, will remove a second part of the metal envelope obstructing the second output end.
  • FIGS. 1 to 6 show:
  • FIG. 1 a sectional view of the shaft according to the invention, the shaft being shown integrated in an electric machine. It shows the locations of three sections of the tree, marked Sec1, Sec2, Sec3 in Figure 1, and which are respectively represented by Figures 2, 3, and 4,
  • FIGS. 2 to 4 show the sections Sec1, Sec2, Sec3 of the integrated shaft in the electric machine
  • FIG. 5 perspective view of the single shaft according to the invention
  • FIG. 1 perspective view of the insert alone according to the invention.
  • the assembly shown in Figure 1 discloses a section of the shaft according to the invention, the shaft being shown integrated in an electric machine.
  • This electric machine is here an electric motor for the propulsion of an electric or hybrid vehicle, having a mode of propulsion and a mode of energy recovery when braking the vehicle. They are electric machines preferred for the invention because they are compacted and of high power, for example between 100 and 150 KW.
  • the shaft comprises a metal casing 4 around the axis of the shaft.
  • This envelope is the supporting structure of the tree and it is she who supports the mechanical constraints of the tree.
  • This shaft is here the rotor shaft of the electric machine.
  • This metal casing 4 comprises solid parts forming parts of the solid shaft, and a recessed portion in which a cooling device 3 with heat transfer fluid is housed.
  • this shaft has an outside diameter of about 40 mm, for a length of about 280 mm, which, for an electric machine from 100 to 150 kW, illustrates the aforementioned compactness.
  • the coolant can have a flow rate of up to 10 liters per minute, preferably 5 liters per minute.
  • This cooling device 3 comprises a first heat exchange surface 1 with the heat transfer fluid.
  • This heat transfer fluid is advantageously water, or brine, from a cooling circuit of the stator of the electric machine, or another body of the vehicle requiring the passage of this heat transfer fluid.
  • this fluid may be oil, but the thermal capacity of the water remains an important advantage.
  • This cooling device 3 is an insert inside said metal casing 4, in the recessed portion of the metal casing, and comprises a second heat exchange surface 2 with the metal casing 4.
  • Figure 1 illustrates an embodiment of this disjunction, presenting the insert as a hollow body whose skin forms a pipe 5 of the heat transfer fluid.
  • This skin forms the pipe 5 by the inner surface of the skin, which is then common to the first heat exchange surface 1, and forms the second heat exchange surface 2 by the outer surface of the skin.
  • the first and second heat exchange surfaces 1, 2 are always separated by the thickness of the skin of the hollow body, this hollow body being the insert.
  • the second surface 2 is further concentric with the metal shell 4 and is overmolded by the metal shell 4.
  • the outer surface of the skin of the insert is in direct contact with the metal shell 4.
  • L insert is trapped in the metal shell 4, and the recessed portion is the exact shape of that of the second surface 2 of the insert.
  • the metal casing 4 and the insert then form the shaft, on which shaft are added the necessary elements to form the rotor of the electric machine, for example notches, coils, or magnets.
  • Figure 1 further illustrates the first heat exchange surface 1 forming the pipe 5 of the heat transfer fluid.
  • This pipe 5 has a first inlet end 6 of the fluid and a second outlet end 7 of the fluid.
  • the section of the pipe 5 is scalable from the first inlet end 6 to the second outlet end 7. It is scalable both in shape and surface.
  • this section of the pipe 5 has a continuously decreasing surface, that is to say that this section is gradually reduced in size from the first inlet end 6 to the second outlet end 7.
  • the first inlet end 6 and the second outlet end 7 open on the same insert end, which is to say on the same side of the shaft.
  • FIG. 1 again illustrates the pipe 5 comprising a fluid inlet pipe 61 and a fluid outlet pipe 71.
  • These fluid inlet and outlet pipes 61, 71 are concentric, that is, that is, their respective sections are concentric with each other, the fluid inlet duct 61 extending from the first inlet end 6 towards a bottom 8 of the insert, the fluid outlet duct 71 running from the bottom 8 at the second outlet end 7.
  • the pipe 5 is therefore a pipe in two parts folded over one another, the fold being made by the bottom 8.
  • bottom 8 is also made by the skin of the insert:
  • the surface of the skin of the bottom 8 in contact with the coolant is part of the first heat exchange surface 1, while the surface the skin of the bottom 8 in contact with the metal shell 4 is part of the second heat exchange surface 2.
  • the coolant is supplied by a first annular chamber 9 into which the first inlet end 6 opens.
  • This first annular chamber 9 is formed in a bearing of the shaft, and is located at the end of the shaft in extension. of a raised face of the shaft, but could just as well be radial to the shaft, the condition being that the first inlet end 6 opens into this first annular chamber 9.
  • the coolant is collected by a second annular chamber 10, also made in the bearing of the shaft, and in which opens the second outlet end 7.
  • This method comprises a first step of producing the insert by a three-dimensional printing process using metal powder, especially stainless steel powder.
  • This method is particularly suitable for producing hollow bodies, such as the insert described above.
  • This method comprises a second overmolding step of the second surface 2 by the metal casing 4:
  • the insert is embedded in the metal of the metal casing 4, for example cast iron, and the first end of the inlet 6 and the second outlet end 7 are then obstructed by the metal casing 4.
  • This method then comprises a third machining step of the metal casing 4 to discover the first inlet end 6 and the second outlet end 7: the end of the shaft is raised to the lathe or milled to the machining center, thus releasing the first inlet end 6, while a radial hole in the shaft forming a hole 1 1 communicates the second annular chamber 10 with the second outlet end 7.
  • a seal (not shown) between the first and second annular chambers 9, 10 is formed to prevent internal leakage of the heat transfer fluid.
  • this seal is achieved by simple adjustment between the shaft and its bearing. Alternatively, a rotary joint will be inserted.
  • Figure 1 are located the sections of Figures 2, 3, and 4, respectively indicated by Sec1, Sec 2, Sec3 in Figure 1.
  • Figure 2 is a sectional view, Sec1, in a plane containing the radial bore to the shaft forming the hole 1 1, that is to say in a plane containing the second annular chamber 10, in accordance with the location of Sec1 in Figure 1.
  • FIG. 2 there is illustrated a section of the fluid inlet duct 61 in the form of a half-moon, and partially surrounding the outlet pipe of the fluid 71 circular section and centered on the axis of the tree.
  • This is an example of evolution of the shape of the pipe 5, which thus changes from a half-moon shape whose section is reduced to a circular shape whose section is also reduced, taking the direction of circulation. heat transfer fluid as a time reference.
  • FIG. 3 and FIG. 4 are respectively the sections indicated by Sec 2, Sec 3 in FIG. 1. They are intended to illustrate the evolution of the section of the fluid inlet duct 61 and the fluid outlet pipe 71, which is nothing other than the evolution of the section of the pipe 5 of the coolant.
  • annular gap 12 is formed between the fluid inlet duct 61 and the fluid outlet duct 71, and which is filled with the material of the fluid.
  • metal casing 4 during the second overmolding step of the insert. This filling is possible by the half-moon shape leaving a filling passage 13.
  • FIGS. 2 to 4 also show an imbalance of the masses caused by the half-moon shape: the heat transfer fluid is not the density of the metal, the half moon creates a harmful imbalance during the rotation of the tree.
  • the subject of the invention is also (not shown) the electric machine comprising the rotor, the rotor comprising the shaft previously described and balancing masses for the rotation of the rotor, these balancing masses compensating the imbalance caused by the half-moon shape.
  • This balancing is carried out for example, by adding flanges 15, 16 on the shaft as shown in Figure 1, these flanges being provided with holes judiciously removing the mass. It will be noted that these flanges 15, 16 also have a function of holding magnetic components of the rotor.
  • Figure 5 is a perspective view of the single shaft according to the invention. It distinguishes the metal casing 4 surrounding the insert, this insert comprising the inlet conduit of the fluid 61 in the form of a half-moon whose first inlet end opens on the end of the shaft erected during the third step of machining. A chamfer 14 tree entrance is also performed on this end of the tree erected during this same third step.
  • Figure 6 is a perspective view of the insert alone according to the invention. It makes it possible to better visualize the shape of the insert, in particular the bottom 8, the second heat exchange surface 2 which will be completely covered by the metal casing 4, the first inlet end 6 and the second outlet end 7.

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Abstract

Arbre refroidi et procédé de fabrication d'un arbre, cet arbre comprenant une enveloppe métallique (4) autour de l'axe de l'arbre, et comprenant un dispositif de refroidissement (3) à fluide caloporteur,cedispositif de refroidissement (3) comprenant une première surface d'échange thermique (1) avec le fluide caloporteur, ce dispositif (3) étant un Insert à l'intérieur de l'enveloppe métallique (4) et comprenant une deuxième surface d'échange thermique (2) avec l'enveloppe métallique (4), les première et deuxième surfaces d'échange thermique (1, 2) étant disjointes.

Description

ARBRE REFROIDI ET PROCEDE DE FABRICATION D’UN ARBRE
[0001] L’invention porte sur un arbre comprenant un dispositif de refroidissement interne.
[0002] L’invention vise notamment mais pas limitativement, des applications dans le domaine des machines électriques tournantes, ces machines électriques comprenant généralement un stator et un rotor, le rotor comprenant l’arbre de l’invention.
[0003] L’invention vise en outre un procédé de fabrication de cet arbre.
[0004] Les technologies actuelles permettent de compacter de telles machines électriques, tout en augmentant leur capacité en couple et/ou puissance.
[0005] Ces machines électriques, soumises à des champs magnétiques variables, sont le siège de pertes par courants de Foucault et de pertes par hystérésis, la somme de ces pertes étant appelée pertes fer. En outre, à ces pertes fer sont rajoutées des pertes par frottement mécanique au niveau des paliers du stator portant l’arbre du rotor.
[0006] Ces pertes fer et ces pertes par frottement génèrent une quantité de chaleur d’autant plus grande que la capacité en couple et/ou puissance est élevée. Cette quantité de chaleur doit alors être évacuée sous peine de constater un échauffement des machines électriques néfaste pour leur bon fonctionnement.
[0007] Or, ces machines électriques étant compactées, c’est-à-dire d’encombrement réduit, les surfaces d’échange thermique avec l’environnement extérieur sont trop réduites et ne permettent plus un refroidissement suffisant.
[0008] Pour pallier à ce problème, des dispositifs de refroidissement comprennent des circuits de refroidissement véhiculant un fluide caloporteur au sein même des stators et des rotors.
[0009] Par exemple, le document de brevet CN 206237252 divulgue un dispositif de refroidissement à fluide caloporteur comprenant un circuit de refroidissement, ce circuit comprenant un tube de refroidissement dans un perçage axial d’un arbre d’un rotor d’un moteur électrique.
[0010] Ce dispositif de refroidissement présente cependant l’inconvénient principal de ne pas pouvoir optimiser la forme du circuit de refroidissement vis-à-vis des échanges thermiques. En effet, les contraintes des procédés d’obtention de l’arbre par usinage, et en particulier par perçage, ne permettent pas de réaliser des formes plus complexes qu’un trou de section constante.
[0011] En outre, le tube étant une pièce rapportée, cela crée des interfaces de montage supplémentaires susceptibles d’être à la source de fuites du fluide caloporteur.
[0012] Le but de l’invention est de remédier à cet inconvénient principal, notamment en présentant un arbre permettant d’optimiser la forme du circuit de refroidissement.
[0013] A cet effet, l’invention a pour objet un arbre comprenant une enveloppe métallique autour de l’axe de l’arbre, et comprenant un dispositif de refroidissement à fluide caloporteur, ce dispositif de refroidissement comprenant une première surface d’échange thermique avec le fluide caloporteur, le dispositif de refroidissement étant un Insert à l’intérieur de l’enveloppe métallique et comprenant une deuxième surface d’échange thermique avec l’enveloppe métallique, les première et deuxième surfaces d’échange thermique étant disjointes.
[0014] On comprendra par disjointes, dans tous le texte de ce document, le fait que la première surface d’échange thermique de l’insert n’est en contact qu’avec le fluide caloporteur, et la deuxième surface d’échange thermique n’est en contact qu’avec l’enveloppe métallique. Ainsi, l’enveloppe métallique n’a aucun contact direct avec le fluide caloporteur.
[0015] On comprendra par enveloppe métallique de l’arbre, dans tous le texte de ce document, ce qui constituait l’arbre sans la présence de l’insert. L’enveloppe impliquant un volume intérieur de l’arbre dans lequel est logé l’insert.
[0016] Ainsi, l’insert étant une partie distincte de l’enveloppe métallique, il est fabriqué par un procédé indépendant de celui de l’enveloppe métallique et n’est donc pas lié aux contraintes de fabrication de l’enveloppe métallique. Ceci permet une plus grande liberté pour la réalisation de la forme de la première surface d’échange thermique, et donc permet d’optimiser cette forme vis-à-vis des échanges thermiques.
[0017] En outre, l’insert contient à lui seul le fluide caloporteur circulant dans l’arbre, de sorte que l’étanchéité de ce fluide caloporteur pour l’arbre n’est assurée que par une pièce : l’insert. On limite ainsi le risque de fuites. [0018] Selon un mode de réalisation de l’invention, la deuxième surface est concentrique à l’enveloppe métallique et surmoulée par l’enveloppe métallique.
[0019] Selon une variante de réalisation de l’invention, la deuxième surface est concentrique à l’enveloppe métallique et l’insert est emmanché à force dans l’enveloppe métallique.
[0020] La concentricité par rapport à l’enveloppe métallique sera comprise, dans tout le texte de ce document, dans le sens où l’enveloppe métallique forme une paroi entourant l’insert, les sections orthogonales à l’axe de l’arbre et coupant l’insert présentant cette paroi avec une épaisseur constante.
[0021] Selon un mode de réalisation de l’invention, la première surface d’échange thermique forme une conduite du fluide caloporteur, cette conduite ayant une première extrémité d’entrée du fluide et une deuxième extrémité de sortie du fluide, la section de la conduite étant évolutive de la première extrémité d’entrée à la deuxième extrémité de sortie.
[0022] On comprendra par extrémité d’entrée dans tout le texte de ce document, l’extrémité de la conduite par laquelle le fluide caloporteur rentre. Dans le cas du refroidissement de l’arbre, la température du fluide caloporteur à l’extrémité d’entrée sera inférieure à la température du fluide caloporteur à l’extrémité de sortie.
[0023] Ainsi, en jouant sur la section de la conduite, on joue sur la vitesse du fluide caloporteur et donc sur l’échange thermique par convection.
[0024] Selon une variante de réalisation de l’invention, la section de la conduite est continûment décroissante de la première extrémité d’entrée à la deuxième extrémité de sortie.
[0025] Ainsi, on augmente progressivement la vitesse du fluide caloporteur en même temps qu’il se réchauffe. On compense donc la diminution de l’échange thermique à cause d’un écart en température entre l’insert et le fluide caloporteur qui se réduit, par une augmentation de la convection forcée du fluide caloporteur.
[0026] Selon un mode de réalisation de l’invention, la première extrémité d’entrée et la deuxième extrémité de sortie débouchent sur une même extrémité de l’insert. [0027] Ainsi, l’entrée et la sortie du fluide caloporteur sont regroupées, permettant de centraliser les problèmes d’étanchéité en un même endroit.
[0028] Selon un mode de réalisation de l’invention, la conduite comprend une conduite d’entrée du fluide et une conduite de sortie du fluide, les conduites d’entrée et de sortie du fluide étant concentriques, la conduite d’entrée du fluide allant de la première extrémité d’entrée vers un fond de l’insert, la conduite de sortie du fluide allant du fond à la deuxième extrémité de sortie.
[0029] Selon un mode de réalisation de l’invention, l’insert est un corps creux dont la peau forme le fond et la conduite.
[0030] Selon un mode de réalisation de l’invention, la conduite d’entrée du fluide a une section en forme de demi-lune entourant partiellement la conduite de sortie du fluide à section circulaire.
[0031] On comprendra par demi-lune, dans tout le texte de ce document, une section dont le contour comprend deux arcs de cercle entourant partiellement la conduite de sortie du fluide, ces deux arcs de cercle étant contenus dans un même secteur angulaire ayant pour centre le centre de la section circulaire.
[0032] Ainsi, un interstice est formé entre la conduite d’entrée du fluide et la conduite de sortie du fluide, et qui sera remplit par la matière de l’enveloppe métallique lorsque cette dernière sera surmoulée à l’insert. Ce remplissage est possible par la forme en demi-lune laissant un passage de remplissage.
[0033] Outre le fait d’améliorer la conduction de la chaleur vers le fluide caloporteur, le passage, une fois remplit par l’enveloppe métallique, permet de maintenir correctement la conduite de sortie du fluide caloporteur.
[0034] L’invention a également pour objet une machine électrique comprenant un rotor, le rotor comprenant un arbre tel que précédemment décrit et des masses d’équilibrage pour la rotation du rotor, ces masses d’équilibrage compensant le déséquilibre provoqué par la forme de demi-lune.
[0035] En effet, la densité du fluide caloporteur étant différente de la densité de l’enveloppe métallique, la conduite d’entrée du fluide en forme de demi-lune crée un balourd autour de l’axe de l’arbre. Ces masses d’équilibrage sont dimensionnée pour compenser ce balourd.
[0036] L’invention a également pour objet un procédé de fabrication d’un arbre tel que succinctement décrit ci-dessus, ce procédé comprenant une première étape de réalisation de l’insert par un procédé d’impression en trois dimensions utilisant de la poudre métallique, notamment de la poudre en acier inoxydable.
[0037] En effet, ce procédé permet avantageusement de réaliser des corps creux de formes complexes, tels que l’insert, indépendamment des contraintes de fabrication de l’enveloppe métallique.
[0038] Selon un mode de réalisation du procédé de fabrication selon l’invention, ce procédé comprend une deuxième étape de surmoulage de la deuxième surface par l’enveloppe métallique, et une troisième étape d’usinage de l’enveloppe métallique pour découvrir la première extrémité d’entrée et la deuxième extrémité de sortie.
[0039] En effet, l’enveloppe métallique, par exemple en fonte, après la deuxième étape, recouvre la première extrémité d’entrée et la deuxième extrémité de sortie. Un premier usinage, par exemple une opération de dressage, enlèvera une première partie de l’enveloppe métallique obstruant la première extrémité d’entrée, alors qu’une deuxième opération d’usinage, par exemple une opération de perçage, enlèvera une deuxième partie de l’enveloppe métallique obstruant la deuxième extrémité de sortie.
[0040] D’autres caractéristiques, buts et avantages de l’invention apparaîtront à la lecture de la description de l’exemples de réalisation non limitatif qui va suivre, faite en référence aux figures 1 à 6 annexées, qui représentent :
- figure 1 : une vue en coupe de l’arbre selon l’invention, l’arbre étant montré intégré dans une machine électrique. Y sont représentés les localisations de trois coupes de l’arbre, repérées Sec1 , Sec2, Sec3 sur la figure 1 , et qui sont représentées respectivement par les figures 2, 3, et 4,
- figures 2 à 4 : Représentent les coupes Sec1 , Sec2, Sec3 de l’arbre intégré dans la machine électrique,
- figure 5 : vue en perspective de l’arbre seul selon l’invention,
- figure 6 : vue en perspective de l’insert seul selon l’invention. [0041] L’ensemble représenté sur la figure 1 divulgue une coupe de l’arbre selon l’invention, l’arbre étant montré intégré dans une machine électrique. Cette machine électrique est ici un moteur électrique pour la propulsion d’un véhicule électrique ou hybride, ayant un mode de propulsion et un mode de récupération d’énergie au freinage du véhicule. Ce sont des machines électriques privilégiées pour l’invention, car elles sont compactées et de forte puissance, par exemple entre 100 et 150 KW.
[0042] L’arbre comprend une enveloppe métallique 4 autour de l’axe de l’arbre. Cette enveloppe est la structure portante de l’arbre et c’est elle qui supporte les contraintes mécaniques de l’arbre. Cet arbre est ici l’arbre du rotor de la machine électrique. Cette enveloppe métallique 4 comprend des parties pleines formant des parties de l’arbre plein, et une partie évidée dans laquelle un dispositif de refroidissement 3 à fluide caloporteur est logé.
[0043] En ordre de grandeur, cet arbre a un diamètre extérieur d’environ 40 mm, pour une longueur d’environ 280 mm, ce qui, pour une machine électrique de 100 à 150 KW, illustre la compacité précitée. Le fluide caloporteur peut avoir un débit allant jusqu’à 10 litres par minute, préférentiellement 5 litres par minute.
[0044] Ce dispositif de refroidissement 3 comprend une première surface d’échange thermique 1 avec le fluide caloporteur. Ce fluide caloporteur est avantageusement de l’eau, ou de l’eau glycolée, provenant d’un circuit de refroidissement du stator de la machine électrique, ou d’un autre organe du véhicule nécessitant le passage de ce fluide caloporteur. Dans une variante, ce fluide peut être de l’huile, mais la capacité thermique de l’eau reste un avantage important. Ce dispositif de refroidissement 3 est un Insert à l’intérieur de ladite enveloppe métallique 4, dans la partie évidée de l’enveloppe métallique, et comprend une deuxième surface d’échange thermique 2 avec l’enveloppe métallique 4.
[0045] Les première et deuxième surfaces d’échange thermique 1 , 2 sont disjointes : La figure 1 illustre un exemple de réalisation de cette disjonction, en présentant l’insert comme un corps creux dont la peau forme une conduite 5 du fluide caloporteur. Cette peau forme la conduite 5 par la surface intérieure de la peau, qui est alors commune à la première surface d’échange thermique 1 , et forme la deuxième surface d’échange thermique 2 par la surface extérieure de la peau. Ainsi, Les première et deuxième surfaces d’échange thermique 1 , 2 sont toujours séparées par l’épaisseur de la peau du corps creux, ce corps creux étant l’insert. [0046] La deuxième surface 2 est en outre concentrique à l’enveloppe métallique 4 et est surmoulée par l’enveloppe métallique 4. La surface extérieure de la peau de l’insert est donc en contact direct avec l’enveloppe métallique 4. L’insert est emprisonné dans l’enveloppe métallique 4, et la partie évidée est de la forme exacte de celle de la deuxième surface 2 de l’insert.
[0047] L’enveloppe métallique 4 et l’insert forment alors l’arbre, arbre sur lequel sont rajoutés les éléments nécessaires pour constituer le rotor de la machine électrique, par exemple des encoches, des bobinages, ou des aimants.
[0048] La figure 1 illustre en outre la première surface d’échange thermique 1 formant la conduite 5 du fluide caloporteur. Cette conduite 5 a une première extrémité d’entrée 6 du fluide et une deuxième extrémité de sortie 7 du fluide. La section de la conduite 5 est évolutive de la première extrémité d’entrée 6 à la deuxième extrémité de sortie 7. Elle est évolutive à la fois en forme et en surface. Avantageusement cette section de la conduite 5 a une surface continûment décroissante, c’est-à-dire que cette section se réduit en taille progressivement de la première extrémité d’entrée 6 à la deuxième extrémité de sortie 7.
[0049] La première extrémité d’entrée 6 et la deuxième extrémité de sortie 7 débouchent sur une même extrémité d’insert, ce qui revient à dire d’un même coté de l’arbre.
[0050] La figure 1 encore, illustre la conduite 5 comprenant une conduite d’entrée du fluide 61 et une conduite de sortie du fluide 71. Ces conduites d’entrée et de sortie du fluide 61 , 71 sont concentriques, c’est-à-dire que leurs sections respectives sont concentriques entre-elles, la conduite d’entrée du fluide 61 allant de la première extrémité d’entrée 6 vers un fond 8 de l’insert, la conduite de sortie du fluide 71 allant du fond 8 à la deuxième extrémité de sortie 7. La conduite 5 est donc une conduite en deux parties repliées l’une sur l’autre, la pliure étant réalisée par le fond 8.
[0051] On notera que le fond 8 est également réalisé par la peau de l’insert : La surface de la peau du fond 8 en contact avec le fluide caloporteur fait partie de la première surface d’échange thermique 1 , alors que la surface de la peau du fond 8 en contact avec l’enveloppe métallique 4 fait partie de la deuxième surface d’échange thermique 2.
[0052] Le fluide caloporteur est amené par une première chambre annulaire 9 dans laquelle débouche la première extrémité d’entrée 6. Cette première chambre annulaire 9 est réalisée dans un palier de l’arbre, et se trouve en extrémité d’arbre en prolongement d’une face dressée de l’arbre, mais pourrait tout aussi bien être radiale à l’arbre, la condition étant que la première extrémité d’entrée 6 débouche dans cette première chambre annulaire 9.
[0053] Le fluide caloporteur est collecté par une deuxième chambre annulaire 10, elle aussi réalisée dans le palier de l’arbre, et dans laquelle débouche la deuxième extrémité de sortie 7.
[0054] Il convient alors de décrire les étapes du procédé de fabrication d’un arbre selon l’invention. Ce procédé comprend une première étape de réalisation de l’insert par un procédé d’impression en trois dimensions utilisant de la poudre métallique, notamment de la poudre en acier inoxydable. Ce procédé est particulièrement adapté pour la réalisation de corps creux, comme l’insert décrit précédemment.
[0055] Ce procédé comprend une deuxième étape de surmoulage de la deuxième surface 2 par l’enveloppe métallique 4 : L’insert est donc noyé dans le métal de l’enveloppe métallique 4, par exemple de la fonte, et la première extrémité d’entrée 6 et la deuxième extrémité de sortie 7 sont alors obstruées par l’enveloppe métallique 4.
[0056] Ce procédé comprend alors une troisième étape d’usinage de l’enveloppe métallique 4 pour découvrir la première extrémité d’entrée 6 et la deuxième extrémité de sortie 7 : l’extrémité de l’arbre est dressée au tour ou fraisée au centre d’usinage, libérant ainsi la première extrémité d’entrée 6, alors qu’un perçage radial à l’arbre formant un trou 1 1 fait communiquer la deuxième chambre annulaire 10 avec la deuxième extrémité de sortie 7.
[0057] On notera qu’une étanchéité (non représentée) entre les première et deuxième chambres annulaires 9, 10 est réalisée pour éviter des fuites internes du fluide caloporteur. Par exemple cette étanchéité est réalisée par simple ajustement entre l’arbre et son palier. En variante, un joint tournant sera inséré.
[0058] On notera qu’une étanchéité (non représentée) entre la deuxième chambre annulaire 10 et l’espace interne de la machine électrique est réalisée par un autre joint tournant entre l’arbre et son palier.
[0059] Sur la figure 1 sont localisées les coupes des figures 2, 3, et 4, respectivement signalées par Sec1 , Sec 2, Sec3 sur la figure 1. [0060] La figure 2 est une vue coupe, Sec1 , dans un plan contenant le perçage radial à l’arbre formant le trou 1 1 , c’est-à-dire dans un plan contenant la deuxième chambre annulaire 10, conformément à la localisation de Sec1 sur la figure 1.
[0061] Sur cette figure 2, est illustré une section de la conduite d’entrée du fluide 61 en forme de demi-lune, et entourant partiellement la conduite de sortie du fluide 71 à section circulaire et centrée sur l’axe de l’arbre. C’est un exemple d’évolution de la forme de la conduite 5, qui passe donc d’une forme en demi-lune dont la section se réduit, à une forme circulaire dont la section se réduit également, en prenant le sens de circulation du fluide caloporteur comme référence temporelle.
[0062] La figure 3 et la figure 4 sont respectivement les coupes signalées par Sec 2, Sec3 sur la figure 1. Elles ont pour but d’illustrer l’évolution de la section de la conduite d’entrée du fluide 61 et de la conduite de sortie du fluide 71 , qui ne sont rien d’autre que l’évolution de la section de la conduite 5 du fluide caloporteur.
[0063] En outre, sur les figures 3 et 4, on voit qu’un interstice 12 annulaire est formé entre la conduite d’entrée du fluide 61 et la conduite de sortie du fluide 71 , et qui est remplit par la matière de l’enveloppe métallique 4 pendant la deuxième étape de surmoulage de l’insert. Ce remplissage est possible par la forme en demi-lune laissant un passage 13 de remplissage.
[0064] Ces coupes des figures 2 à 4 montrent en outre un déséquilibre des masses provoqué par la forme de demi-lune : le fluide caloporteur n’étant pas de la densité du métal, la demi-lune crée un balourd néfaste lors de la rotation de l’arbre. Ainsi, l’invention a aussi pour objet (non représenté) la machine électrique comprenant le rotor, le rotor comprenant l’arbre précédemment décrit et des masses d’équilibrage pour la rotation du rotor, ces masses d’équilibrage compensant le déséquilibre provoqué par la forme de demi-lune. Cet équilibrage est réalisé par exemple, en rajoutant des flasques 15, 16 sur l’arbre tels que illustrés sur la figure 1 , ces flasques étant dotés de perçages enlevant judicieusement de la masse. On notera que ces flasques 15, 16 ont en outre une fonction de maintien de composants magnétiques du rotor.
[0065] La figure 5 est une vue en perspective de l’arbre seul selon l’invention. On y distingue l’enveloppe métallique 4 entourant l’insert, cet insert comprenant la conduite d’entrée du fluide 61 en forme de demi-lune dont la première extrémité d’entrée débouche sur l’extrémité de l’arbre dressée lors de la troisième étape d’usinage. Un chanfrein 14 d’entrée d’arbre est également réalisé sur cette extrémité de l’arbre dressée lors de cette même troisième étape.
[0066] La deuxième extrémité de sortie, tout comme la conduite de sortie du fluide 71 n’apparaissent pas sur cette figure, mais la conduite de sortie du fluide 71 est indiquée par une flèche signalant sa présence au fond du trou 11. La surface interne de ce trou 11 , bien qu’en contact avec l’enveloppe métallique 4, ne fait pas partie de la première surface d’échange thermique 1. Sa fonction est uniquement de permettre le passage du fluide de la conduite de sortie du fluide 71 vers la deuxième chambre annulaire 10.
[0067] La figure 6 est une vue en perspective de l’insert seul selon l’invention. Elle permet de mieux visualiser la forme de l’insert, en particulier le fond 8, la deuxième surface d’échange thermique 2 qui sera entièrement recouverte par l’enveloppe métallique 4, la première extrémité d’entrée 6 et la deuxième extrémité de sortie 7.

Claims

Revendications
1. Arbre comprenant une enveloppe métallique (4) autour de l’axe de l’arbre, et comprenant un dispositif de refroidissement (3) à fluide caloporteur, ledit dispositif de refroidissement (3) comprenant une première surface d’échange thermique (1 ) avec ledit fluide caloporteur, caractérisé en ce que ledit dispositif (3) est un Insert à l’intérieur de ladite enveloppe métallique (4) et comprend une deuxième surface d’échange thermique (2) avec ladite enveloppe métallique (4), lesdites première et deuxième surfaces d’échange thermique (1 , 2) étant disjointes.
2. Arbre selon la revendication 1 , caractérisé en ce que ladite deuxième surface (2) est concentrique à ladite enveloppe métallique (4) et surmoulée par ladite enveloppe métallique (4).
3. Arbre selon la revendication 2, ladite première surface d’échange thermique (1 ) formant une conduite (5) dudit fluide caloporteur, ladite conduite (5) ayant une première extrémité d’entrée (6) du fluide et une deuxième extrémité de sortie (7) du fluide, caractérisé en ce que la section de ladite conduite (5) est évolutive de ladite première extrémité d’entrée (6) à ladite deuxième extrémité de sortie (7), notamment continûment décroissante.
4. Arbre selon la revendication 3, caractérisé en ce que ladite première extrémité d’entrée (6) et ladite deuxième extrémité de sortie (7) débouchent sur une même extrémité dudit insert.
5. Arbre selon la revendication 4, ladite conduite (5) comprenant une conduite d’entrée du fluide (61 ) et une conduite de sortie du fluide (71 ), caractérisé en ce que lesdites conduites d’entrée et de sortie du fluide (61 , 71 ) sont concentriques, ladite conduite d’entrée du fluide (61 ) allant de ladite première extrémité d’entrée (6) vers un fond (8) dudit insert, ladite conduite de sortie du fluide (71 ) allant dudit fond (8) à ladite deuxième extrémité de sortie (7).
6. Arbre selon la revendication 5, caractérisé en ce que l’insert est un corps creux dont la peau forme ledit fond et ladite conduite (5).
7. Arbre selon la revendication 6, caractérisé en ce que ladite conduite d’entrée du fluide (61 ) a une section en forme de demi-lune entourant partiellement ladite conduite de sortie du fluide (71 ) à section circulaire.
8. Machine électrique comprenant un rotor, ledit rotor comprenant un arbre selon la revendication 7 et des masses d’équilibrage pour la rotation dudit rotor, caractérisé en ce que lesdites masses d’équilibrage compensent le déséquilibre provoqué par ladite forme de demi-lune.
9. Procédé de fabrication d’un arbre selon la revendication 1 , caractérisé en ce que ledit procédé comprend une première étape de réalisation dudit insert par un procédé d’impression en trois dimensions utilisant de la poudre métallique, notamment de la poudre en acier inoxydable.
10. Procédé de fabrication d’un arbre selon la revendication 9, ledit arbre étant conforme à l’une des revendications 3 à 7, caractérisé en ce que ledit procédé comprend une deuxième étape de surmoulage de ladite deuxième surface (2) par ladite enveloppe métallique (4), et une troisième étape d’usinage de ladite enveloppe métallique (4) pour découvrir ladite première extrémité d’entrée (6) et ladite deuxième extrémité de sortie (7).
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