WO2024121234A1 - Machine électrique tournante comprenant un capteur de température dans un circuit de refroidissement de rotor - Google Patents

Abstract

L'invention concerne une machine électrique tournante (1) comprenant un carter (2) dans lequel sont logés un stator (3) et un rotor (4) comportant un arbre (5), la machine électrique tournante comprenant un couvercle (6) refermant une cavité (7) formée entre le couvercle et un palier (8), l'arbre débouchant à travers le palier par une première extrémité (9) positionnée en regard du couvercle, l'arbre comprenant un canal de refroidissement (11) comportant un orifice d'entrée et un orifice de sortie (13) en communication fluidique avec la cavité qui forment, avec le canal de refroidissement, un circuit de refroidissement de rotor (10) à travers laquelle un fluide de refroidissement est apte à s'écouler du canal de refroidissement vers la cavité La machine électrique comprend un capteur de température (14) comprenant un élément sensible à la température (15) positionné dans le circuit de refroidissement de rotor pour mesurer la température du fluide de refroidissement.

Description

Description

Titre de l'invention : Machine électrique tournante comprenant un capteur de température dans un circuit de refroidissement de rotor [0001] L'invention se rapporte au domaine des machines électriques tournantes telles que les moteurs électriques, les alternateurs, ou les alterno-démarreurs pour les véhicules automobiles.

[0002] Les machines électriques tournantes comprennent un carter dans lequel sont logés un stator et un rotor pouvant tourner par rapport au stator.

[0003] Les machines électriques tournantes de ce type sont de plus en plus utilisées dans les véhicules à propulsion électrique ou les véhicules hybrides, comme moteur électrique pour entraîner une roue ou un essieu du véhicule.

[0004] Il est également possible de faire fonctionner le moteur électrique en générateur de récupération d'énergie cinétique d'un véhicule, l'énergie cinétique étant convertie en énergie électrique stockée dans une batterie.

[0005] Le rotor de la machine électrique comporte un arbre de rotor qui est logé dans un corps de rotor cylindrique. Outre un empilement de tôles feuilletées, le corps du rotor peut comporter des aimants permanents ou un bobinage avec un conducteur électrique.

[0006] La machine électrique tournante comprend un palier muni d’une bague de roulement pour guider l’arbre, à chaque extrémité de l’arbre.

[0007] Du fait de la chaleur générée lors du fonctionnement de la machine électrique tournante, la machine électrique tournante comporte un dispositif de refroidissement pour dissiper la chaleur.

[0008] Le dispositif de refroidissement comprend un circuit de refroidissement à travers lequel un liquide de refroidissement caloporteur, qui est par exemple un mélange eau- glycol ou de l’huile, circule pour refroidir et contrôler la température des bobinages ou des aimants du rotor, puis des roulements de la bague de roulement.

[0009] Le circuit de refroidissement s'étend depuis une entrée formée dans le carter, à travers le rotor et jusqu'à une sortie prévue dans le carter.

[0010] Pour déterminer la position angulaire du rotor par rapport au stator, la machine électrique tournante comprend un capteur de position inductif fixé sur une carte électronique. Une cible tournante est montée sur le rotor pour modifier un champ magnétique transmis par un émetteur.

[0011] La carte électronique est montée sur un couvercle du carter, en regard d’une extrémité de l’arbre du rotor. Le capteur de position comprend un élément d’émission destiné à émette un champ magnétique oscillant vers la cible, générant un champ magnétique oscillant modifié à une fréquence donnée et un dispositif de réception détectant le champ magnétique oscillant modifié pour en déduire la position angulaire de la cible.

[0012] La carte électronique peut comprendre un capteur de température du type CTN (Coefficient de Température Négatif) pour mesurer la température du stator.

[0013] Cependant, il est difficile d’obtenir une mesure de température du rotor qui est une pièce en mouvement et du roulement à bille entourant l’extrémité de l’arbre. Il est d’autant plus important de suivre la température du roulement que ce composant est sensible aux hautes températures. Des températures trop élevées peuvent le détériorer.

[0014] Il existe des solutions comme des capteurs de température ou des caméras infrarouges qui permettent de mesurer la température du rotor directement mais ces solutions sont encombrantes, entraînant une conception et un montage plus complexes et un surcoût de la machine électrique tournante.

[0015] Le but de l’invention est donc de pallier les inconvénients de l’art antérieur en proposant une machine électrique tournante dans laquelle il est possible de mesurer la température du rotor de façon simple et à moindre coût, en minimisant les modifications de la structure de la machine électrique tournante.

[0016] Pour ce faire, l’invention se rapporte ainsi, dans son acceptation la plus large, à une machine électrique tournante comprenant un carter dans lequel sont logés un stator et un rotor comportant un arbre monté en rotation par rapport au stator. La machine électrique tournante comprend un couvercle refermant une cavité formée entre le couvercle et un palier. L’arbre débouche à travers le palier par une première extrémité positionnée en regard du couvercle. L’arbre comprend un canal de refroidissement comportant un orifice d’entrée et un orifice de sortie en communication fluidique avec la cavité. La cavité et le canal de refroidissement forment un circuit de refroidissement de rotor à travers laquelle un fluide de refroidissement est apte à s'écouler du canal de refroidissement vers la cavité.

[0017] Selon l’invention, la machine électrique tournante comprend un capteur de température comprenant un élément sensible à la température positionné dans le circuit de refroidissement de rotor pour mesurer la température du fluide de refroidissement.

[0018] L’invention fournit ainsi une machine électrique tournante dans laquelle il est possible de mesurer la température du rotor de façon simple et à moindre coût.

[0019] En effet, l’invention permet d’obtenir une machine électrique tournante de conception plus simple et plus compacte que les machines de l’art antérieur utilisant des capteurs ou des caméras infrarouges.

[0020] De plus, il est possible de suivre la température au plus près de l’arbre et du roulement à bille du palier, ce qui est particulièrement intéressant pour éviter l’endommagement du roulement à la suite de températures trop élevées.

[0021] Selon une variante, le capteur de température est supporté par le couvercle. [0022] Selon une autre variante, le couvercle comprend une carte électronique recevant les mesures de température, le capteur de température étant monté sur la carte électronique.

[0023] Cette solution permet de modifier au minimum la machine électrique tournante déjà existante.

[0024] Selon une autre variante, l’élément sensible à la température du capteur de température est positionné à l’intérieur du canal de refroidissement, le capteur de température comprenant un corps traversant l’orifice de sortie.

[0025] Le capteur de température mesure ainsi la température du fluide de refroidissement à l’intérieur de l’arbre, avant sa sortie dans la cavité, ce qui permet d’obtenir une mesure de température plus précise de l’arbre.

[0026] Selon une autre variante, l’orifice de sortie débouche par la première extrémité de l’arbre, l’orifice de sortie étant positionné en regard d’une face interne du couvercle.

[0027] Selon une autre variante, une cible tournante est montée sur la première extrémité de l’arbre. La carte électronique comprend un capteur de position inductif pour mesurer la position angulaire du rotor. La cible tournante comprend un orifice positionné en regard de l’orifice de sortie du canal de refroidissement de l’arbre. L’orifice est traversé par le capteur de température.

[0028] Cette solution permet d’utiliser une même carte électronique pour le capteur de position inductif et le capteur de température.

[0029] Selon une autre variante, le capteur de température est configuré pour mesurer la température du fluide de refroidissement en aval de l’orifice de sortie du canal de refroidissement de l’arbre.

[0030] Selon une autre variante, l’élément sensible à la température du capteur de température est positionné à l’intérieur de la cavité, en regard du palier.

[0031] Cette solution permet d’être au plus près du roulement à bille pour mesurer plus précisément sa température.

[0032] Selon une autre variante, la machine électrique tournante comprend une unité de traitement du signal dans laquelle est enregistré un moyen d’extrapolation des températures permettant de déterminer la température du rotor à partir des températures mesurées du fluide de refroidissement.

[0033] Cette solution fournit une méthode indirecte pour mesurer la température du rotor et des éléments qui l’entourent de manière simple.

[0034] L’invention concerne également un procédé de mesure de la température d’un rotor d’une machine électrique tournante telle que définie précédemment. Le procédé comprend une étape de mesure de la température du fluide de refroidissement par le capteur de température, suivie d’une étape de détermination de la température du rotor par le moyen d’extrapolation des températures à partir des températures mesurées du fluide de refroidissement.

[0035] On décrira ci-après, à titre d’exemples non limitatifs, des formes d’exécution de la présente invention, en référence aux figures annexées sur lesquelles :

[0036] [Fig.l] illustre schématiquement une machine électrique tournante comprenant un capteur de température, selon un premier mode de réalisation de l’invention ;

[0037] [Fig.2] illustre schématiquement une machine électrique tournante comprenant un capteur de température, selon un deuxième mode de réalisation de l’invention.

[0038] La [Fig.l] illustre schématiquement une machine électrique tournante 1, tel un moteur électrique de véhicule électrique ou hybride comprenant un rotor 4 monté en rotation par rapport à un stator 3, selon un premier mode de réalisation de l’invention.

[0039] La machine électrique tournante 1 comprend un carter 2 cylindrique dans lequel sont logés le stator 3 et le rotor 4. Le rotor 4 comporte un arbre 5 et des aimants ou un bobinage 18 répartis autour de l’arbre 5. Le stator 3 comprend un bobinage 17.

[0040] La machine électrique tournante 1 comprend un palier 8 muni d’une bague de roulement 19 pour guider l’arbre 5, à chaque extrémité 9 de l’arbre 5.

[0041] La machine électrique tournante 1 comprend un couvercle 6 refermant une cavité 7 formée entre le couvercle 6 et un des paliers 8. Une première extrémité 9 de l’arbre 5 traverse le palier 8 par un orifice de palier 21 pour déboucher dans la cavité 7. Une bague de roulement 19 circulaire est prévue autour de la première extrémité 9, entre l’arbre 5 et un bord 20 délimitant l’orifice de palier 21.

[0042] La première extrémité 9 de l’arbre 5 comprend une face axiale 29 positionnée en regard d’une face interne 28 du couvercle 6.

[0043] Du fait de la chaleur générée lors du fonctionnement de la machine électrique tournante 1, la machine électrique tournante 1 comporte un dispositif de refroidissement pour dissiper la chaleur.

[0044] Le dispositif de refroidissement comprend un circuit de refroidissement à travers lequel un liquide de refroidissement caloporteur, qui est par exemple un mélange eau- glycol ou de l’huile, circule pour refroidir et contrôler la température des bobinages ou des aimants du rotor 4, puis des roulements de la bague de roulement.

[0045] Le circuit de refroidissement s'étend depuis une entrée formée dans le carter 2, à travers le rotor 4 et jusqu'à une sortie prévue dans le carter 2 (non représenté).

[0046] L’arbre 5 comprend un canal de refroidissement 11 comportant un orifice d’entrée (non représenté) et un orifice de sortie 13 en communication fluidique avec la cavité 7. L’orifice d’entrée peut être prévu à une deuxième extrémité de l’arbre 5, opposée à la première extrémité 9.

[0047] L’orifice de sortie 13 débouche de la face axiale 29 de la première extrémité 9 de l’arbre 5 et est positionné en regard de la face interne 28 du couvercle 6.

[0048] Le liquide de refroidissement circule à travers le canal de refroidissement 11 pour refroidir, entre autre, le rotor 4 et la bague de roulement 19.

[0049] Le dispositif de refroidissement comprend une pompe (non représenté) pour faire circuler le liquide de refroidissement.

[0050] La cavité 7 et le canal de refroidissement 11 forment un circuit de refroidissement de rotor 10. Le fluide de refroidissement est apte à s'écouler du canal de refroidissement 11 vers la cavité 7 en débouchant par l’orifice de sortie 13. L’orifice de sortie 13 est aligné avec un axe central A de l’arbre 5. Un orifice est prévu dans le carter 2 pour l’évacuation du fluide de refroidissement hors de la cavité 7 (non représenté).

[0051] Un dispositif d'étanchéité (non représenté) assure l'étanchéité du rotor 4 par rapport au carter 2, par exemple selon une direction axiale et une direction radiale du rotor 4. En particulier, le canal de refroidissement 11 qui traverse le rotor 4 est isolé par rapport à un espace intérieur 22 du carter 2, de sorte qu'aucun liquide de refroidissement ne peut passer du canal de refroidissement 11 vers l'espace intérieur 22 et y provoquer des dommages, comme de la corrosion par exemple. L'espace intérieur 22 loge, entre autre, le stator 3, et peut sinon être rempli d'air.

[0052] Pour déterminer la position angulaire du rotor 4 par rapport au stator 3, la machine électrique tournante 1 comprend un capteur de position inductif fixé sur une carte électronique 23 (ou substrat). Une cible tournante 16 est montée sur la face axiale 29 de la première extrémité 9 de l’arbre 5 pour modifier un champ magnétique transmis par un émetteur. La cible tournante 16 est utilisée comme élément de couplage.

[0053] La carte électronique 23 est montée sur une face externe 25 du couvercle 6, en regard de la première extrémité 9 de l’arbre 5, tout en étant séparée de l’arbre 5 par le couvercle 6.

[0054] Le capteur de position comprend au moins un élément d’émission destiné à émette un champ magnétique oscillant vers la cible tournante 16, générant un champ magnétique oscillant modifié à une fréquence donnée.

[0055] Le capteur de position comprend un dispositif de réception détectant le champ magnétique oscillant modifié pour en déduire la position angulaire de la cible tournante 16.

[0056] Le champ magnétique oscillant modifié génère une force électromotrice à une fréquence donnée dans le dispositif de réception. Cette force électromotrice est traitée par une unité de traitement de signal prévue sur la carte électronique 23 de sorte à fournir des signaux de sortie permettant la mesure de la position de la cible tournante 16.

[0057] Les éléments d’émission et le dispositif de réception du capteur de position inductif sont positionnés en regard de la cible tournante 16 et donc en regard de la face axiale 29 de la première extrémité 9 de l’arbre 5.

[0058] Un orifice 12 est prévu dans la cible tournante 16 pour permettre la circulation du fluide de refroidissement. L’orifice 12 est positionné en regard de l’orifice de sortie 13 du canal de refroidissement 11 de l’arbre 5.

[0059] Selon l’invention, la machine électrique tournante 1 comprend un capteur de température 14 comportant un élément sensible à la température 15 positionné dans le circuit de refroidissement de rotor 10 pour mesurer la température du fluide de refroidissement.

[0060] Le capteur de température 14 est de préférence une thermistance du type CTN (Coefficient de Température Négatif) dans laquelle la résistance décroît en fonction de l'élévation de la température.

[0061] En variante, le capteur de température 14 peut être une thermistance du type CTP (Coefficient de Température Positif) dans laquelle la résistance croît en fonction de l'élévation de la température.

[0062] En variante, le capteur de température 14 peut être une thermistance en platine.

[0063] En variante, l’élément sensible à la température 15 peut être une soudure chaude d’un thermocouple.

[0064] Le capteur de température 14 est solidaire du couvercle 6.

[0065] Le capteur de température 14 est monté sur la carte électronique 23 qui reçoit les mesures de température.

[0066] Le capteur de température 14 comprend un corps 27 longitudinal qui traverse un canal 26, de façon étanche, formé dans le couvercle 6. L’élément sensible à la température 15 est positionné à une extrémité du corps de capteur 27. Le corps 27 est relié à la carte électronique 23.

[0067] Selon le premier mode de réalisation de la [Fig.1], le capteur de température 14 est configuré pour mesurer la température du fluide de refroidissement en amont de l’orifice de sortie 13.

[0068] L’élément sensible à la température 15 du capteur de température 14 est positionné à l’intérieur du canal de refroidissement 11. Le corps 27 du capteur de température 14 traverse l’orifice de sortie 13 de l’arbre 5 et l’orifice 12 de la cible tournante 16.

[0069] Le capteur de température 14 est aligné suivant l’axe central A de l’arbre 5.

[0070] Le capteur de température 14 occupe une position centrale sur le couvercle 6.

[0071] Le capteur de température 14 mesure ainsi la température du fluide de refroidissement directement à l’intérieur de l’arbre 5, avant la sortie du fluide de refroidissement dans la cavité 5.

[0072] Selon un deuxième mode de réalisation illustré sur la [Fig.2], le capteur de température 14 est configuré pour mesurer la température du fluide de refroidissement en aval de l’orifice de sortie 13.

[0073] La machine électrique tournante 1 est similaire à celle du premier mode de réalisation de la [Fig.l], à l’exception de l’élément sensible à la température 15 du capteur de tem- pérature 14 qui est positionné à l’intérieur de la cavité 7.

[0074] Selon une variante, l’élément sensible à la température 15 est positionné en regard du palier 8.

[0075] L’élément sensible à la température 15 peut également être positionné en regard de la bague de roulement 19.

[0076] Le capteur de température 14 comprend également un corps 27 qui traverse un canal 26 formé dans le couvercle 6. L’élément sensible à la température 15 est positionné à une extrémité du corps de capteur 27. Le corps 27 est relié à la carte électronique 23.

[0077] Le capteur de température 14 est décalé par rapport à l’axe central A de l’arbre 5.

[0078] Le capteur de température 14 mesure ainsi la température du fluide de refroidissement à l’intérieur de la cavité 5, après la sortie du fluide de refroidissement hors de l’arbre 5.

[0079] Le fluide de refroidissement est en contact du rotor 4 et de la bague de roulement 19 pour les refroidir. La température mesurée est représentative de la température de ces deux éléments.

[0080] Un moyen d’extrapolation des températures est enregistré dans l’unité de traitement du signal.

[0081] Le moyen d’extrapolation peut être un modèle mathématique comprenant une formule mathématique reliant la température mesurée du fluide de refroidissement à la température réelle du rotor 4.

[0082] Le moyen d’extrapolation peut être obtenu à partir d’une calibration réalisée en amont durant laquelle des valeurs de température du fluide de refroidissement sont mesurées en même temps que des valeurs de température du rotor 4 prises directement sur le rotor 4 au moyen d’un capteur infrarouge, par exemple.

[0083] Le modèle mathématique est obtenu d’après ces mesures.

[0084] Ainsi, le modèle mathématique donne la température réelle du rotor 4 à partir de la température mesurée dans le fluide de refroidissement.

[0085] L’invention concerne également un procédé de mesure de la température du rotor 4 comprenant une étape de mesure de la température du fluide de refroidissement par le capteur de température 14, suivie d’une étape de détermination de la température du rotor 4 à partir des températures mesurées du fluide de refroidissement et du modèle d’extrapolation des températures.

Claims

Revendications

[Revendication 1] Machine électrique tournante (1) comprenant un carter (2) dans lequel sont logés un stator (3) et un rotor (4) comportant un arbre (5) monté en rotation par rapport au stator (3), la machine électrique tournante (1) comprenant un couvercle (6) refermant une cavité (7) formée entre le couvercle (6) et un palier (8), l’arbre (5) débouchant à travers le palier (8) par une première extrémité (9) positionnée en regard du couvercle (6), l’arbre (5) comprenant un canal de refroidissement (11) comportant un orifice d’entrée et un orifice de sortie (13) en communication fluidique avec la cavité (7), la cavité (7) et le canal de refroidissement (11) formant un circuit de refroidissement de rotor (10) à travers laquelle un fluide de refroidissement est apte à s'écouler du canal de refroidissement (11) vers la cavité (7), caractérisée en ce que la machine électrique tournante (1) comprend un capteur de température (14) comprenant un élément sensible à la température (15) positionné dans le circuit de refroidissement de rotor (10) pour mesurer la température du fluide de refroidissement.

[Revendication 2] Machine électrique tournante (1) selon la revendication 1, caractérisée en ce que le capteur de température (14) est supporté par le couvercle (6).

[Revendication 3] Machine électrique tournante (1) selon la revendication 2, caractérisée en ce que le couvercle (6) comprend une carte électronique (23) recevant les mesures de température, le capteur de température (14) étant monté sur la carte électronique (23).

[Revendication 4] Machine électrique tournante (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que l’élément sensible à la température (15) du capteur de température (14) est positionné à l’intérieur du canal de refroidissement (11), le capteur de température (14) comprenant un corps (27) traversant l’orifice de sortie (13).

[Revendication 5] Machine électrique tournante (1) selon la revendication 4, caractérisée en ce que l’orifice de sortie (13) débouche par la première extrémité (9) de l’arbre (5), l’orifice de sortie (13) étant positionné en regard d’une face interne (28) du couvercle (6).

[Revendication 6] Machine électrique tournante (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce qu’une cible tournante (16) est montée sur la première extrémité (9) de l’arbre (5), la carte électronique (23) comprenant un capteur de position inductif pour mesurer la position angulaire du rotor (4), la cible tournante (16) comprenant un orifice (12) positionné en regard de l’orifice de sortie (13) du canal de refroidissement (11) de l’arbre (5) et traversé par le capteur de température (14).

[Revendication 7] Machine électrique tournante (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que le capteur de température (14) est configuré pour mesurer la température du fluide de refroidissement en aval de l’orifice de sortie (13) du canal de refroidissement (11) de l’arbre (5).

[Revendication 8] Machine électrique tournante (1) selon la revendication 7, caractérisée en ce que l’élément sensible à la température (15) du capteur de température (14) est positionné à l’intérieur de la cavité (7), en regard du palier (8).

[Revendication 9] Machine électrique tournante (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisée en ce qu’elle comprend une unité de traitement du signal dans laquelle est enregistré un moyen d’extrapolation des températures permettant de déterminer la température du rotor (4) à partir des températures mesurées du fluide de refroidissement.

[Revendication 10] Procédé de mesure de la température d’un rotor (4) d’une machine électrique tournante (1) telle que définie selon l’une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu’il comprend une étape de mesure de la température du fluide de refroidissement par le capteur de température (14), suivie d’une étape de détermination de la température du rotor (4) par le moyen d’extrapolation des températures à partir des températures mesurées du fluide de refroidissement.