Brevet FR2788899A1 — publié le 20000728

I Etat de la technique: La présente invention concerne une machine élec- trique, notamment un générateur, à griffes polaires compre- nant: - un stator annulaire muni des enroulements et, - un rotor à griffes polaires logé à rotation dans l'alésage du stator, et comportant une bobine d'excitation coaxiale à l'arbre du rotor et dont la surface périphérique comporte plusieurs griffes polaires passant par-dessus l'enroulement d'excitation, ces griffes polaires se pénétrant les unes dans les autres en laissant des intervalles en forme de rainures dont les flancs sont essentiellement parallèles, - ainsi qu'un moyen de ventilation prévu au moins au niveau d'une face frontale du rotor à griffes polaires, dans la zone de sa périphérie extérieure, ce moyen fonctionnant axialement. On connaît déjà un tel générateur par exemple se- lon le document DE 34 10 760. L'inconvénient de la solution décrite dans ce document est que les intervalles en forme de rainures entre les griffes du rotor ne permettent pas une ventilation satisfaisante, ni de ce fait le refroidissement. Les intervalles en forme de rainures entre les griffes polai- res forment en quelque sorte des canaux avec la paroi dentée du stator devant laquelle passent ces intervalles. On a tou- tefois constaté qu'il y avait des turbulences de volume rela- tivement importantes dans ces intervalles qui génèrent également du bruit à cause de l'effet d'alternance avec les griffes polaires ou le stator. De plus, la section des inter- valles en forme de rainures varie périodiquement suivant le mouvement de rotation à cause de la structure des fentes des rainures dans la paroi du stator. Cela induit des variations périodiques de pression générant des bruits dans la bande de fréquence correspondante. Les ailettes connues, placées dans les intervalles des griffes polaires ne font qu'amplifier en- tre autres de tels bruits. Avantages de l'invention: La présente invention a pour but de remédier à ces inconvénients et concerne à cet effet une machine élec- -r - trique du type défini ci-dessus, caractérisée en ce que des structures traversées par du fluide de refroidissement en forme de nids d'abeilles sont disposées dans les intervalles dans leur direction longitudinale. Cela permet de réduire de façon considérable l'émission du bruit et d'améliorer le refroidissement. Un au- tre avantage est lié au faible poids des structures en nids d'abeilles remplissant les intervalles pour une grande résis- tance mécanique, notamment si l'on utilise des structures en nids d'abeilles de construction légère. De plus, cela amé- liore le refroidissement du rotor en évitant les turbulences de l'air qui circulent. Suivant d'autres caractéristiques avantageuses de l'invention: - les structures remplissent l'ensemble du volume intermé- diaire entre les griffes polaires voisines, - les structures en nids d'abeilles sont de forme tubulaire avec une section ronde ou polygonale, - les structures en nids d'abeilles sont ouvertes en direc- tion du côté radialement intérieur, - les structures arrivent dans la direction radiale jusque pratiquement au niveau de l'enroulement d'excitation, - les structures sont en une matière non magnétique, notam- ment en matière plastique conductrice de chaleur, et for- ment une surface continue avec les griffes polaires, - les structures dépassent des faces frontales des disques polaires et sont coupées en sifflet dans la direction oppo- sée au sens de rotation du rotor. Dessins: La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide d'exemples de réalisation re- présentés schématiquement dans les dessins annexés dans les- quels: - la figure 1 est une coupe longitudinale d'un générateur électrique à griffes polaires notamment pour l'alimen- tation électrique du réseau embarqué d'un véhicule automo- bile, - la figure 2 montre le rotor à griffes polaires en partie en vue de côté et en partie en coupe axiale, - la figure 3 est une vue en perspective du rotor à griffes polaires selon une représentation simplifiée, - la figure 4 est une coupe selon IV-IV de la figure 3, - la figure 5 montre également une coupe analogue à celle de la figure 4, mais sans les structures selon l'invention, - la figure 6 montre le développement du rotor avec les griffes polaires et les intervalles formant les rainures, - la figure 7 est un schéma de principe analogue à celui de la figure 6. Description des exemples de réalisation: Le générateur selon la figure 1 comporte un sta- tor 10 formé d'un empilage de lamelles de tôle de forme annu- laire portant un enroulement 11 de courant alternatif triphasé. Le stator est serré entre un panneau de palier 12 en forme de pot et un couvercle de palier 13 à l'aide de vis 15. Le panneau de palier 12 et le couvercle de palier 13 ont plusieurs passages 16 pour permettre la traversée d'un cou- rant d'air de refroidissement indiqué sous la référence K qui traverse le générateur dans la direction axiale. Un arbre de rotor 14 monté à l'aide de paliers à billes non représentés en détail dans le panneau de palier 12 et dans le couvercle de palier 13, porte au niveau du stator 10, une roue à griffes polaires sous la référence R; cette roue à griffes polaires se compose principalement d'un noyau de fer doux 17, tubulaire, monté directement sur l'arbre de rotor 14 et de deux disques polaires 18, 19 appliqués contre les faces frontales du noyau de fer doux, ainsi que d'une bo- bine d'excitation 20 enroulée sur le noyau. L'extrémité de l'arbre qui dépasse du panneau de palier 12 porte un ventila- teur 21. Le ventilateur aspire le courant d'air de refroidis- sement K à travers le générateur. Dans le cas de générateurs de construction compacte, les ventilateurs sont toutefois montés directement sur la face frontale des disques polaires 18, 19. Le rotor à griffes polaires R comporte six paires de griffes polaires formées sur les disques polaires 18, 19. Les griffes polaires 22 du disque polaire 18 et les griffes polaires 23 de l'autre disque polaire 19 sont réparties à la périphérie du rotor à griffes polaires pour s'interpénétrer à la manière de doigts; les griffes polaires ont selon la di- rection axiale, une forme trapézoïdale diminuant vers l'extrémité libre et ces griffes sont polarisées de manière opposée lorsque la bobine d'excitation 20 est traversée par un courant d'excitation. Ce courant d'excitation est fourni par le réseau embarqué du véhicule par l'intermédiaire d'un régulateur portant la référence 24; la bobine d'excitation est alimentée par l'intermédiaire de deux anneaux de con- tact 25, 26 et de balais en carbone 27, 28 glissant sur ces anneaux de contact. Comme ceLa apparaît plus clairement à la figure 2, les flancs 29, 30 longitudinaux des griffes polaires sont sensiblement parallèles et forment entre eux des intervalles 31. Selon la figure 5, les intervalles 31 d'un géné- rateur selon l'état de la technique sont vides. Il en résulte que des turbulences de volume relativement important peuvent se développer dans ces intervalles qui créent des effets al- ternés avec les griffes polaires et les rainures longitudina- les 10A du stator avec les enroulements de courant alternatif 11, ce qui génère du bruit. Selon l'invention (voir les figures 3, 4, 6, 7), ces intervalles sont remplis d'une structure 33 par exemple en forme de nids d'abeilles; les alvéoles ou nids d'abeilles sont dirigés dans la direction longitudinale des intervalles 31 en forme de rainures. Selon la figure 4, cette structure présente en coupe une section ronde ou selon la figure 4a une section polygonale 33a allant d'une face frontale Ri à l'autre face R2 du rotor à griffes polaires. Selon la figure 4b, les structures en nids d'abeilles 33c sont ouvertes du côté radial intérieur avec une faible distance par rapport à la bobine d'excitation 20 qui se trouve en dessous. A la figure 6, on a représenté schématiquement cette structure d'une manière particulièrement visible. La figure 7 montre également un schéma de prin- cipe de cette structure; le sens de rotation du rotor porte la référence D. Entre les deux griffes polaires, on a en coupe longitudinale un seul petit tube de nid d'abeilles 33c qui dépasse des extrémités du rotor en étant coupé en sifflet pour que le courant d'air (référence L) soit retenu lorsque la machine tourne pour avoir une retenue en haut Li et en bas L2. On peut également établir une telle pression par un ven- tilateur situé à l'intérieur de manière appropriée ou par une entrée et une sortie d'air avec des sections différentes. On arrive ainsi à une circulation d'air particulièrement intense à travers le rotor R. Les structures arrivent dans la direc- tion radiale jusqu'à,proximité de l'enroulement d'excitation 20. La fermeture décrite ci-dessus des volumes inter- médiaires 31 avec une surface supérieure lisse du rotor R grâce aux structures en nids d'abeilles 33 évite le bruit tout en améliorant le refroidissement du rotor R. L'échange de chaleur avec le fluide qui s'écoule dépend entre autres de la quantité de fluide, de sa vitesse de circulation, de la nature de l'écoulement (écoulement turbulent) et de la sur- face totale parcourue. L'échange de chaleur se fait dans une mince couche limite d'écoulement/température entre le fluide et la surface. Grâce à une augmentation significative de la surface vis-à-vis de l'état de la technique, on a ainsi une meilleure utilisation de la quantité d'air de refroidissement existante. En remplissant les intervalles avec des structu- res couplées thermiquement aux griffes polaires et aux enrou- lements de rotor, on augmente de manière significative la surface. Les structures en nids d'abeilles sont orientées dans la direction des rainures et ont un petit diamètre. Cela se traduit par une couche limite de faible épaisseur et un écoulement laminaire. La perte de charge de telles structures est très réduite et la circulation d'air de refroidissement très peu étranglée. De manière avantageuse, les structures en -r-- nids d'abeilles sont en métal léger non magnétique ou en ma- tière plastique conductrice de la chaleur. \ R E V E N D I C A T I ONS 1 ) Machine électrique, notamment générateur, à griffes po- laires comprenant: - un stator (10) annulaire muni des enroulements et, un rotor à griffes polaires (R) logé à rotation dans l'alésage du stator, et comportant une bobine d'excitation (20) coaxiale à l'arbre du rotor et dont la surface péri- phérique comporte plusieurs griffes polaires (22, 23) pas- sant par-dessus l'enroulement d'excitation, ces griffes polaires se pénétrant les unes dans les autres en laissant des intervalles (31) en forme de rainures dont les flancs sont essentiellement parallèles, - ainsi qu'un moyen de ventilation(21) prévu au moins au ni- veau d'une face frontale du rotor à griffes polaires (R), dans la zone de sa périphérie extérieure, ce moyen fonc- tionnant axialement, caractérisée en ce que des structures (33), traversées par du fluide de refroidisse- ment, en forme de nids d'abeilles, sont disposées dans les intervalles (31) dans leur direction longitudinale. 2 ) Machine électrique selon la revendication 1, caractérisée en ce que les structures (33) remplissent l'ensemble du volume intermé- diaire entre les griffes polaires voisines (22, 23). 3 ) Machine électrique selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que les structures en nids d'abeilles (33) sont de forme tubu- laire avec une section ronde ou polygonale. 4 ) Machine électrique selon la revendication 3, caractérisée en ce que les structures en nids d'abeilles (33) sont ouvertes en di- rection du côté radialement intérieur. ) Machine électrique selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 4, caractérisée en ce que les structures (33) arrivent dans la direction radiale jusque pratiquement au niveau de l'enroulement d'excitation (20). 6 ) Machine électrique selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 5, caractérisée en ce que les structures (33) sont en une matière non magnétique, no- tamment en matière plastique conductrice de chaleur, et for- ment une surface continue avec les griffes polaires (22, 23). 7 ) Machine électrique selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 6, caractérisée en ce que les structures (33) dépassent des faces frontales des disques polaires (18, 19) et sont coupées en sifflet dans la direc- tion opposée au sens de rotation du rotor (R).