Brevet FR2820558A1 — publié le 20020809

La présente invention se rapporte à un dispositif de ventilation pour machine électrique tournante, notamment pour alternateur de véhicule automobile, ainsi qu'à une machine pourvue d'un tel dispositif. Une machine électrique tournante, du type monophasé ou polyphasé comporte au moins deux parties agencées d'une manière coaxiale, à savoir un rotor et un stator, constituant l'un un induit et l'autre un inducteur. Le rotor porte généralement, au moins à une extrémité axiale, un ventilateur pour refroidir la machine. En effet, l'un au moins des éléments induitinducteur comporte un bobinage qui chauffe de sorte qu'il faut refroidir celui-ci pour un bon fonctionnement de la machine. Cette machine porte le plus souvent des composants électroniques ainsi que des roulements à billes qu'il faut également refroidir à l'aide d'une circulation d'air ou, d'une manière générale, d'un fluide de refroidissement, engendrée par le ventilateur. Lorsque l'induit est formé par le rotor, la machine constitue un moteur électrique et transforme de l'énergie électrique en énergie mécanique. Cette machine transforme de l'énergie mécanique en énergie électrique lorsque l'induit est formé par le stator pour fonctionner en générateur électrique et constituer par exemple un alternateur. Bien entendu, la machine électrique peut être réversible pour former par exemple un alternodémarreur de véhicule automobile permettant de démarrer le moteur du véhicule tout en ayant une fonction d'alternateur. La figure 1 représente une machine électrique tournante polyphasée sous la forme d'un alternateur du type triphasé pour véhicule automobile à moteur à combustion interne. L'alternateur comporte, en allant de la gauche vers la droite de la figure 1, c'est-à-dire d'avant en arrière, une poulie d'entraînement 10 solidaire de l'extrémité avant d'un arbre 12, dont l'extrémité arrière porte des bagues collectrices (non référencées) appartenant à un collecteur 14. L'axe de l'arbre 12 constitue l'axe de rotation de la machine. Centralement, l'arbre 12 porte à fixation le rotor 16 qui est doté d'un bobinage d'excitation 18, dont les extrémités sont reliées par des liaisons filaires au collecteur 14. Pour plus de précision on se reportera au document EP-A-0 515 259. Le rotor 16 est ici un rotor à griffes, c'est à dire un rotor pourvu extérieurement de reliefs délimitant entre eux un passage d'écoulement de fluide de refroidissement, et comporte donc deux roues polaires 20, 22, respectivement avant et arrière, portant chacune respectivement un ventilateur avant 24 et un ventilateur arrière 26. Ces ventilateurs 24,26 comportent une première série de pales ou aubes, qui ménagent entre elles des canaux de ventilation. Les pales sont obtenues par découpe et pliage d'un flasque fixé, par exemple par soudage ou par tout autre moyen approprié tel qu'un sertissage, sur la roue polaire 20,22 concernée. Chaque roue présente des dents axiales dirigées vers l'autre roue avec imbrication des dents d'une roue à l'autre pour formation de pôles magnétiques lorsque le bobinage 18 est activé grâce aux bagues collectrices du collecteur 14 qui sont chacune en contact avec un balai (non référencé) porté par un porte balai 28 servant également de support à un régulateur de tension (non représenté). Le stator 30, quant à lui, forme l'induit de l'alternateur et entoure le rotor 16. Il présente un corps 32 doté intérieurement d'encoches axiales (non représentées) pour le passage de fils ou d'épingles que comportent les bobinages 34 du stator 30. Ces bobinages 34 sont pourvus de chignons (non référencés) s'étendant, d'une part, en saillie de part et d'autre du corps 32 et, d'autre part, radialement audessus des ventilateurs 24,26. Ces ventilateurs 24, 26 s'étendent au voisinage respectivement d'un palier avant 36 et d'un palier arrière 38. Les paliers 36,38 sont ajourés pour une ventilation interne de l'alternateur par l'intermédiaire des ventilateurs 24,26 lorsque ces derniers sont entraînés en rotation par la poulie 10, laquelle est reliée au moteur du véhicule automobile par un dispositif de transmission comportant au moins une courroie en prise avec la poulie. Cette ventilation permet de refroidir les bobinages 18,34 ainsi que le porte balai 28 avec son régulateur ainsi qu'un dispositif de redressement 40 qui lui est associé. On a représenté par des flèches le trajet suivi par le fluide de refroidissement, en l'espèce de l'air, à travers les différentes ouvertures des paliers 36,38 et à l'intérieur de la machine. En raison de la nature des ventilateurs 24 et 26, qui sont classiquement constitués par des ventilateurs de type centrifuge, le trajet de l'air dans l'alternateur est essentiellement radial. Les débits électriques demandés à l'alternateur augmentent beaucoup avec l'augmentation du nombre et de la puissance des éléments de consommation embarqués à bord des véhicules automobiles. Cette augmentation du débit électrique engendre une augmentation consécutive de la température des parties les plus chaudes de l'alternateur comme les diodes du dispositif de redressement 40, les roulements, le rotor,... Le dispositif de ventilation dont est pourvu l'alternateur, bien qu'étant suffisamment efficace pour assurer le refroidissement des différents éléments de l'alternateur pour des débits électriques relativement modérés est inefficace pour des débits plus importants. En effet, lorsque les besoins en énergie électrique augmentent, le problème de refroidissement des principaux éléments entrant dans la constitution de l'alternateur devient crucial. Certains alternateurs sont pourvus de circuits de refroidissement par eau équipant principalement le stator. Dans ce type d'alternateur, le redresseur est également efficacement refroidit. Cependant, le rotor, qui est dépourvu de circuit de refroidissement, peut atteindre des températures très élevées. Pour palier cet inconvénient, certains alternateurs sont pourvus de deux ventilateurs centrifuges, disposés de part et d'autre, et de dimensionnement différent de sorte qu'il apparaît un gradient de pression engendrant une circulation d'air de manière axiale. Cependant, sauf à entraîner les ventilateurs à une vitesse qui engendrerait des niveaux de bruit inacceptables, le flux axial est insuffisant pour refroidir suffisamment le rotor. D'autres machines électriques, telles que celle décrite dans US 4, 418, 295 et dans US 4, 418, 295, sont équipées de ventilateurs de type axialo-centrifuge, c'est-à-dire des ventilateurs dont les pales comportent une partie axiale et une partie radiale et engendrent un flux d'air ayant une composante axiale et une composante radiale. Toutefois, dans ces types de ventilateur, la composante axiale est insuffisante pour refroidir efficacement l'ensemble du rotor. En outre, ils ne disposent pas d'un positionnement optimal des ouies d'admission d'air et nécessitent la présence d'ouies radiales, ce qui les rendent inadaptés pour un refroidissement additionnel par circulation d'eau. De surcroît, ce type de dispositif de ventilation est d'un encombrement relativement important, dans la mesure où le ventilateur n'est généralement pas porté par le rotor, mais axialement décalé de celui-ci Le but de l'invention est de palier les inconvénients de l'état de la technique. Elle a donc pour objet un dispositif de ventilation pour machine électrique, notamment pour alternateur de véhicule automobile, la machine électrique comportant un rotor pourvu extérieurement de reliefs délimitant entre eux des canaux de refroidissement dans lesquels circule un fluide de refroidissement et un stator, essentiellement caractérisé en ce que le rotor est équipé d'au moins un ventilateur axial adapté pour diriger un flux d'air dans les canaux de refroidissement. Ce dispositif de ventilation peut également comporter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises isolément ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles : il comporte deux ventilateurs axiaux disposés de part et d'autre du rotor, l'angle du bord d'attaque du ventilateur aval, en considérant le sens d'écoulement de l'air le long du rotor, étant égal à l'angle du bord de fuite du ventilateur amont ; l'angle d'incidence de chaque pale de l'un au moins desdits ventilateur augmente de la base de la pale vers le sommet de celle-ci ; la corde de chaque pale de l'un au moins desdits ventilateurs augmente de la base vers le sommet de celleci ; le sommet de chaque pale de l'un au moins desdits ventilateur est déversé dans le sens de rotation du ventilateur ; le ventilateur est équipé d'au moins une pale ; la base de chaque pale du ventilateur est parallèle à l'axe de rotation du rotor ; le plan qui passe par la section de la base de chaque pale du ventilateur forme un angle avec l'axe de rotation du rotor compris entre 00 et 750 ; le ventilateur est équipé d'au moins une pale, au moins un desdits canaux de refroidissement étant équipé d'au moins une desdites pales. le ventilateur est pourvu, pour chaque canal de refroidissement de deux pales, disposées respectivement en amont et en aval ; les pales s'étendent en saillie à l'intérieur d'un plateau de support des reliefs du rotor ; les pales du ventilateur sont disposées selon une répartition circonférentielle irrégulière. chaque pale de l'un au moins des ventilateurs comporte une première partie centrifuge apte à engendrer un flux d'air radial et une deuxième partie axiale, apte à engendrer un flux d'air axial, les première et deuxième parties s'étendant respectivement de façon radialement interne et radialement externe ; les sommets des pales de l'un au moins des ventilateurs sont réunis par un anneau de rigidification. L'invention a également pour objet une machine électrique tournante, notamment alternateur de véhicule automobile, comprenant, placés dans un carter, un rotor entraîné en rotation par un arbre moteur et un stator entourant le rotor, le rotor et le stator constituant l'un un induit et l'autre un inducteur, et des moyens de ventilation aptes à engendrer une circulation de fluide de refroidissement à travers la machine, caractérisée en ce que les moyens de refroidissement comportent un dispositif de refroidissement tel que défini ci-dessus, et en ce que la machine est pourvue d'ouies d'admission et d'échappement d'air s'étendant axialement de par et d'autre des moyens de refroidissement. Avantageusement, les ouies axiales sont situées en regard des pales des moyens de ventilation. D'autres buts, caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description suivante, donnée uniquement à titre d'exemple non limitatif, et faite en référence aux dessins annexés sur lesquels : - La figure 1, dont il a déjà été fait mention, illustre une demi-coupe axiale d'un alternateur de véhicule automobile pourvu d'un dispositif de ventilation conforme à l'état de la technique ; - La figure 2 est une vue en perspective d'un rotor d'alternateur de véhicule automobile pourvu d'un ventilateur d'un dispositif de ventilation conforme à l'invention ; La figure 3 illustre, schématiquement, la construction d'une pale du ventilateur de la figure 2 La figure 4 illustre un autre exemple de réalisation de la pale de la figure 3 ; La figure 5 illustre un autre exemple de réalisation d'un ventilateur d'un dispositif de ventilation conforme à l'invention ; - la figure 6 illustre un autre mode de réalisation d'un ventilateur d'un dispositif de ventilation conforme à l'invention ; et la figure 7 illustre encore un autre mode de réalisation d'un ventilateur d'un dispositif de ventilation conforme à l'invention. Sur la figure 2, on a représenté, en perspective, un rotor d'un alternateur de véhicule automobile pourvu d'un dispositif de ventilation conforme à l'invention. Comme on le voit sur cette figure, le rotor, désigné par la référence numérique générale 42, est pourvu de reliefs ou griffes, tels que 44, régulièrement répartis le long de la périphérie du rotor 42 et délimitant entre eux les canaux, tels que 46, dans lesquels circule, lors de la rotation du rotor 42, un flux d'air. Pour engendrer le flux d'air, désigné par la flèche F sur les figures, le rotor 42 est pourvu d'un ventilateur 48, de type axial ou hélicoïde, fixé sur le rotor de sorte que ses pales se situent respectivement en regard des canaux de ventilation du rotor, ou de deux ventilateurs axiaux disposés de part et d'autre du rotor, de manière à engendrer un flux d'air axial le long des canaux 46. De préférence, dans le mode de réalisation selon lequel on utilise deux ventilateurs axiaux, l'angle du bord d'attaque du ventilateur aval, en considérant le sens d'écoulement de l'air le long du rotor 42 est égal à l'angle du bord de fuite du ventilateur amont. Pour la clarté de l'exposé, l'angle du bord d'attaque ou de fuite de la pale correspond à l'angle d'incidence de la pale au niveau desdits bords tel que défini ci-dessous. On notera que le ou les ventilateurs utilisés pour engendrer le flux d'air axial peut être constitué par tout type de ventilateur axial approprié pour engendrer un tel flux d'air. De préférence, on utilise des pales conformées de manière que le plan qui passe par la section de la base de la pale forme un angle avec l'axe de rotation de la machine compris entre 00 et 750, étant entendu qu'une pale dont l'angle précité est égal 00 est une pale axiale et qu'une pale dont l'angle est égal à 900 est une pale centrifuge. Ainsi, le profil de chaque pale 50 du ventilateur peut être très varié ainsi que sa taille ou sa forme. De même, le ou les angles d'attaque des pales peut varier en fonction des besoins ou des performances à obtenir. On notera cependant que, étant donné que la vitesse du fluide augmente radialement, c'est-à-dire en direction du sommet S de chaque pale, comme cela est visible sur la figure 2, on augmente l'angle d'incidence de chaque pale en direction du sommet S. On évite ainsi tout décollement des veines de fluide des pales 50 dû à une incidence de la pale différente de l'incidence du fluide, ce qui serait susceptible d'engendrer une transition prématurée à la turbulence, une augmentation des pertes de charge, une diminution du débit et une augmentation du bruit dû au sillage du décollement et à une variation de la charge aérodynamique sur la pale. Ainsi, en référence à la figure 3, l'angle d'incidence pi, à la base de la pale 50, c'est-à-dire l'angle formé par la pale par rapport à la direction d'aspiration axiale est inférieur à l'angle d'attaque P2 au niveau du sommet S de la pale. On notera cependant que, le cas échéant, ces angles d'incidence peuvent être égaux. Toutefois, l'angle d'incidence de la pale au niveau de la base est de préférence supérieur à celui du sommet si la base est supportée au niveau de la périphérie externe du ventilateur. Ainsi, dans tous les cas, l'angle de la pale au niveau de la partie externe du ventilateur doit présenter l'angle d'incidence le plus élevé car, comme mentionné précédemment, c'est à ce niveau que la vitesse du fluide est la plus élevée. Dans une configuration selon laquelle la pale est portée par deux anneaux concentriques, comme cela sera décrit par la suite en référence à la figure 6, l'un interne, proche de l'axe de rotation de la machine, et l'autre externe, la pale comportant alors deux bases, la base de la pale au niveau de laquelle l'angle d'incidence est moindre est défini comme étant la partie de la base en contact avec son support. Par ailleurs, afin d'éviter tout cisaillement des veines de fluide au niveau du bord de fuite F de chaque pale, qui serait susceptible d'engendrer des allées tourbillonnaires bruyantes, on augmente la corde de la pale au niveau du sommet S de cette dernière. De même, selon un autre exemple de réalisation éventuellement combinable avec le mode de réalisation de la figure 3, afin d'améliorer la discrétion du ventilateur on procède à un déversement du sommet de la pale, de la base vers le sommet S, de manière à effectuer un décalage temporel des sources de bruit. C'est à dire, la pale adopte, dans ce cas, une courbure longitudinale, de la base vers son sommet, dans le sens de rotation du ventilateur. Cependant un déversement des bords d'attaque et des bords de fuite ainsi que toute combinaison des sens de déversement des bords d'attaque et/ou de fuite sont également envisageables. Par ailleurs, la pale peut être profilée en direction du bord de fuite de manière à limiter le décollement de l'air en bout de pale et, par conséquent les turbulences. On notera également que, selon un autre mode de réalisation, visible sur la figure 5, également combinable avec les modes de réalisation décrits en référence aux figures 3 et 4, il est possible de réaliser le ventilateur 50 de manière à le doter de pales de type axialo-centrifuge, c'est à dire des pales comportant une première partie 52, radialement interne, constituée par une portion de ventilateur centrifuge, de manière à engendrer un flux d'air globalement radial dans cette zone, cette première partie 52 se prolongeant de manière radialement externe par une deuxième partie 54 constituée par une portion de ventilateur axial ou hélicoïde qui est alimentée par le flux radial créé par la première partie 52, destinée à être disposée en regard des canaux 46 de refroidissement, de manière à engendrer, dans ces derniers, un flux d'air axial. Dans son ensemble, la pale, ainsi agencée, est adaptée pour aspirer et refouler le fluide de refroidissement dans le sens axial. Selon une autre variante, visible sur la figure 6, éventuellement combinable avec les modes de réalisation précédemment évoqués, le ou les ventilateurs sont pourvus d'un anneau 56 de rigidification joignant le sommet des pales, de manière à éviter tout vrillage ou toute vibration de ces dernières, contribuant ainsi à améliorer la discrétion du dispositif, et évitant de surcroît les fuites radiales parasites. A cet égard, dans le but d'améliorer la discrétion du dispositif en diminuant les bruits de fonctionnement, il est possible de répartir de manière irrégulière les pales au niveau des canaux de refroidissement, ce qui permet de réduire le bruit par une répartition spectrale des fréquences qui implique une distribution de la puissance acoustique préférable à une concentration sur une seule harmonique. On notera que dans les différents modes de réalisation envisagés, le ventilateur est équipé de plusieurs pales agencées chacune en regard d'un canal de ventilation respectif du rotor. Il est également possible, afin de réduire le niveau sonore du dispositif, de doter le ventilateur de pales en un nombre inférieur au nombre de canaux de ventilation, de sorte que certains des canaux soient dépourvus de pale, toutes les configurations possibles étant envisageables, comme par exemple de prévoir des pales toutes les deux canalisations, ou de doter le ventilateur d'une unique pale, en fonction du rendement du ventilateur. De même, il est possible de doter un ou plusieurs des canaux de ventilation de plusieurs pales. On notera également que dans les différents modes de réalisation envisagés précédemment, le ventilateur est adapté pour engendrer un flux d'air axial le long du rotor. Ainsi, le carter de la machine électrique équipé d'un tel ventilateur et pourvu d'ouïes d'aspiration et d'échappement d'air prévues sur les côtés mutuellement opposés de la machine de manière à permettre une circulation efficace d'air entre ces dernières et, en particulier en regard des faces axiales des paliers au voisinage desquels sont placés les ventilateurs. Cependant, en particulier pour les machines électriques dépourvues de moyens de refroidissement complémentaires par circulation d'un liquide de refroidissement, des ouies radiales additionnelles peuvent être prévues sans nuire au bon fonctionnement général du dispositif de ventilation selon l'invention. Comme cela est classique, l'alternateur est pourvu de paliers avant et arrière dans lesquels tourillonne l'arbre moteur et supportant les principaux éléments fonctionnels de l'alternateur. Selon une variante avantageuse, dans le but de réduire l'encombrement général de la machine, les pales du ou des ventilateurs pénètrent à l'intérieur du plateau d'un palier respectif qui porte les griffes ou reliefs du rotor, par exemple sur la demi-hauteur du plateau de façon à laisser de la place pour l'écoulement dans les canalisations, c'est à dire dans l'espace disponible entre et sous les griffes de roue polaire. Ainsi, un rotor équipé d'aimants inter-polaires peut également être avantageusement refroidi par ce type de ventilateur, d'autant plus que les aimants s'opposent au refroidissement du rotor dont le bobinage peut sinon monter jusqu'à une température de l'ordre de 2000C. En se référant enfin à la figure 7, selon un autre mode de réalisation, dans le but d'augmenter la rigidité des pales, au niveau de leur base, le ventilateur est pourvu d'un support de pale comportant une première partie 58 annulaire par laquelle il vient se monter sur le rotor prolongée par son bord périphérique par une deuxième partie 60 généralement cylindrique délimitant extérieurement une surface périphérique portant les pales. REVENDICATIONS 1. Dispositif de ventilation pour machine électrique, notamment pour alternateur de véhicule automobile, la machine électrique comportant un rotor (42) pourvu extérieurement de reliefs (44) délimitant entre eux des canaux de refroidissement dans lesquels circule un fluide de refroidissement et un stator, caractérisé en ce que le rotor (42) est équipé d'au moins un ventilateur axial (48) adapté pour diriger un flux d'air dans les canaux de refroidissement. 2. Dispositif de ventilation selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte deux ventilateurs axiaux (48) disposés de part et d'autre du rotor, l'angle du bord d'attaque du ventilateur aval, en considérant le sens d'écoulement de l'air le long du rotor, étant égal à l'angle du bord de fuite du ventilateur amont. 3. Dispositif de ventilation selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'angle d'incidence ( (3l, 2) de chaque pale de l'un au moins desdits ventilateur augmente de la base de la pale vers le sommet (S) de celle-ci. 4. Dispositif de ventilation selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la corde de chaque pale (50) de l'un au moins desdits ventilateurs augmente de la base vers le sommet de celle-ci. 5. Dispositif de ventilation selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le sommet (S) de chaque pale de l'un au moins desdits ventilateur est déversé dans le sens de rotation du ventilateur. 6. Dispositif de ventilation selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le ventilateur est équipé d'au moins une pale. 7. Dispositif de ventilation selon la revendication 6, caractérisé en ce la base de chaque pale du ventilateur est parallèle à l'axe de rotation du rotor. 8. Dispositif de ventilation selon l'une des revendications 6 et 7, caractérisé en ce que le plan qui passe par la section de la base de chaque pale du ventilateur forme un angle avec l'axe de rotation du rotor compris entre 00 et 750. 9. Dispositif de ventilation selon l'une quelconque des revendications 6 à 8, caractérisé en ce que le ventilateur est équipé d'au moins une pale (50), au moins un desdits canaux de refroidissement étant équipé d'au moins une desdites pales. 10. Dispositif de ventilation selon la revendication 9, caractérisé en ce que le ventilateur est pourvu, pour chaque canal de refroidissement de deux pales (50), disposées respectivement en amont et en aval 11. Dispositif de ventilation selon l'une quelconque des revendications 6 à 10, caractérisé en ce que les pales (50) s'étendent en saillie à l'intérieur d'un plateau de support des reliefs du rotor. 12. Dispositif de ventilation selon l'une quelconque des revendications 6 à 11, caractérisé en ce que les pales (50) du ventilateur sont disposées selon une répartition circonférentielle irrégulière. 13. Dispositif de ventilation selon l'une quelconque des revendications 6 à 12, caractérisé en ce que chaque pale (50) de l'un au moins des ventilateurs comporte une première partie (52) centrifuge apte à engendrer un flux d'air radial et une deuxième partie axiale (54), apte à engendrer un flux d'air axial, les première et deuxième parties (52,54) s'étendant respectivement de façon radialement interne et radialement externe. 14. Dispositif de ventilation selon l'une quelconque des revendications 6 à 13, caractérisé en ce que les sommets des pales de l'un au moins des ventilateurs sont réunis par un anneau (56) de rigidification. 15 Dispositif de ventilation selon l'une quelconque des revendications 6 à 14, caractérisé en ce que les pales du ventilateur sont montées sur un support comportant une première partie (58) annulaire assurant la fixation du ventilateur sur le rotor et une deuxième partie généralement cylindrique prolongeant la première partie et portant les pales. 16. Machine électrique tournante, notamment alternateur de véhicule automobile, comprenant, placés dans un carter, un rotor entraîné en rotation par un arbre moteur et un stator entourant le rotor, le rotor et le stator constituant l'un un induit et l'autre un inducteur, et des moyens de ventilation aptes à engendrer une circulation de fluide de refroidissement à travers la machine, caractérisée en ce que les moyens de refroidissement comportent un dispositif de refroidissement selon l'une quelconque des revendications 1 à 15, et en ce que la machine est pourvue d'ouies d'admission et d'échappement d'air s'étendant axialement de par et d'autre des moyens de refroidissement. 17. Machine selon la revendication 16, caractérisée en ce que les ouies axiales sont situées en regard des pales des moyens de ventilation.