Brevet FR2823382A1 — publié le 20021011

La présente invention est relative à un moteur électrique et plus particulièrement à un système de refroidissement d'un tel moteur. Un moteur électrique est généralement refroidi par de l'air, de l'eau ou de l'huile. Le refroidissement par air présente l'avantage de la simplicité et du faible coût, puisqu'il suffit de monter une roue de ventilateur sur son arbre pour souffler de l'air sur les bobines. Cependant, son efficacité est relativement faible de sorte que l'on l'utilise surtout dans des moteurs électriques de faible puissance. Le refroidissement par l'eau est basé généralement sur une circulation d'eau autour du carter du moteur. Il présente une meilleure efficacité du point de vue thermique que le refroidissement par air, mais cette efficacité est limitée par les multiples résistances thermiques interposées entre le liquide de refroidissement et les bobines. L'eau ne peut donc circuler qu'à une température relativement basse (par exemple entre 65 C et 70oC). En outre, ce type de refroidissement est relativement volumineux. Dans le contexte d'un moteur électrique, le refroidissement direct par de l'huile présente un important avantage en raison des très bonnes propriétés isolantes de l'huile. En revanche, il est plus difficile à mettre en oeuvre que le refroidissement par de l'eau, car l'huile présente une viscosité élevée et une conductivité thermique faible de sorte que sa capacité comme caloporteur est faible. Cependant, du fait que l'huile peut être directement mise au contact des bobines, il est possible d'extraire les calories au plus près de la source de chaleur, de telle sorte qu'en définitive, sa capacité de refroidissement globale est meilleure que celle de l'eau. Par le document US 5 519 269, il est connu de refroidir un moteur électrique au moyen d'huile en tant que caloporteur. Dans ce cas, le bobinage du stator du moteur est réalisé en fil rond et l'huile est amenée à circuler entre les fils du bobinage dans les encoches statoriques. Une virole est placée entre le stator et le rotor en s'étendant jusqu'aux flasques terminaux fermant la carcasse statorique de manière telle que l'huile circule non seulement dans les encoches statoriques mais également dans les espaces où se trouvent les têtes de bobines. Si dans cet agencement, on met effectivement l'huile au contact direct avec le bobinage, cet agencement présente l'inconvénient que, du fait du faible espace réservé à l'huile pour circuler entre les fils du bobinage, la circulation de l'huile présente une perte de charge très élevée surtout compte tenu de sa viscosité relativement élevée. L'efficacité du refroidissement s'en ressent très fortement. Il est également connu par le document US 5 973 427 de refroidir un moteur électrique en faisant circuler de l'eau dans des gaines qui passent dans les encoches statoriques entre les paquets de fils formant les bobines. De cette manière, on isole l'eau du bobinage, ce qui du point de vue sécurité est satisfaisant. Cependant, l'efficacité du refroidissement est dans ce cas médiocre précisément par l'absence de contact entre le fluide caloporteur et les fils de bobine. En outre, cette solution est complexe, car elle nécessite l'insertion de gaines étanches spécialement conçues dans les encoches statoriques ainsi que la connexion étanche des gaines au niveau des têtes de bobines. L'invention a pour but de fournir un moteur électrique comportant un système de refroidissement dépourvu des inconvénients précités. L'invention a donc pour objet un moteur électrique dont le stator est pourvu d'un circuit de refroidissement parcouru par de l'huile en tant que fluide caloporteur qui circule dans les encoches statoriques pour évacuer la chaleur engendrée par le bobinage statorique de ce moteur, l'alésage délimité par le stator étant revêtu par une virole se fermant de façon étanche sur les flaques du moteur pour définir avec ceux-ci et le carter du moteur deux chambres annulaires dans lesquelles ledit fluide caloporteur baigne les têtes dudit bobinage, lesdites chambres étant pourvues respectivement d'un orifice d'alimentation et d'un orifice de refoulement dudit fluide caloporteur, caractérisé en ce que dans chacune desdites encoches, les parties actives dudit bobinage sont appliquées contre les parois de l'encoche et dimensionnées de manière à délimiter entre elles un couloir de circulation dans laquelle s'écoule ledit fluide caloporteur. Grâce à ces caractéristiques, le fluide caloporteur peut circuler dans un espace relativement important qui n'impose pas une perte de charge élevée à l'écoulement du fluide caloporteur, même si ce dernier est de l'huile présentant une viscosité élevée. Suivant une caractéristique particulièrement intéressante de l'invention, un moyen d'obstruction de la circulation dudit fluide caloporteur est placé dans chacun desdits couloirs. Cette caractéristique permet de favoriser considérablement le coefficient d'échange thermique entre le bobinage statorique et le fluide caloporteur, celui-ci étant obligé, pour contourner le moyen d'obstruction de suivre un trajet plus ou moins tortueux dans les couloirs prévus entre les parties actives du bobinage. Selon d'autres particularités avantageuses de l'invention, ledit moyen d'obstruction comprend au moins une réglette montée dans ledit couloir sur toute la longueur de celui-ci et pourvue de distance en distance de saillies s'étendant radialement dans ledit couloir tout en ménageant dans ce dernier un passage pour ledit fluide caloporteur ; lesdites saillies présentent une section transversale dont l'aire diminue radialement vers l'intérieur par rapport à l'axe du stator ; la section transversale de ladite saillie est triangulaire et l'un des angles de cette section est tournée vers l'aval par rapport à l'écoulement dudit fluide caloporteur ; la section transversale de ladite saillie est carrée ou circulaire ; la section transversale de ladite saillie est rectangulaire et placée de préférence obliquement par rapport à l'écoulement dudit fluide caloporteur ; ladite réglette s'étend jusqu'aux flasques du carter qui lui servent d'appui longitudinal ; ladite réglette est munie de saillies latérales s'appuyant sur lesdites parties actives du bobinage pour positionner ladite réglette dans le sens transversal dans ledit couloir ; deux réglettes sont montées dans chacun desdits couloirs, l'une à son extrémité radialement extérieure et l'autre à son extrémité radialement intérieure, lesdites saillies s'étendant radialement étant prévues sur les faces desdites réglettes tournées l'une vers l'autre, les longueurs desdites saillies étant inférieures à la distance entre les deux réglettes ; des bouchons sont placés entre lesdits flasques et les têtes dudit bobinage alternativement de part et d'autre de ce bobinage pour définir un trajet en méandres pour ledit fluide caloporteur. L'invention a également pour objet un ensemble propulseur pour un véhicule automobile hybride comprenant un moteur thermique muni d'un circuit de refroidissement, une boîte de vitesses et un moteur électrique couplé mécaniquement à la boîte de vitesses et comportant l'une ou plusieurs des caractéristiques telles que définies ci- dessus, cet ensemble propulseur étant caractérisé en ce que l'huile circulant dans ladite boîte de vitesses est le fluide caloporteur dudit moteur électrique et il est prévu un circuit de circulation dudit fluide caloporteur dans lequel sont insérés ledit moteur électrique et ladite boite de vitesses en série avec une pompe de circulation et l'un des côtés d'un échangeur de chaleur, l'autre côté de ce dernier étant inséré dans le circuit de refroidissement dudit moteur thermique. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront au cours de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins annexés sur lesquels : la figure 1 est une vue en demi-coupe axiale, prise selon la ligne 1-1 de la figure 2, d'un moteur électrique pourvu d'un système de refroidissement selon l'invention ; la figure 2 est une vue en coupe partielle de ce moteur prise selon la ligne II-II de la figure 1 ; la figure 3 est une vue en perspective d'une forme possible d'un moyen d'obstruction destiné à influer sur l'écoulement du fluide caloporteur ; la figure 4 est une vue en perspective d'une autre forme possible d'un moyen d'obstruction ; la figure 5 est une vue en élévation latérale d'encore une autre forme de moyen d'obstruction ; la figure 6 montre une vue en perspective de ce même élément ; la figure 7 montre plusieurs formes possibles des dents d'un moyen d'obstruction ; la figure 8 montre une vue partielle, développée dans un plan, du stator d'un moteur électrique selon l'invention, ainsi qu'une forme préférée de circuit pour le fluide caloporteur ; et la figure 9 est un schéma d'un exemple d'une ligne d'entraînement d'un véhicule automobile hybride équipé d'un moteur électrique conçu selon l'invention. Sur les figures 1 et 2, on a représenté partiellement un moteur électrique muni d'un système de refroidissement selon l'invention. Le moteur comprend un stator 1 et un rotor 2 fixé sur un arbre 3 d'axe X-X. L'ensemble est logé dans un carter 4 fermé par des flasques latéraux 5 et 6. De manière classique, le stator 1 comprend un empilement de tôles 7 formant des dents statoriques 8 entre lesquelles sont situées des encoches 9 servant de logement à un bobinage 10. Le bobinage est constitué de préférence de bobines enroulées dent par dent, les spires de ces bobines se refermant chaque fois autour d'une dent 8. Chaque bobine présente ainsi deux parties actives lla et llb s'étendant respectivement dans des encoches contiguës 9 et deux têtes de bobine 12a et 12b (voir figure 8) situées respectivement aux extrémités de l'empilement statorique 7. Une feuille 13 en une matière isolante revêt la paroi de chaque encoche 9 pour séparer la bobine correspondante des tôles de l'empilement statorique 7. Sur la figure 2, on voit que selon l'invention, les parties actives lia et llb de chaque bobine sont placées contre les flancs de la dent 8 autour de laquelle cette bobine est enroulée. De ce fait, il subsiste un couloir central 14 dans chaque encoche 9 qui présente en section une forme de trapèze dans le mode de réalisation représenté. Chaque couloir 14 constitue un passage de l'huile utilisée comme fluide caloporteur. Il est fermé longitudinalement par une virole 15 insérée dans l'alésage cylindrique formé dans l'empilement statorique 7. Elle est coaxiale à l'arbre 3 du moteur. Cette virole 15 s'étend de part et d'autre jusqu'aux flasques 5 et 6 de manière à créer deux chambres annulaires 16 et 17 dans lesquelles sont situées les têtes de bobines 12a et 12b. Chacune de ces chambres annulaires 16 et 17 s'ouvre sur l'extérieur par un orifice latéral, 18 respectivement 19. Des raccords non représentés sont fixés extérieurement sur le carter 4 en communication avec les orifices 18 et 19 et des canalisations (non représentées ici) amenant l'huile à partir d'une pompe de circulation et la refoulant vers celle-ci après passage dans le moteur électrique. Dans le mode de réalisation préféré de l'invention, un moyen d'obstruction 20 est placé dans chaque couloir 14 du stator 1. Il est formé d'au moins une réglette 21 (figure 3) destinée à être placée contre le fond du couloir correspondant. Cette réglette présente une longueur telle que ses extrémités soient en appui contre les flasques 5,6 respectifs (figure 1). Sur la figure 3, la réglette 21 présente des saillies latérales de positionnement 22 en forme de demi-lune prévues de distance en distance le long de ses deux bords. Ces saillies permettent de positionner la réglette 21 au milieu du couloir 14. Elle présente également des dents 23 qui s'étendent d'un côté et qui sont également prévues de distance en distance selon sa longueur. Ces dents 23 ont une forme de coin et sont effilées vers leur extrémité libre c'est-à-dire que leur section transversale diminue radialement par rapport à l'axe X-X de l'extérieur vers l'intérieur. Cette section est dimensionnée en outre de telle manière que les dents 23 ne bloquent pas le passage pour le fluide caloporteur dans le couloir 14. La dimension longitudinale des dents 23 est choisie de telle manière que leur pointe 24 s'appuie sur la virole 15. Grâce à cette construction, chaque réglette 21 est bloquée en position dans l'encoche 9 correspondante et ne peut être déplacée ni par des vibrations, ni par la pression exercée par le fluide caloporteur circulant dans le couloir 14. La figure 4 représente une variante 20A du moyen d'obstruction. Dans ce cas, la réglette 21A proprement dite est légèrement plus large que la réglette 21 et ses saillies de positionnement 22A sont de plus faible dimension latérale que les demi-lunes de la figure 3. Elles ont ici une forme rectangulaire, cependant que les dents 23 ont la même forme que précédemment. Les figures 5 et 6 montrent une autre variante 20B du moyen d'obstruction. Dans ce cas, chaque moyen comprend deux réglettes 21B-a et 21B-b disposées en opposition dans un couloir d'encoche 14. La largeur de la réglette 21B-a située radialement vers l'extérieur est adaptée à la largeur à cet endroit du couloir 14, tandis que celle de la réglette 21Bb, radialement à l'intérieur a une largeur adaptée à la partie étroite de ce couloir située près de la virole 15. Chaque réglette 21B-a et 21B-b présente ici également des dents 23B-a, respectivement 23B-b de dimension radiale nettement inférieure à la dimension radiale du couloir 14, mais de largeur qui peut être celle du couloir à l'endroit correspondant. Le fluide caloporteur s'écoule alors comme représenté à la figure 5. La figure 7 montre plusieurs exemples de sections pouvant être données aux dents des réglettes 21 et 21A des figures 3 et 4. Cette section (25) est triangulaire en a), la pointe du triangle étant de préférence dirigée vers l'amont de l'écoulement du fluide caloporteur. La figure 7b montre une section plate 26 placée obliquement avec une inclinaison inversée d'une dent à l'autre par rapport à la direction d'écoulement du fluide caloporteur. La figure 7c montre une section rectangulaire 27, tandis que sur la figure 7d, elle est circulaire (28). Dans tous les cas représentés à la figure 7, l'aire de la section transversale des dents peut diminuer radialement vers l'intérieur en s'adaptant de préférence à la forme de la section du couloir 14. Les moyens d'obstruction 20, 20A et 20B décrits précédemment peuvent être fabriqués par moulage par injection d'une matière isolante compatible en particulier avec la température de fonctionnement du moteur et la nature du fluide caloporteur. Selon une autre variante de l'invention, ils peuvent être réalisés d'une seule pièce avec la feuille de protection 13 qui garnit la paroi de chaque encoche 9. Bien que dans le mode de réalisation le plus simple pouvant être envisagé dans le cadre de l'invention, les couloirs 14 délimités dans les encoches 9 entre les parties actives lia et llb des bobines du bobinage 10, puissent être dépourvus de tout moyen d'obstruction de l'écoulement de fluide caloporteur, toutes les formes de moyens d'obstruction telles que décrites ci-dessus apportent l'avantage de créer dans chacun de ces couloirs une perturbation par rapport à un écoulement non entravé, ce qui se traduit par une déformation de la veine de fluide avec éventuellement la création de tourbillons dans l'écoulement. Cette déformation permet d'augmenter localement le coefficient d'échange thermique entre le bobinage 10 et le fluide caloporteur. Le degré perturbateur des moyens d'obstruction doit être choisi de telle manière que l'on obtienne un bon compromis entre l'importance de la perte de charge qu'ils introduisent et cette amélioration du coefficient d'échange thermique. Cependant, il convient de noter que la perte de charge peut être maintenue à une valeur relativement faible du fait des dimensions relativement importante de la section de passage du couloir, même s'il est obstrué par les dents des réglettes. La figure 8 représente une autre variante avantageuse de l'invention visant à faire passer le fluide caloporteur selon des méandres qui le font circuler dans des sens opposés dans des groupes d'encoches 9 voisines. Ces méandres peuvent facilement être obtenus en plaçant dans les chambres annulaires d'extrémité 16 et 17 des bouchons 29 prévus alternativement dans une chambre et dans l'autre en admettant par exemple un écoulement dans un sens dans deux encoches 9 voisines puis un écoulement dans le sens opposé dans deux encoches suivantes. La figure 9 montre schématiquement un exemple de circuit hydraulique pouvant être utilisé pour un moteur électrique conçu selon l'invention dans un véhicule hybride. Les raccords d'alimentation et de refoulement 18 et 19 du moteur électrique 30 sont connectés avantageusement dans un circuit d'huile comprenant une pompe de circulation d'huile 31 refoulant par une conduite 32 vers un filtre 33 connecté par ailleurs à un échangeur de chaleur 34 par une conduite 35, l'échangeur 34 étant relié à son tour au raccord d'alimentation 18 du moteur électrique 30 par l'intermédiaire d'une conduite 36. Sur la conduite 36 est raccordée en dérivation une conduite 37 qui mène à une boîte de vitesses 38 couplée mécaniquement au moteur électrique 30. Ce dernier et la boîte de vitesses sont raccordés à une bâche 39 respectivement par des conduites 40 et 41. Dans ce cas, l'échangeur de chaleur 34 peut être traversé par le circuit d'eau de refroidissement du moteur thermique 42 du véhicule, ce circuit comprenant une pompe de circulation 43 et un radiateur 44 permettant d'évacuer les calories vers l'extérieur du véhicule. Classiquement, ce circuit d'eau de refroidissement comprend également, en parallèle sur le radiateur 44, un radiateur 45 de chauffage de l'habitacle du véhicule et un thermostat 46, inséré en série dans le circuit. Dans cet exemple, l'huile de la boîte de vitesses 38 est donc le fluide caloporteur qui permet d'évacuer la chaleur du moteur électrique 30 selon l'invention vers l'échangeur 34 qui à son tour évacue les calories vers le circuit d'eau de refroidissement du moteur thermique du véhicule hybride. REVENDICATIONS 1. Moteur électrique dont le stator (1) est pourvu d'un circuit de refroidissement parcouru par de l'huile en tant que fluide caloporteur qui circule dans les encoches statoriques (9) pour évacuer la chaleur engendrée par le bobinage statorique (10) de ce moteur, l'alésage délimité par le stator étant revêtu d'une virole (15) se fermant de façon étanche sur les flaques (5,6) du moteur pour définir avec ceux-ci et le carter (4) du moteur deux chambres annulaires (16,17) dans lesquelles ledit fluide caloporteur baigne les têtes dudit bobinage (12a, 12b), lesdites chambres (16,17) étant pourvues respectivement d'un orifice d'alimentation (18) et d'un orifice de refoulement (19) dudit fluide caloporteur, caractérisé en ce que dans chacune desdites encoches (9), les parties actives (lia, llb) dudit bobinage (10) sont appliquées contre les parois de l'encoche et dimensionnées de manière à délimiter entre elles un couloir de circulation (14) dans laquelle s'écoule ledit fluide caloporteur. 2. Moteur électrique selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'un moyen d'obstruction (20 ; 20A ; 20B) de la circulation dudit fluide caloporteur est placé dans chacun desdits couloirs (14). 3. Moteur électrique selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit moyen d'obstruction (20 ; 20A ; 20B) comprend au moins une réglette (21 ; 21A ; 21B-a ; 21B-b) montée dans ledit couloir (14) sur toute la longueur de celui-ci et pourvue de distance en distance de saillies (23 ; 23B-a ; 23B-b) s'étendant radialement dans ledit couloir tout en ménageant dans ce dernier un passage pour ledit fluide caloporteur. 4. Moteur électrique selon la revendication 3, caractérisé en ce que lesdites saillies (23 ; 23B-a, 23B-b) présentent une section transversale dont l'aire diminue radialement vers l'intérieur par rapport à l'axe X-X du stator (1). 5. Moteur électrique selon la revendication 4, caractérisé en ce que la section transversale de ladite saillie est triangulaire (25) et en ce que l'un des angles de cette section est tournée vers l'aval par rapport à l'écoulement dudit fluide caloporteur. 6. Moteur électrique selon la revendication 4, caractérisé en ce que la section transversale de ladite saillie est carrée ou circulaire. 7. Moteur électrique selon la revendication 4, caractérisé en ce que la section transversale de ladite saillie est rectangulaire (27). 8. Moteur électrique selon la revendication 7, caractérisé en ce que ladite section rectangulaire (27) est placée obliquement par rapport à l'écoulement dudit fluide caloporteur. 9. Moteur électrique selon l'une quelconque des revendications 3 à 8, caractérisé en ce que ladite réglette (21 ; 21A ; 21B-a, 21B-b) s'étend jusqu'aux flasques (5,6) du carter (4) qui lui servent d'appui longitudinal. 10. Moteur électrique selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que ladite réglette (21 ; 21A) est munie de saillies latérales (22 ; 22A) s'appuyant sur lesdites parties actives (lla, llb) du bobinage (10) pour positionner ladite réglette dans le sens transversal dans ledit couloir (14). 11. Moteur électrique selon l'une quelconque des revendications 3 à 10, caractérisé en ce que deux réglettes (21B-a, 21B-b) sont montées dans chacun desdits couloirs (14), l'une à son extrémité radialement extérieure et l'autre à son extrémité radialement intérieure, et en ce que lesdites saillies s'étendant radialement (23B-a, 23B-b) sont prévues sur les faces desdites réglettes tournées l'une vers l'autre. 12. Moteur électrique selon la revendication 11, caractérisé en ce que les longueurs desdites saillies s'étendant radialement (23B-a, 23B-b) sont inférieures à la distance entre les deux réglettes (21B-a, 21B-b). 13. Moteur électrique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que des bouchons (29) sont placés entre lesdits flasques (5,6) et les têtes (12a, 12b) dudit bobinage (10) alternativement de part et d'autre de ce bobinage pour définir un trajet en méandres pour ledit fluide caloporteur. 14. Ensemble propulseur pour un véhicule automobile hybride comprenant un moteur thermique (38) muni d'un circuit de refroidissement, une boîte de vitesses (35) couplée mécaniquement à un moteur électrique (30) suivant l'une quelconque des revendications précédentes, ledit ensemble étant caractérisé en ce que l'huile circulant dans ladite boite de vitesses (35) est le fluide caloporteur dudit moteur électrique (30) et en ce qu'il est prévu un circuit de circulation dudit fluide caloporteur dans lequel sont insérés ledit moteur électrique (30) et ladite boîte de vitesses (35) en série avec une pompe de circulation (31) et l'un des côtés d'un échangeur de chaleur (33), l'autre côté de ce dernier étant inséré dans le circuit de refroidissement dudit moteur thermique (38).