Brevet FR2854004A1 — publié le 20041022

Domaine de l'invention La présente invention concerne une machine électrique ayant un rotor et un stator. L'invention concerne également un essieu d'entraînement s équipé d'une telle machine électrique. Etat de la technique A la fois dans les machines à courant continu ou les machines à courant tournant (technique asynchrone ou synchrone) selon l'état de la technique, l'ensemble constitué par le rotor est la partie la plus 10 chaude de la machine. Pour refroidir les machines à courant continu on utilise fréquemment un courant d'air arrivant par des orifices de ventilation usinés dans le boîtier de la machine électrique et traversant le boîtier, en étant transporté par un rotor de ventilateur relié à l'axe du rotor. Mais cette réalisation a l'inconvénient de faire entrer la sa15 leté dans la machine électrique. De plus, les orifices de ventilation constituent des passages gênants dans la machine électrique pour l'émission du bruit. Dans le cas de machines à courant continu les passages dans le boîtier sont nécessaires pour l'entretien des balais usés des commutateurs. Au contraire, dans les machines à courant tournant il est en principe possible d'avoir un boîtier fermé car, d'une part, il n'y a pas de commutateur, et, d'autre part, l'entrefer est en général plus faible, ce qui ne permet pratiquement pas de refroidissement par air ventilé à cause du manque de section de passage. Dans les machines à courant tournant, 25 comme le boîtier est fermé puisqu'il ne nécessite pas d'entretien, le côté extérieur est muni d'ailettes pour assurer une évacuation de la chaleur par convection. Mais en fonction de l'augmentation de la puissance des machines électriques il est de plus en plus difficile de refroidir les compo30 sants à l'intérieur des machines. Ce problème apparaît de plus en plus dans les essieux moteurs intégrant une ou plusieurs machines électriques. En particulier dans le cas de machines utilisées par plusieurs équipes telles que les chariots transporteurs équipés d'essieux moteurs fermés et fréquemment difficiles à refroidir de l'extérieur, on rencontre de telles 35 températures permanentes, élevées. On risque ainsi de dépasser très rapidement les possibilités thermiques des joints en élastomère et des paliers. Dans le cas de joints d'étanchéité à ondulation, cela se traduit également par un durcissement et dans le cas le plus défavorable par leur fusion. Au contraire, les paliers à roulement, lorsqu'ils dépassent une certaine température, voient la structure de leur matière modifiée et risquent de perdre la dureté requise pour un bon fonctionnement. L'utilisation de matériaux spéciaux pour remédier à ces problèmes occasionne un surcoût important. But de l'invention La présente invention a pour but de développer une machine électrique ou un essieu équipé d'une telle machine et dont le refroi1o dissement soit amélioré. Exposé et avantages de l'invention A cet effet, l'invention concerne une machine électrique du type défini ci-dessus, caractérisée en ce qu'un axe de rotor relié au rotor a un canal axial s'étendant au moins dans la zone d'un point de palier (pa15 lier de roulement) de l'axe de rotor et au moins en partie dans la zone du rotor, et ce canal reçoit un fluide de refroidissement. L'invention concerne également un essieu moteur équipé d'une ou plusieurs telles machines électriques. La caractéristique essentielle de l'invention consiste ainsi à 20 refroidir de manière précise l'ensemble axe-rotor et les paliers et joints d'étanchéité à ondulation, correspondants. Ainsi, on refroidit d'une part là o l'on rencontre les températures les plus élevées et d'autre part là o se trouvent les composants les plus exposés. L'utilisation d'un fluide de refroidissement directement dans l'axe de rotor permet ainsi d'avoir une 25 puissance de refroidissement élevée. Comme fluide de refroidissement on peut utiliser à la fois des liquides de refroidissement connus comme de l'huile mais aussi des gaz comme par exemple de l'air ou des gaz à molécule à chaîne longue connus de par la technique des circuits frigorifiques d'installations frigori30 fiques. Dans la réalisation selon l'invention des machines électriques ou des essieux moteurs avec refroidissement par une veine de fluide traversant l'axe du rotor, la durée de vie thermique des machines électriques ne dépend plus des conditions d'utilisation individuelle mais peut 35 être assurée par un dimensionnement approprié de la puissance de refroidissement. Selon un développement avantageux de l'invention, le canal axial est en forme de perçage borgne centré équipé d'un tube concentrique et le volume intérieur du tube communique avec le canal axial dans le sens du passage du fluide. Le fluide de refroidissement peut ainsi traverser le tube et ressortir en passant par l'intervalle annulaire environnant du perçage borgne. On peut également inverser le sens de passage du 5 fluide, c'està-dire assurer l'alimentation du fluide de refroidissement d'abord par l'intervalle annulaire et la sortie par le tube. Il est également possible de réaliser le canal axial comme perçage traversant s'étendant sur toute la longueur de l'axe du rotor et d'assurer sur les faces frontales des passages tournants, ce qui permet de 10 réaliser l'entrée et la sortie du fluide de refroidissement par les deux faces frontales de l'axe du rotor. Dans ce cas il n'est pas nécessaire de prévoir un tube à l'intérieur du perçage axial. Dans le cas de l'essieu moteur selon l'invention un développement intéressant prévoit au voisinage de la machine électrique, une se15 conde machine électrique coaxiale installée dans l'essieu moteur, cette seconde machine ayant un rotor et un stator, et l'axe portant le rotor comporte un canal axial s'étendant axialement au moins dans la zone d'un point de palier de l'axe du rotor et au moins en partie dans la zone du rotor, ce canal servant de canal de fluide de refroidissement. Ainsi, on peut refroidir un ensemble de machines électriques installées dans l'essieu moteur, selon l'invention. On peut également prévoir plus de deux machines électriques dans l'essieu moteur. Comme cela est déjà prévu pour la première machine électrique, le canal axial de la seconde machine électrique peut être réalisé sous la forme de perçage 25 borgne centré recevant un tube concentrique et l'intérieur du tube communique avec le canal axial dans le sens d'un branchement en série. Les canaux axiaux et les tubes qui les équipent dans les deux machines électriques sont avantageusement reliés à un branchement d'alimentation commun. De façon particulièrement avantageuse, un développement de l'essieu moteur selon l'invention est caractérisé en ce qu'axialement entre les deux machines on a un dispositif de frein et son mécanisme d'actionnement et le branchement d'alimentation des canaux axiaux et/ou le branchement d'alimentation des tubes installés dans les canaux est in35 tégré au mécanisme d'actionnement de frein. Il suffit alors que les deux axes de rotor comportent chaque fois, au niveau des faces frontales d'o partent les perçages borgnes et le tube concentrique correspondant, un passage tournant et de brancher celui-ci sur les conduites de fluide intégrées dans le mécanisme d'actionnement de frein. Dans la mesure o le dispositif de frein est un dispositif humide et qu'il est raccordé au circuit de refroidissement des deux ma5 chines électriques, on protège non seulement les machines électriques et leurs joints et paliers contre le surcharges thermiques mais également les garnitures de friction des freins, le liquide hydraulique servant à refroidir les garnitures de friction et à évacuer les particules abrasées des freins. Selon un autre développement avantageux de l'invention, 1o les deux machines électriques comportent chacune une transmission en aval raccordée au circuit de refroidissement des machines électriques. Dans ce cas les transmissions sont traversées par du liquide hydraulique nettoyé et refroidi. Cela permet de façon simple de minimiser les pertes dans les transmissions car malgré le niveau d'huile minimum, c'est-à-dire 15 des pertes de " Plansch " réduites, la chaleur dégagée sera évacuée en continu. Dessins La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide d'exemples de réalisation représentés dans les dessins 20 annexés dans lesquels: - la figure 1 est une coupe longitudinale centrale d'un essieu d'entraînement équipé de deux machines électriques, la figure 2 est une coupe longitudinale analogue à celle de la figure 1 d'une variante de réalisation du guidage du liquide de refroidissement 25 dans les deux machines électriques. Description de modes de réalisation Dans un essieu d'entraînement ou essieu moteur 1, on a en position juxtaposée, une première et une seconde machine électriques (moteurs électriques) 2 et 3 entre lesquelles se trouve un dispositif de frein 30 4. La première machine électrique 1 comprend un stator 5 et un rotor 6; ce dernier est fixé sur un axe 7. L'axe de rotor 7 est monté par ses deux extrémités dans un palier à roulement 8, respectif, installé dans un panneau de palier d'un boîtier 9. Du côté extérieur du panneau de palier il est prévu un joint d'étanchéité ondulé 10 qui protège le palier à roulement 8 35 et le volume intérieur du boîtier 9 de la machine électrique contre l'encrassage. De façon analogue, la seconde machine électrique 3 comprend un stator 11 et un rotor 12; ce dernier est fixé sur un arbre 13. L'arbre de rotor 13 est monté par ses deux extrémités chaque fois dans un palier de roulement 14 installé dans un panneau de palier du boîtier 15 de la seconde machine électrique. Ce boîtier 15 est réuni en un bloc avec le boîtier 9 de la première machine électrique. Vers l'extérieur du panneau 5 de palier il est prévu un joint d'étanchéité à ondulation 16 protégeant le palier de roulement 14 et l'intérieur du boîtier 15 de la seconde machine électrique contre l'encrassage. Les axes de rotor 7 et 13 des deux machines électriques sont munis chacun d'un canal axial central 17, 18; dans le présent 10 exemple de réalisation ce canal est en forme de perçage borgne partant de chaque face frontale de l'axe de rotor 7, 13, en regard de l'autre axe de rotor 13, 7. Chaque canal axial 17, 18 reçoit un tube 19, 20 concentrique dont l'extrémité du côté de la paroi frontale du canal axial 17, 18 15 communique avec un intervalle annulaire formé radialement entre le canal axial 17, 18 et le tube 19, 20. On peut également envisager des perçages transversaux dans le tube pour permettre une communication entre l'intérieur du tube et l'intervalle annulaire. Les deux faces frontales tournées l'une vers l'autre des deux 20 axes de rotor 7, 13 ont un passage de rotation 21 commun portant les deux tubes 19, 20 et dont l'étanchéité par rapport à l'espace rempli d'huile est séparée par deux joints d'étanchéité à ondulation 22, 23, le dispositif de frein 4 se trouvant dans ce volume d'huile. Une pièce intermédiaire 24 relie le passage tournant 21 à 25 un organe de branchement 25 muni d'un orifice d'entrée de liquide de refroidissement 26 et d'un orifice de sortie de liquide de refroidissement 27. La pièce intermédiaire 24 relie l'intérieur des tubes 19, 20 à l'orifice d'entrée 26; l'intervalle annulaire des canaux axiaux 17 et 18 est relié à l'orifice de sortie 27. Le liquide de refroidissement est de préférence du li30 quide hydraulique prélevé par exemple sur le retour de l'installation de direction hydraulique ou encore de l'hydraulique active. Il est également possible d'utiliser comme fluide hydraulique un gaz, de préférence un gaz dont les molécules sont à chaîne longue. Le passage tournant 21 se trouve dans une cavité 28 d'un 35 mécanisme d'actionnement de frein 29 ayant pour fonction de presser les uns contre les autres, par un mouvement d'écartement, les rotors et stators du dispositif de frein 4 pour une action de freinage. Le passage tournant 21 est ainsi intégré dans le mécanisme d'actionnement des freins 29. Les canaux axiaux 17, 18 et les tubes 19, 20 s'étendent axialement très loin dans les axes de rotor 7, 13 et dans tous les cas suffisamment pour permettre d'évacuer assez de chaleur du rotor 6 ou du rotor 12 à l'aide du fluide de refroidissement, pour éviter une sollicitation 5 thermique excessive des paliers de roulement 8, 14 et des joints d'étanchéité à ondulation 10, 16. L'essieu moteur représenté à la figure 2 se distingue de celui de la figure 1 uniquement par une modification du guidage du fluide de refroidissement (dans le présent exemple de réalisation il s'agit de liquide 1o hydraulique). Dans cette variante, le passage tournant 21 ne comporte pas de joint d'étanchéité à ondulation de sorte que les intervalles annulaires des canaux axiaux 17, 18 sont raccordés au volume rempli d'huile dans lequel se trouve le dispositif de frein 4. Ainsi, il n'y a pas de séparation entre le liquide hydraulique prévu dans l'exemple précédent pour asi5 surer le refroidissement et le liquide hydraulique du dispositif de frein 4. Le liquide hydraulique utilisé ici pour le frein et les machines électriques se trouve ainsi dans un circuit commun. L'alimentation en liquide hydraulique de refroidissement se fait comme décrit mais non représenté à la figure 2 à l'aide du passage 20 tournant 21 et de la pièce intermédiaire 24; dans ces composants il suffit d'un unique canal de liaison pour les deux tubes 19, 20. L'évacuation du fluide de refroidissement se fait directement de l'espace dans lequel se trouve le dispositif de frein 4 (cela n'est pas représenté). Selon l'invention, le " refroidissement intérieur par fluide " 25 est également applicable à une seule machine électrique (générateur ou moteur) . Contrairement aux représentations du présent exemple de réalisation il est en outre possible de munir l'axe de rotor d'un canal axial traversant et l'entrée et la sortie du fluide de refroidissement se fait par les faces frontales de l'axe du rotor. Dans ce cas il n'est pas nécessaire de 30 prévoir un tube installé dans le canal axial pour assurer l'alimentation. REVENDICATIONS 10) Machine électrique comportant un rotor et un stator, caractérisée en ce qu' un axe de rotor (7) relié au rotor (6) a un canal axial (17) s'étendant au 5 moins dans la zone d'un point de palier (palier de roulement 8) de l'axe de rotor (7) et au moins en partie dans la zone du rotor (6), et ce canal reçoit un fluide de refroidissement. 20) Machine électrique selon la revendication 1, i0 caractérisée en ce que le canal axial (17) est en forme de perçage borgne centré recevant de manière concentrique un tube (19) et le volume intérieur du tube communique avec le canal axial (17) par une communication de passage de fluide. 30) Essieu moteur comportant au moins une machine électrique avec un rotor et un stator, caractérisé en ce que l'axe de rotor (7) portant le rotor (6) est muni d'un canal axial (17) s'étendant au moins axialement dans la zone d'un point de palier (palier 20 de roulement 8) de l'axe de rotor (7) et au moins en partie dans la zone du rotor (6), et ce canal reçoit un fluide de refroidissement. 40) Essieu moteur selon la revendication 3, caractérisé en ce que le canal axial (17) est en forme de perçage borgne centré recevant de manière concentrique un tube (19) et l'intérieur du tube communique avec le canal axial (17) dans le sens d'un montage en série. 50) Essieu moteur selon la revendication 4, 30 caractérisé en ce qu' au voisinage de la machine électrique (2), une seconde machine électrique (3) , coaxiale, dans l'essieu moteur (1), est prévue avec un rotor (12) et un stator (11), et l'axe (13) du rotor (12) comporte un canal axial (18) qui s'étend au moins dans la zone d'un point de palier (palier de roulement 35 14) de l'axe de rotor (13) au moins en partie dans la zone du rotor (12), et qui reçoit du fluide de refroidissement. 60) Essieu moteur selon la revendication 5, caractérisé en ce que le canal axial (18) de la seconde machine électrique (3) est réalisé comme perçage borgne centré le recevant de manière concentrique à un tube (20) et l'intérieur du tube communique avec le canal axial (18) dans le sens du passage d'un fluide. 70) Essieu moteur selon la revendication 6, caractérisé en ce que les canaux axiaux (17, 18) et les tubes (19, 20) installés dans ceux-ci pour 10 les deux machines électriques (2, 3) sont reliés à un branchement d'alimentation commun. 80) Essieu moteur selon la revendication 7, caractérisé par un dispositif de frein (4) et un mécanisme d'actionnement de frein (29) installés axialement entre les machines électriques (2, 3), le branchement d'alimentation des canaux axiaux (17, 18) et/ou le branchement d'alimentation des tubes (19, 20) installés dans les canaux étant intégrés au mécanisme d'actionnement de frein (29). 20 9 ) Essieu moteur selon la revendication 8, caractérisé en ce que le dispositif de frein (4) est un dispositif de frein humide raccordé au circuit de refroidissement des deux machines électriques (2, 3). 25 10 ) Essieu moteur selon l'une des revendications 3 à 9, caractérisé en ce que les deux machines électriques (2, 3) comportent chacune une transmission en aval raccordée à un circuit de refroidissement des machines élec30 triques (2, 3).