Brevet FR2864368A1 — publié le 20050624

L'invention concerne un dispositif de renforcement de la ventilation d'une machine électrique ainsi qu'une machine électrique comportant un tel dispositif. L'invention concerne plus particulièrement le renforcement de la ventilation d'une machine électrique telle qu'un alternateur ou un alternateur-démarreur équipant un moteur thermique. Dans le cadre de la présente invention, le terme "machine électrique" désigne indifféremment les alternateurs, les démarreurs et les alternateurs-démarreurs, c'est-à-dire les machines électriques pouvant remplir aussi bien la fonction moteur que la fonction générateur. Le bon fonctionnement des moteurs électriques et des générateurs électriques, en général, quelle qu'en soit leur utilisation, et le bon fonctionnement des machines électriques utilisées dans le domaine des véhicules automobiles, en particulier, dépendent d'un bon refroidissement de ces machines. Pour cette raison, toutes les machines électriques comportent un ventilateur disposé à l'intérieur ou à l'extérieur du carter de la machine électrique. Ce ventilateur est alors constitué par une roue distincte ayant plusieurs pales. La quantité d'air passant par la machine électrique ou autour de la machine électrique, selon la disposition du ventilateur, dépend d'une part des données géométriques telles que la forme et les dimensions des pales du ventilateur et, d'autre part, des dimensions des ouvertures dans le carter de la machine électrique à travers lesquelles le flux d'air doit passer et, enfin, de la vitesse avec laquelle le ventilateur tourne. En ce qui concerne la capacité de refroidissement du flux d'air refoulé par le ventilateur autour de et à travers la machine électrique, celle-ci dépend essentiellement de la vitesse avec laquelle l'air passe par et autour de la machine électrique, de la différence entre la température de l'air arrivant et la température des parties à 2864368 2 refroidir de la machine, et de la surface de refroidissement. La température de l'air arrivant à la machine électrique pour la refroidir est généralement déjà assez élevée en raison de la température du moteur thermique et de celle de son entourage fortement confiné, la surface d'échange étant limitée par les gabarits maximums sous les capots, imposés par les constructeurs d'automobiles. L'air arrivant présente donc une capacité de refroidissement réduite et parfois insuffisante dans le sens qu'elle est, en général, suffisamment grande pour un fonctionnement moyen de la machine électrique avec quelques pointes de fonctionnement, mais qu'elle risque d'être très vite insuffisante lorsque le moteur thermique est fortement sollicité pendant une durée prolongée. Le but de l'invention est donc d'améliorer la ventilation et, plus particulièrement, de proposer des moyens permettant d'augmenter la capacité de refroidissement de l'air mis à la disposition pour le refroidissement de la machine électrique. Les moyens proposés par l'invention sont destinés à être appliqués à une machine électrique comportant un carter avec, en son intérieur, un rotor monté fixe en rotation sur un arbre ayant deux extrémités dont la première est située à l'extérieur du carter et porte une poulie solidaire en rotation de l'arbre et appartenant à un dispositif de transmission de mouvements entre la machine électrique et un moteur thermique que la machine électrique équipe, et au moins un premier ventilateur pourvu d'une pluralité de pales. Pour simplifier la description de la présente invention, les machines électriques utilisés avant l'invention sont considérées comme ayant un seul ventilateur, appelé par la suite "premier ventilateur", même si la machine électrique est pourvu, dans un cas précis, aussi bien d'un ventilateur sur la face avant que d'un ventilateur sur la face arrière de la machine 2864368 3 électrique comme cela est représenté dans les dessins accompagnant la présente description. Le but de l'invention est atteint avec un dispositif de renforcement de la ventilation d'une 5 machine électrique comportant au moins un deuxième ventilateur pourvu d'une pluralité de pales, disposé entre la poulie et le premier ventilateur et destiné à charger le premier ventilateur. Grâce à cette disposition de l'invention, le débit 10 de l'air refroidissant est augmenté à l'intérieur de la machine électrique sans agrandir obligatoirement le gabarit de la machine électrique. Pour la plupart des applications, le dispositif de renforcement de la ventilation selon l'invention va comprendre un deuxième et un troisième ventilateur. Toutefois, la présente invention couvre également les dispositifs de renforcement de la ventilation ayant quatre ou même davantage de ventilateurs lorsque des contraintes particulières de conception de la machine électrique ou des conditions particulières d'utilisation le rende opportun. L'invention concerne également les caractéristiques ci-après considérées isolément ou selon toutes leurs combinaisons techniquement possibles: - le deuxième ventilateur est solidaire de la poulie; - le deuxième ventilateur est formé avec la poulie en une seule pièce; - le deuxième ventilateur est disposé à l'extérieur 30 du carter de la machine électrique et est solidaire en rotation de l'arbre; - le deuxième ventilateur est disposé à l'intérieur du carter de la machine électrique et est solidaire en rotation de l'arbre; - le dispositif de renforcement comprend un deuxième et un troisième ventilateurs, chacun des ventilateurs étant pourvu d'une pluralité de pales et étant solidaire 2864368 4 en rotation de l'arbre, le deuxième ventilateur étant disposé à l'extérieur du carter et le troisième ventilateur étant disposé à l'intérieur du carter; - les sommets des pales du deuxième et/ou du troisième ventilateur sont reliés entre eux par une virole; - le deuxième ventilateur réalisé en une seule pièce avec la poulie est obtenu par une technique choisie parmi le moulage, le frittage et l'usinage; - le deuxième et/ou le troisième ventilateur est pourvu d'un embrayage permettant de le rendre temporairement solidaire en rotation de l'arbre; - le deuxième et/ou le troisième ventilateur est monté indépendant, en rotation, de l'arbre; - la poulie est montée sur un arbre réalisé selon une conception lui conférant des caractéristiques de transmission de chaleur particulièrement bonnes. Alors que la plupart des caractéristiques énoncées ci-dessus concernent la disposition du ou des ventilateurs supplémentaires ou leurs formes, les trois dernières caractéristiques ont trait au fonctionnement de ceux- ci et, quant à la dernière caractéristique, à un moyen supplémentaire permettant de renforcer encore davantage le refroidissement. En effet, en pourvoyant le deuxième et/ou le troisième ventilateur d'un embrayage, on crée la possibilité d'adapter la capacité de refroidissement de l'ensemble des ventilateurs automatiquement ou manuellement à des situations variées. Un effet semblable peut être obtenu en montant le deuxième et/ou le troisième ventilateur indépendant en rotation de l'arbre. Cette conception implique de donner au ventilateur concerné son propre entraînement. En ce qui concerne enfin la possibilité de monter la poulie sur un arbre ayant lui-même de très bonnes caractéristiques de transmission de chaleur, il s'agit en fait de la possibilité d'évacuer une bonne partie de la 2864368 5 chaleur dissipée dans une zone de production de la chaleur moyennant un dispositif comprenant un fluide caloporteur susceptible d'absorber de la chaleur par un premier changement d'état, par une voie de circulation de ce fluide vers une zone d'évacuation de la chaleur et de la restitution de la chaleur à l'environnement dans cette zone d'évacuation par un autre changement d'état. La voie de circulation est avantageusement réalisée sous la forme d'un caloduc comportant une enceinte tubulaire fermée dans laquelle circule le fluide caloporteur. Le caloduc comprend une zone d'absorption de la chaleur par évaporation du fluide et une zone de restitution de la chaleur absorbée par condensation du fluide. Selon cette conception, la poulie constitue la zone de restitution de la chaleur, laquelle est alors refroidie par le deuxième et/ou le troisième ventilateur destiné(s) au refroidissement de la poulie. Le but de l'invention est également atteint avec une machine électrique telle qu'un alternateur, un démarreur ou un alternateur-démarreur, comprenant un dispositif de renforcement de la ventilation conforme aux caractéristiques décrites plus haut. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description ci-après de deux modes de réalisation de la présente invention, la description étant faite en référence aux dessins. Dans ces dessins, la Figure 1 montre une coupe axiale d'une machine 30 électrique comportant un dispositif selon un premier mode de réalisation de l'invention, la Figure 2 montre une coupe axiale d'une machine électrique comportant un dispositif selon un deuxième mode de réalisation de l'invention, la Figure 3 montre un ventilateur d'un dispositif selon l'invention, réalisé en une seule pièce avec une poulie, et 2864368 6 la Figure 4 montre un ventilateur d'un dispositif selon l'invention, pourvu d'une virole. Les machines électriques montrées sur les Figures 1 et 2 comportent chacune un carter 1 avec, en son intérieur, un rotor 2 à griffes comportant deux roues polaires 3,4 solidaires en rotation d'un arbre 5 ayant deux extrémités 6,7. Le carter 1 comporte, par ailleurs, un stator 8 qui entoure le rotor 2 et comporte un corps en forme d'un paquet de tôles portant des enroulements de stator formant de part et d'autre de celui-ci un chignon indiqué en 9. Le rotor 2 est pourvu d'un bobinage d'excitation 20 portés par une partie de rotor en forme d'un noyau cylindrique. Les roues 3,4 présentent chacune un flasque présentant à sa périphérie externe des dents d'orientation axiale et de forme trapézoidale. Les dents d'une roue 3,4 sont dirigées vers le flasque de l'autre roue polaire et sont implantées chacune entre deux dents de l'autre roue polaire. Le noyau et son bobinage 20 sont implantés entre les flasques des roues polaires 3,4.Le noyau est ici en deux parties appartenant chacune à l'un des flasques, qui sont fixés sur l'arbres à la faveur de portions moletées arbre. La première extrémité 6 de l'arbre 5, dite extrémité avant, est située à l'extérieur du carter 1 et porte une poulie 11 solidaire en rotation de l'arbre 5 et appartenant à un dispositif de transmission de mouvements entre la machine électrique et un moteur thermique, notamment pour véhicule automobile, que la machine électrique équipe. La seconde extrémité 7 de l'arbre 5, dite extrémité arrière, est pourvue de bagues collectrices reliées par des liaisons filaires aux extrémités du bobinage d'excitation 20 du rotor 2. Des balais appartenant à un portebalais 10 sont disposés de façon à frotter sur les bagues collectrices. Le porte balai 10 est porté par le carter 1 conformé pour être monté sur une partie fixe. 2864368 7 Le carter 1 est pourvu, par ailleurs, d'un certain nombre de lumières 30, 31 pratiquées sur la face avant, la face arrière et le pourtour du carter, comme représenté sur les Figures 1 et 2, pour permettre le refroidissement de la machine électrique par circulation d'air. De manière connue le carter 1 est en deux parties assemblées entre elles à l'aide de tirants ou de vis. Chaque partie, appelée respectivement palier avant et palier arrière, comporte un flasque transversal présentant centralement un logement pour le montage d'un roulement, non référencé à la figure 1. Chaque flasque est prolongé à sa périphérie externe par un rebord annulaire d'orientation axiale. Le porte balai 10 appartient ici à un ensemble régulateur de tension-porte-balais solidaire du palier arrière, portant également un pont redresseur (non visible) relié aux enroulements du stator pour redresser le courant alternatif produit des enroulements du stator en courant continu. Un capot (non référencé), doté de lumières, coiffe l'ensemble régulateur de tension - porte-balais 10, ainsi que le pont redresseur. Ce capot est solidaire du palier arrière situé du côté opposé à la poulie 11, le palier avant étant adjacent à la pouliell. Pour plus de précisions on se reportera par exemple au document EP A 0 515 259 décrivant également le rotor à griffes. Les lumière 30, 31, ici de forme oblongue, sont respectivement des lumières d'entrée d'air et de sortie d'air. Elles sont réalisées respectivement dans les flasques et dans les rebords du carter 1. Pour le refroidissement de la machine, le rotor 2 porte au moins à une de ses extrémités axiales un ventilateur destiné à assurer cette circulation de l'air à l'intérieur de la machine à la faveur des lumières 30,31. Dans le mode de réalisation représenté sur les Figures 1 et 2, le rotor 2 est pourvu d'un ventilateur 14 2864368 8 disposé sur la face avant du rotor et d'un ventilateur 15, plus puissant que le ventilateur 14, disposé sur la face arrière du rotor, le ventilateur 14 étant pourvu de pales 12 et le ventilateur 15 étant pourvu de pales 13. Les ventilateurs 14 et 15 sont appelés ensemble, comme expliqué plus haut, le premier ventilateur. Selon une variante de réalisation non représentée dans les dessins, la machine électrique peut également être refroidie par eau, le carter étant alors configuré pour comporter une pluralité de canaux de circulation d'eau. Ces canaux de circulation d'eau peuvent être raccordés au système de refroidissement par eau du moteur thermique que la machine électrique équipe. La machine électrique représentée sur la Figure 1 comprend un dispositif de renforcement de la ventilation de la machine électrique selon un premier mode de réalisation de l'invention. Ce dispositif comprend un deuxième ventilateur destiné à charger le premier ventilateur. Ce deuxième ventilateur peut être un ventilateur 18 avec des pales 16 ou un ventilateur 19 avec des pales 17. Le ventilateur 18 ou le ventilateur 19 est disposé entre la poulie 11 et le premier ventilateur 14. Bien que les machines électriques équipées selon l'invention comprendront en général un seul ventilateur supplémentaire, le deuxième ventilateur, il correspond néanmoins aussi au principe de la présente invention, de pourvoir la machine d'un deuxième et d'un troisième ventilateurs, comme cela est représenté sur la Figure 1. Conformément à cette disposition de l'invention, les deuxième et/ou troisième ventilateurs 18, 19 alimentent le ventilateur interne 14. Les ventilateurs 18 et 19 sont des ventilateurs axiaux. La forme des pales peut être choisie indépendamment de celle des pales du premier ventilateur. Alors que les pales du premier ventilateur sont avantageusement formées de manière telle que le premier ventilateur est un ventilateur centrifuge 2864368 9 ou un ventilateur hélico-centrifuge, les pales des deuxième et troisième ventilateurs sont formées de manière à assurer un flux d'air axial avec l'aspiration et le refoulement parallèles à l'axe de l'arbre. Ceci est valable aussi bien pour le ventilateur axial externe 18 que pour le ventilateur axial interne 19. Chaque ventilateur produit ainsi sa propre différence de pression et son propre débit d'air, les débits et différences de pressions s'additionnant alors. Les ventilateurs 18, 19 sont réalisés chacun en une seule pièce réunissant les pales respectives 16, 17 avec une base annulaire 23 destinée à être montée solidaire en rotation sur l'arbre 5 de la machine électrique. Ces ventilateurs peuvent être réalisés selon la technique de moulage, par la technique de frittage ou par usinage d'une pièce massive. Pour diminuer le bruit des ventilateurs, deux mesures différentes peuvent être envisagées. Selon la première, les pales sont distribuées circonférentiellement d'une manière irrégulière, car la disposition asymétrique des pales favorise la diminution du bruit. Selon la seconde mesure, les pales sont distribuées circonférentiellement, d'une manière régulière ou irrégulière, et les sommets des pales sont reliés entre eux par une virole. Cette mesure apporte en même temps une augmentation de la résistance mécanique des pales. Un exemple de réalisation d'un deuxième ventilateur comprenant, d'une part, une base annulaire 23 et, d'autre part, une virole 24, est représenté sur les Figures 3 et 4. Le ventilateur de la Figure 3 représente par ailleurs un ventilateur formé en monobloc avec une poulie. Selon une variante supplémentaire de réalisation du dispositif selon l'invention, le deuxième ventilateur et/ou le troisième ventilateur peuvent être montés sur l'arbre 5 avec un embrayage interposé, et cela indépendamment de la disposition du ventilateur à 2864368 10 l'intérieur ou à l'extérieur du carter 1. Ainsi, le ventilateur monté débrayable ou, lorsque les deux ventilateurs sont montés débrayables, l'un ou l'autre de ceux-ci ou les deux ventilateurs ensembles, peuvent être activés pendant les périodes de fortes sollicitation et être débrayés le restant du temps. La disposition de l'invention permet une augmentation du débit d'air par un ordre de 150 %. Le débit augmenté d'air correspond donc à environ deux fois et demi le débit initial. Grâce à cette forte augmentation du débit d'air, la température des chignons, du stator, du rotor et des enroulements est fortement baissée. La machine électrique représentée sur la Figure 2 comporte un deuxième mode de réalisation de l'invention. Ici, le dispositif comporte des deuxièmes pales 21 formant un deuxième ventilateur 22. Les deuxièmes pales 21 sont formées avec la poulie 11 en une seule pièce. Ce deuxième mode de réalisation permet d'obtenir la même amélioration de refroidissement que le premier mode de réalisation. Il apporte l'avantage, par rapport au premier mode de réalisation, de ne pas ajouter de pièce supplémentaire mais de remplacer seulement la poulie traditionnelle par une poulie-ventilateur. De plus, dans cette configuration, la poulie bénéficie elle-même de l'effet refroidissant de l'air. Cette poulie est dans un mode de réalisation en matière plastique en sorte que les pales 21 sont venues de moulage avec la poulie. Si, par ailleurs, l'arbre 5 est réalisé sous la forme d'un caloduc tel qu'expliqué plus haut, le deuxième ventilateur 22 à lui seul permet déjà d'obtenir une réduction de la température du rotor 2 de l'ordre de 20 C. Selon un troisième mode de réalisation du dispositif de renforcement selon l'invention, non représenté dans les dessins, les deuxièmes pales 21 formant le deuxième ventilateur 22, sont réalisées avec 2864368 11 la poulie 11 en une seule pièce et les troisièmes pales 17 formant le troisième ventilateur 19 sont réalisées en une seule pièce avec une base annulaire 23 et sont disposées à l'intérieur du carter 1 devant le premier ventilateur 14 vu dans le sens du flux de l'air. Par ailleurs, et sans sortir du principe de la présente invention, il est également concevable de disposer un deuxième ventilateur 22 et un troisième ventilateur 18 à l'extérieur du carter 1, le deuxième ventilateur 22 formant par exemple une pièce unique avec la poulie 11, et de disposer un quatrième ventilateur à l'intérieur du carter 1. Indépendamment du nombre de ventilateurs, le concepteur d'une machine électrique peut également choisir la forme et la taille des pales pour obtenir un flux optimal de l'air passant sur la poulie 11 et entrant à l'intérieur du carter 1 pour refroidir l'ensemble des composantes de la machine électrique. En ce qui concerne le choix de la taille des pales, le concepteur de la machine électrique va choisir, de préférence, des pales ayant une taille réduite pour obtenir ainsi le moins de pertes possibles et le bruit de fonctionnement le plus faible possible. Lorsque l'arbre 5 a une structure de caloduc, la chaleur du rotor 2 est transportée en grande partie vers la poulie 11. Dans ce cas, le refroidissement de la poulie 11 bénéficie en même temps au refroidissement du rotor 2. Ceci explique le gain en refroidissement de l'ordre de 20 C apporté par le refroidissement de la poulie 11. Enfin, il est particulièrement avantageux de veiller à une bonne conduction thermique entre l'arbre 5 et les ventilateurs 18, 19 et 22 avec leurs pales 16, 17 et 21, car, dans la disposition selon l'invention, les pales exercent la double fonction de moyens pour accélérer l'air et moyens pour aider à la dissipation de chaleur. Pour la fabrication des pales 16 et 17, mais aussi pour l'ensemble poulie 11 / pales 21, on peut utiliser avantageusement de l'aluminium, de la bronze, de l'acier et du laiton. Toutefois, de la matière plastique du type PPS ou PPA est également utilisable. En ce qui concerne la taille, le nombre et la répartition des ouvertures 30 sur la face avant du carter 1, des ouvertures 31 sur la paroi circonférentielle avant du carter 1 et des ouvertures 32 sur la paroi circonférentielle arrière et la face arrière du carter 1, les caractéristiques suivantes sont données à titre indicatif. Le flux d'air passant par les ouvertures 30 et 31 est indépendant de celui passant par les ouvertures 32. La surface des ouvertures 30, c'est-à-dire des ouïes d'admission du flux d'air avant, doit être du même ordre de grandeur que la surface d'entrée des pales du ventilateur 19. La surface des ouvertures 31, c'est- à-dire des ouïes de sorties, doit représenter au moins 40% de la surface cylindrique du carter 1. Bien entendu le rotor de la machine peut avoir une structure différente et être à pôles saillants comme décrit dans le document WO 02/054566. L'alternateur est en variante réversible en sorte qu'il peut fonctionner en mode moteur électrique pour démarrer le moteur du véhicule automobile. Un tel alternateur est appelé alternateur-démarreur et est décrit par exemple dans le document WO 01/69762 auquel on se reportera pour plus de précisions. REVENDICATIONS 1. Dispositif de renforcement de la ventilation d'une machine électrique, la machine électrique comportant un carter (1) avec, en son intérieur, un rotor (2) monté fixe en rotation sur un arbre (5) ayant deux extrémités (6, 7) dont la première (6) est située à l'extérieur du carter (1) et porte une poulie (11) solidaire en rotation de l'arbre (5) et appartenant à un dispositif de transmission de mouvements entre la machine électrique et un moteur thermique qu'équipe la machine électrique, et au moins un premier ventilateur (14, 15) pourvu de premières pales (12, 13), caractérisé en ce que le dispositif de renforcement comprend au moins un deuxième ventilateur (18, 19; 22) destiné à charger le premier ventilateur (14), le deuxième ventilateur étant pourvu de deuxièmes pales (16, 17; 21) et disposé entre la poulie (11) et le premier ventilateur (14) de la machine électrique. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le deuxième ventilateur (22) est solidaire de la poulie (11). 3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le deuxième ventilateur (22) est 25 formé avec la poulie (11) en une seule pièce. 4. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le deuxième ventilateur (18) est disposé à l'extérieur du carter (1) de la machine électrique et est solidaire en rotation de l'arbre (5). 5. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le deuxième ventilateur (19) est disposé à l'intérieur du carter (1) de la machine électrique et est solidaire en rotation de l'arbre (5). 6. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé 35 en ce qu'il comprend un deuxième ventilateur (18) disposé à l'extérieur du carter (1) et un troisième ventilateur (19) disposé à l'intérieur du carter (1). 2864368 14 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les sommets des pales du deuxième (18) et/ou du troisième (19) ventilateur sont reliés entre eux par une virole (24). 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les deuxièmes (16) et/ou les troisièmes (17) pâles sont formées en une seule pièce avec une base annulaire (23) destinée à être montée solidaire en rotation sur l'arbre (5) de la machine électrique. 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 3, 7 ou 8, caractérisé en ce que les deuxièmes (18) et/ou troisièmes (19) ventilateurs est/sont obtenu(s) par une technique choisie parmi le moulage, le frittage et l'usinage. 10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que le deuxième ventilateur (18 ou 19) est monté indépendant en rotation de l'arbre (5). 11. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que le deuxième (18) et/ou le troisième (19) ventilateur(s) est/sont pourvu(s) d'un embrayage. 12. Dispositif selon l'une quelconque des 25 revendications 1 à 11, caractérisé en ce que l'arbre (5) est réalisé sous la forme d'un caloduc. 13. Machine électrique telle qu'un alternateur ou un alternateurdémarreur, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 12.