Brevet FR2882202A1 — publié le 20060818

Dispositif pour refroidir une machine tournante électrique et machine comportant un tel dispositif La présente invention concerne un dispositif de refroidissement d'une machine tournante électrique comprenant un stator et un rotor, telle qu'un alternateur, un alternateur-démarreur ou un moteur électrique. L'augmentation progressive de la demande en puissance électrique dans les véhicules automobiles implique de plus en plus des alternateurs performants. Les véhicules hybrides et les véhicules électriques sont également concernés par cette demande accrue de puissance. Dans un environnement confiné, l'évacuation des calories devient alors une priorité pour assurer le bon fonctionnement et éviter le vieillissement prématuré des alternateurs. Les alternateurs actuels sont souvent refroidis à air, mais cette technologie est limitée et des systèmes de refroidissement à eau sont de plus en plus proposés. Les dispositifs de refroidissement des machines électriques actuels sont efficaces mais nécessitent souvent un circuit d'eau ou d'huile fermé comportant une pompe pour évacuer la chaleur. On connairt également des dispositifs de refroidissement comportant un ventilateur fixé sur le rotor. Mais ceux-ci ne sont pas d'une efficacité réputée à haute vitesse et peuvent perturber les systèmes magnétiques environnants. Par ailleurs, le FR 2 182 028 décrit un dispositif de refroidissement du rotor d'une machine électrique au moyen d'un tube thermoconducteur et d'un ventilateur. Le but de ha présente invention est de créer un dispositif de refroidissement d'une machine tournante qui soit efficace, peu encombrant et ne nécessitant aucune pompe, ni ventilateur pour assurer le refroidissement. Ce but de l'invention est atteint au moyen d'un dispositif pour refroidir une machine électrique tournante comprenant un stator et un rotor, remarquable en ce qu'il comprend un espace clos formant un caloduc comprenant une enveloppe rigide entourant hermétiquement le stator et qui contient un liquide dont le point d'ébullition est inférieur à la température maximale admissible pour la machine, un réservoir condenseur situé au-dessus du stator et des moyens de communication permettant un échange entre ladite enveloppe et ledit réservoir condenseur pour transférer vers le réservoir condenseur la vapeur produite par l'échauffement du liquide et, par gravité, le liquide condensé dans ce réservoir condenseur vers l'enveloppe. Ainsi, avantageusement, la chaleur est évacuée de l'enveloppe par évaporation du liquide, transférée dans le réservoir condenseur par convection de la vapeur et dégagée dans le réservoir condenseur par condensation de la vapeur. Aucune pompe n'est nécessaire, puisque le gaz, chaud, monte vers le réservoir condenseur par convection et que le liquide descend, par gravité, dans l'enveloppe. Par ailleurs, le dispositif est à peine plus encombrant que la machine électrique tournante à refroidir. De préférence, lesdits moyen de communication comportent au moins une première conduite de transfert vers ledit réservoir condenseur de la dite vapeur et au moins une deuxième conduite de transfert dudit liquide condensé vers ladite enveloppe. Le gaz est ainsi évacué de l'enveloppe par la première conduite et le liquide retourne dans l'enveloppe par la deuxième conduite de telle sorte qu'il n'y a pas d'échanges thermiques entre le liquide et le gaz dans les conduites, assurant ainsi un meilleur fonctionnement du dispositif. De préférence, ladite au moins une première conduite débouche au point le plus haut de ladite enveloppe. De la sorte, on évite avantageusement les accumulations de gaz chaud dans l'enveloppe et on assure l'évacuation des gaz les plus chauds qui se trouvent le plus haut dans l'enveloppe. De manière préférée, ladite au moins une deuxième conduite débouche en un point bas de ladite enveloppe. Ainsi, de manière avantageuse, la circulation automatique est facilitée, le risque de bulles remontant par cette conduite étant plus faible. De préférence, l'enveloppe comporte une paroi qui s'étend dans l'entrefer compris entre le stator et le rotor. De la sorte, l'étanchéité du dispositif est améliorée de manière avantageuse. 2882202 3 De manière préférée, ladite paroi présente une épaisseur inférieure à celle du reste de l'enveloppe. Ainsi, avantageusement, l'entrefer de la machine électrique tournante est réduit. De préférence, l'axe de rotation de la machine électrique est incliné par rapport à une direction horizontale. L'évacuation des bulles de gaz hors des encoches du stator est ainsi avantageusement facilitée. L'invention se rapporte également à un procédé de réglage de la température d'une machine électrique comportant un stator et un rotor au moyen d'un dispositif selon l'invention, remarquable en ce que l'on règle ladite température en régulant la pression dudit liquide. Ainsi, on peut régler de manière relativement aisée la température de fonctionnement de la machine électrique. L'invention se rapporte également à une machine électrique, remarquable en ce qu'elle est équipée d'un dispositif de refroidissement selon l'invention. La machine électrique peut être constituée par une machine à stator extérieur ou intérieur. Selon une variante, elle est constituée par une machine à aimants, à flux axial et à stator intérieur. D'autres particularités et avantages de l'invention apparaîtront encore dans la description ci-après. Aux dessins annexés, donnés à titre d'exemples non limitatifs - la figure 1 est un schéma en demi-coupe dans un plan radial d'une machine électrique à stator extérieur équipé d'un dispositif de refroidissement selon l'invention, - la figure 2 est un schéma analogue à la figure 1 montrant une machine électrique à stator extérieur et à axe vertical équipé d'un dispositif selon l'invention, - la figure 3 est une vue en coupe à échelle agrandie du détail A de la figure - la figure 4 est un schéma analogue à la figure 1 concernant une machine électrique à stator intérieur équipé du dispositif selon l'invention, 2882202 4 - la figure 5 est un schéma d'une machine électrique à aimants, à flux axial et à stator intérieur équipé d'un dispositif selon l'invention. Les figures 1 à 5 montrent schématiquement un dispositif pour refroidir une machine électrique tournante par exemple un alternateur comprenant un stator 1 et un rotor 2. Dans tous les exemples représentés, le dispositif comprend un espace entièrement clos formant un caloduc comprenant une enveloppe rigide 3 entourant hermétiquement Ne stator 1 qui contient un liquide 7 dont le point d'ébullition est inférieur à la température maximale admissible pour la machine et un réservoir condenseur 4 situé au-dessus du stator 1. De préférence, la quantité de liquide 7 est suffisante pour que le stator 1 baigne entièrement dans le liquide 7. Ainsi, il est possible de mieux refroidir le stator et la formation des bulles est sensiblement identique autour du stator 1. Le réservoir condenseur 4 est relié par une première conduite 5 au point le plus haut 6 de l'enveloppe 3 pour transférer vers le réservoir condenseur 4 la vapeur produite par l'échauffement du liquide 7. Cependant, la première conduite 5 peut déboucher en un point quelconque de l'enveloppe 3, pourvu que ce point soit localisé au dessus du niveau du liquide 7. Par ailleurs, le réservoir condenseur 4 est relié à une seconde conduite 8 pour transférer par gravité le liquide condensé dans ce réservoir condenseur 4 vers le point le plus bas 9 de l'enveloppe 3 (voir notamment la figure 2). Cependant, la deuxième conduite 8 peut déboucher en un point quelconque de l'enveloppe 3. De préférence, la deuxième conduite 8 débouche en un point de l'enveloppe 3 localisé au dessous du niveau du liquide 7. On peut également envisager qu'il n'y ait qu'un conduit permettant la communication entre l'enveloppe 3 et le réservoir condenseur 4. Dans l'exemple des figures 1 et 2, le stator 1 est situé à l'extérieur et l'enveloppe 3 présente une forme torique qui suit à distance le contour extérieur du stator 1. Cette enveloppe 3 comporte une paroi 10 qui s'étend dans l'entrefer compris entre le stator 1 et le rotor 2. Comme indiqué sur la figure 3, la paroi 10 peut présenter une épaisseur inférieure à celle du reste de l'enveloppe 3 pour pouvoir passer dans un entrefer 2882202 5 relativement étroit. La paroi plus épaisse du reste de l'enveloppe 3 confère à celle-ci la rigidité nécessaire. Par ailleurs, l'enveloppe 3 comporte un passage étanche 11 pour les conducteurs électriques d'alimentation de la machine électrique. Dans le cas de la figure 1, l'axe de rotation 12 de la machine électrique est incliné par rapport à une direction horizontale pour définir pour l'enveloppe 3 un point haut 6 et un point bas, de façon à faciliter la montée des bulles de vapeur vers la conduite 5 reliée au réservoir condenseur 4. Cette inclinaison de la machine permet, en particulier, de faciliter l'évacuation, et donc la remontée, des bulles de vapeur hors des encoches du stator 1. L'axe de rotation de la machine peut également être vertical comme montré par la figure 2. L'enveloppe 3 peut être en matière plastique ou en métal moulé d'une seule pièce ou être réalisée en plusieurs parties assemblées hermétiquement l'une à l'autre. Cette matière devra supporter en continu la température engendrée lors du fonctionnement de la machine. Le liquide 7 peut être de l'eau pure ou additionnée d'un produit antigel tel que du glycol dont la proportion déterminera la température d'ébullition du liquide. Le liquide 7 peut également être une huile minérale ou synthétique ayant un point d'ébullition approprié ou un hydrocarbure fluoré. Dans tous les cas, le point d'ébullition du liquide peut être ajusté en modifiant la pression à l'intérieur de l'enveloppe. Notamment, une dépression du liquide permet d'abaisser sa température d'ébullition. Dans le cas d'un liquide diélectrique, celui-ci est compatible avec un contact direct avec les tôles et les bobinages du stator 1. Dans le cas d'un liquide électriquement conducteur, le stator 1 devra être éventuellement protégé par un revêtement approprié. La figure 4 montre que le dispositif de refroidissement selon l'invention peut également s'appliquer à une machine électrique tournante dont le stator 1 est disposé à l'intérieur d'un rotor 2. Dans cet exemple, l'axe de rotation 12 de la machine est avantageusement incliné pour les raisons évoquées plus haut. Dans l'exemple de la figure 5, la machine électrique comprend un stator torique 1 et un rotor, dont l'axe de rotation est vertical, présente deux disques 2 2882202 6 présentant chacun en regard du stator 1 un aimant 13 de façon à créer un flux magnétique axial. Comme dans les exemples précédents, le stator 1 est entouré par une enveloppe 3 renfermant un liquide 7. Dans tous les exemples représentés, le dispositif de refroidissement fonctionne comme suit. Du fait de l'échauffement de la machine, lors de son fonctionnement, le liquide 7 contenu dans l'enveloppe 3 est porté à ébullition. La vapeur créée monte au point haut 6 de l'enveloppe 3, en absorbant de la chaleur et pénètre dans le réservoir condenseur 4 dans lequel cette vapeur se condense. Le liquide condensé retourne ensuite par gravité en passant par la conduite 8 vers le point bas de l'enveloppe 3 où il retourne à l'intérieur de cette enveloppe 3. Le stator 1 est ainsi maintenu durant le fonctionnement de la machine à une température qui ne dépasse pas celle du point d'ébullition du liquide 7. Bien entendu, l'efficacité du réservoir condenseur 4 peut être améliorée en le munissant d'ailettes extérieures afin d'augmenter sa surface d'échange thermique avec l'atmosphère ambiante. Les principaux avantages du dispositif de refroidissement selon l'invention sont les suivants: - il est de conception simple, en raison de l'absence d'une pompe ou d'un ventilateur, - la température du liquide de refroidissement reste constante: elle reste égale à la température d'ébullition du liquide et peut être ajustée pour correspondre à la température idéale de fonctionnement de la machine, - le refroidissement est réparti de manière uniforme tout autour du stator, l'évacuation de l'énergie est réglée automatiquement. Bien évidemment, l'invention ne se réduit pas aux modes de réalisation et aux mises en oeuvre présentés ci-avant. En particulier, le dispositif selon l'invention peut être utilisé pour refroidir toute machine tournante comprenant un stator et un rotor telle qu'un aternateur- démarreur ou un moteur électrique. 7 REVENDICATIONS 1. Dispositif pour refroidir une machine électrique tournante comprenant un stator (1) et un rotor (2), caractérisé en ce qu'il comprend un espace clos formant un caloduc comprenant une enveloppe rigide (3) entourant hermétiquement le stator (1) qui contient un liquide (7) dont le point d'ébullition est inférieur à la température maximale admissible pour la machine, un réservoir condenseur (4) situé au-dessus du stator (1) et des moyens de communication (5, 8) permettant un échange entre ladite enveloppe (3) et ledit réservoir condenseur (4) pour transférer vers le réservoir condenseur (4) la vapeur produite par l'échauffement du liquide (7) et, par gravité, le liquide condensé dans ce réservoir condenseur (4) vers l'enveloppe (3). 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyen de communication (5, 8) comportent au moins une première conduite (5) de transfert vers ledit réservoir condenseur (4) de ladite vapeur et au moins une deuxième conduite (8) de transfert dudit liquide (7) condensé vers ladite enveloppe (3). 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que ladite au 20 moins une première conduite (5) débouche au point le plus haut de ladite enveloppe (3). 4. Dispositif selon l'une des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que ladite au moins une deuxième conduite (8) débouche en point bas de ladite enveloppe (3). 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'enveloppe (3) comporte une paroi (10) qui s'étend dans l'entrefer compris entre le stator (1) et le rotor (2). 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que ladite paroi (10) présente une épaisseur inférieure à celle du reste de l'enveloppe 30 (3). 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'axe de rotation (12) de la machine électrique est incliné par rapport à une direction horizontale. 2882202 8 8. Procédé de réglage de la température d'une machine électrique comportant un stator (1) et un rotor (2) au moyen d'un dispositif selon l'une quelconque des revendication précédents, caractérisé en ce que l'on règle ladite température en régulant la pression dudit liquide (7). 9. Machine électrique, caractérisée en ce qu'elle est équipée d'un dispositif de refroidissement selon l'une des revendications 1 à 7. 10. Machine électrique selon la revendication 9, caractérisée en ce qu'elle est constituée par une machine à stator extérieur ou intérieur. 11. Machine électrique selon la revendication 9, caractérisée en ce qu'elle est constituée par une machine à aimants (13), à flux axial et à stator intérieur.