Brevet FR2974954A1 — publié le 20121109

MACHINE ELECTRIQUE ET VEHICULE AUTOMOBILE COMPRENANT UNE TELLE MACHINE ELECTRIQUE Domaine de l'invention La présente invention se situe dans le domaine du stockage et de la fourniture d'énergie électrique pour les véhicules automobiles dotés d'une traction partiellement, ou totalement, électrique. De tels véhicules sont, par exemple, des véhicules hybrides de type « électrique/thermique », ou de type « électrique/pile à combustible ». Plus particulièrement, l'invention a pour objet une machine électrique comportant un dispositif de refroidissement de parties génératrices de chaleur et véhicule automobile et un véhicule automobile comprenant une telle machine. Etat de l'art Dans une machine électrique, des pertes de chaleur se produisent durant son fonctionnement, ces pertes de chaleurs devant être dissipées par un système de refroidissement ou par un dispositif de refroidissement correspondant. Plus précisément trois sortes de pertes se produisent dans une machine électrique. Ce sont des pertes en Joule, des pertes en Fer, ou des pertes de type mécanique. Ces trois sortes de pertes ont pour effet d'échauffer certaines parties de la machine. Dans le but de refroidir la machine électrique, des systèmes ou des dispositifs de refroidissement connus fonctionnent avec de l'air de refroidissement, de l'eau de refroidissement ou encore des tuyaux de chaleur. De tels systèmes de refroidissement sont intégrés dans la machine électrique, chaque machine électrique ayant un système de refroidissement conçu pour ladite machine. Il est donc nécessaire, dans les systèmes à dispositifs multiples, de dimensionner les systèmes de refroidissement, de manière à permettre le refroidissement des dispositifs de stockage présentant la plus haute élévation de température. Ainsi, le dimensionnement du dispositif de refroidissement est obligatoirement plus important que celui qui serait nécessaire au vu de l'élévation de température globale du système de stockage. Une des solutions de l'art antérieur est un dispositif de refroidissement à refroidissement liquide. Le document US2008-067882 présente un dispositif de refroidissement par un fluide à changement de phase d'un moteur électrique où le fluide circule dans différentes boucles comportant une pompe et un compresseur. Les systèmes de refroidissement à eau permettent un refroidissement efficace des zones d'échauffement des machines électriques mais nécessitent un circuit hydraulique comprenant une pompe, le fluide de refroidissement, des canalisations et un échangeur. De ce fait, l'inconvénient de ce type de dispositif est qu'il est couteux, volumineux et lourd. Une autre solution de l'art antérieur est un dispositif de refroidissement à air. Le document US2005-035676 présente un dispositif de refroidissement par air des aimants d'un rotor d'un moteur électrique. L'inconvénient des systèmes de refroidissement à air est qu'ils sont limités de par la faible puissance de l'échange thermique réalisable. 20 Exposé de l'invention L'invention a pour but de résoudre ces inconvénients de l'art antérieur. Ainsi, l'invention concerne une machine électrique comportant au moins un espace interne rempli au moins partiellement d'un matériau apte à 25 changer de phase lors d'une variation de température prédéfinie de ladite machine électrique. En d'autres termes, la machine électrique comportant un dispositif de refroidissement selon l'invention permet un refroidissement optimal des zones échauffées grâce au matériau apte au transport de la chaleur de différentes 30 parties du moteur, ledit matériau étant contenu dans au moins un espace situé à l'intérieur du moteur électrique. Plus précisément il s'agit d'un système de refroidissement des parties du moteur qui, lors d'une sollicitation transitoire, par exemple une accélération ou un freinage de récupération, peuvent être amenées à chauffer fortement pendant une courte durée. Dans la suite de la description on emploie indifféremment les termes de « composé » ou de « matériau » pour se référer au matériau à changement 5 de phase en fonction de la température. Le matériau apte à changer de phase peut-être solide, liquide, ou hétérogène. Le choix du matériau et sa dimension est prédéterminé de manière connue afin que le changement de phase du matériau se déclenche à la température d'échauffement des parties du moteur. 10 En d'autres termes, le composé situé proche d'une partie « chaude » du moteur, va lui-même chauffer et de ce fait changer de phase. Il absorbe ainsi la chaleur thermique grâce à sa chaleur latente de changement d'état (fusion ou vaporisation). Lorsque l'intensité de la sollicitation sera réduite la réaction inverse aura lieu (solidification ou condensation) et restituera la 15 chaleur à la machine. La température du matériau chauffant va donc être homogénéisée. Les principal avantage de cette invention est d'augmenter la durée de vie de la machine électrique en diminuant les deltas de températures vus par les isolants, aimants, roulements du moteur électrique. 20 La machine électrique selon l'invention permet soit de diminuer la taille de la machine, soit de limiter le dimensionnement du système de refroidissement en réduisant la puissance et la taille de la pompe et de l'échangeur. Dans les deux cas on obtient un gain en coût, en masse, et en intégration. 25 La solution permet par un regroupement de fonction non seulement de compacter le système, mais également de le sécuriser. L'invention peut être mise en oeuvre selon les modes de réalisations avantageux exposés ci-après lesquels peuvent être considérés individuellement ou selon toute combinaison opérante. 30 Selon des caractéristiques particulières, les espaces sont positionnées et dimensionnées au sein de la machine électrique de manière à minimiser leur influence sur le flux magnétique dans le moteur et ainsi sur le couple disponible. On note que le calcul de l'emplacement des espaces contenant le moyen de transfert de chaleur peut-être effectué par des méthodes généralement connues dans le domaine. Selon des caractéristiques particulières, les espaces contenant le matériau apte à changer de phase ont une faible perméabilité magnétique. Cette faible perméabilité magnétique n'est pas favorable au passage du flux magnétique. La conception du moteur doit prendre en compte ce paramètre afin de ne pas gêner le passage du flux magnétique. Selon des caractéristiques particulières, les espaces contenant le moyen de transport de chaleur sont ménagés de manière à former une cavité. Selon des caractéristiques particulières, les espaces contenant le moyen de transport de chaleur sont ménagés dans le rotor. De manière générale, beaucoup de moteurs électriques n'utilisent pas toute la section disponible au rotor pour créer le couple. Ces parties sont souvent évidées afin de réduire l'inertie du moteur. Ces parties du rotor, interne ou externe peuvent être utilisées pour ajouter ce composé. Selon des caractéristiques particulières, les espaces contenant le moyen de transport de chaleur sont ménagés dans le stator. Selon des caractéristiques particulières, les espaces contenant le matériau apte à changer de phase sont répartis également autour de l'axe de la partie de la machine électrique qui contient les espaces, lesdits espaces étant situés au plus près des aimants. Selon des caractéristiques particulières, au moins un espace contenant le matériau apte à changer de phase parcourt toute la longueur de la partie de la machine électrique qui contient lesdits espaces. Un autre aspect de l'invention vise un véhicule automobile caractérisé en ce qu'il comprend une machine électrique objet de la présente invention. Les avantages, buts et caractéristiques particulières de ce procédé de montage et de cette batterie de véhicule étant similaires à ceux du dispositif objet de la présente invention, ils ne sont pas rappelés ici. Présentation des ficiures D'autres avantages, buts et caractéristiques de la présente invention ressortiront de la description qui va suivre faite, dans un but explicatif et nullement limitatif, en regard des dessins annexés, dans lesquels : - La Figure 1 représente schématiquement, une coupe d'un mode de réalisation particulier de la machine électrique objet de l'invention, - La Figure 2 représente, sous forme de quatre graphiques le principe de fonctionnement de la machine électrique dans un mode de réalisation. Description détaillée de l'invention On note que les figures ne sont pas à l'échelle. En relation avec les figures, on décrit ci-dessous un mode de réalisation de la machine électrique comportant un dispositif de refroidissement des parties génératrices de chaleur d'une machine électrique. Dans ce mode de réalisation, le moyen de transport de la chaleur est 15 un matériau apte à changer de phase contenu dans des espaces formant des cavités. En référence à la figure 1, le dispositif de refroidissement est composé de plusieurs cavités 100 localisées dans le rotor 110 d'une machine à aimants 140 intérieurs. 20 Chacune de ces cavités 100 contient un composé à changement de phase qui peut-être solide, liquide, ou hétérogène. Le choix du composé et sa dimension est prédéterminé de manière connue afin que le changement de phase du composé se déclenche à la température d'échauffement des parties du moteur. 25 A titre d'exemple le composé peut-être l'eau dont la température de fusion est à 100°C ou le méthanol dont la température de fusion est à 65°C. Dans ce mode de réalisation le matériau est un fluide à changement de phase. Le fluide, situé proche d'une partie « chaude » du moteur, va lui-même chauffer et absorber ainsi la chaleur thermique grâce à sa chaleur 30 latente de changement d'état (vaporisation). Lorsque l'intensité de la sollicitation sera réduite la réaction inverse aura lieu (condensation) et restituera la chaleur à la machine. La température du matériau chauffant va donc être homogénéisée. Comme le montre la figure 1, Les cavités 100 sont nombreuses et réparties de manière égale autour de l'axe 150 afin d'être au plus près des aimants 140. Enfin, ces cavités 100 parcourent le moteur électrique sur toute la longueur du rotor 110. En général, beaucoup de moteurs électriques n'utilisent pas toute la section disponible au rotor 110 pour créer le couple. Ces parties sont souvent évidées afin de réduire l'inertie du moteur. Dans un mode de réalisation de l'invention, ces parties du rotor 110, interne ou externe peuvent être utilisées en tant qu'espaces aptes à contenir le composé à changement de phase. On note que, dans le cas d'une cavité concentrique dans une pièce tournante on préfère l'utilisation d'un composé liquide à l'utilisation d'un composé solide. Ceci permet d'éviter les effets de balourd qui peuvent se produire si la machine arrête de tourner à chaud, c'est-à-dire avant que le composé ne se solidifie. On note que le dispositif de refroidissement objet de l'invention peut être appliqué de manière analogue tout autre type de rotor ou tout type de stator. En fonctionnement, les pertes de chaleur au sein de l'aimant 140 ainsi que dans le fer 130 situé à sa proximité élèvent la température de l'aimant. Ceci influe sur les propriétés magnétiques de l'aimant 140 qui peut même entrainer une démagnétisation partielle irréversible de l'aimant. L'ajout de cavités 100 contenant un fluide à changement de phase permettant d'homogénéiser la température peut éviter cette démagnétisation des aimants 140 lors d'une sollicitation transitoire. La figure 2 illustre par quatre graphiques 200, 210, 220 et 230 le principe de fonctionnement du matériau à changement de phase contenu dans les cavités 100 du dispositif de refroidissement. Les quatre graphiques 200, 210, 220 et 230 de la figure 2 sont décrits successivement du haut vers le bas de la figure. Par la suite on désigne par « sollicitation continue » le régime de la machine électrique en condition normale de roulage du véhicule, et par « sollicitation transitoire » le régime de la machine électrique lors de situations ponctuelles telles que par exemple une accélération du véhicule ou un freinage de récupération. Le premier graphe 200, en haut de la figure 2, montre la courbe 201 d'évolution dans le temps des pertes de la machine. On note que les pertes dans une machine électrique sont de trois sortes : pertes en Joule, pertes en Fer, et pertes de type mécanique. Ces trois sortes de pertes ont pour effet d'échauffer les parties concernées de la machine. Ces pertes 201 augmentent suite à une sollicitation 202 continue. Une sollicitation transitoire 203 produit une augmentation supplémentaire des pertes 201. Le second graphe 210, représente la courbe 211 d'évolution de la température dans le cas classique d'un système de refroidissement de la machine dimensionné sur le seul régime continu de la machine sans le dispositif de refroidissement objet de l'invention. On observe une augmentation significative de la température produite par le passage en régime transitoire 213 et pas (ou peu) de diminution de la température après la fin 215 du transitoire. Ce système de refroidissement peut être préjudiciable en réduisant la durée de vie de la machine. Il peut également conduire à une perte irréversible de l'aimantation des aimants 140. Le troisième graphe 220, représente l'évolution de la température pour un même dimensionnement du système refroidissement mais dans le cas d'une machine électrique objet de l'invention. Dans ce cas, on constate suite au passage 223 en régime de sollicitation transitoire, une faible augmentation de la température. Cette légère augmentation est liée à l'inertie du changement de phase du composé utilisé qui se maintient jusqu'à ce que la sollicitation transitoire soit terminée 225 et tant que le composé n'a pas terminé de revenir à son état initial (solidification ou condensation). Le quatrième 230 et dernier graphe illustre, dans le cas d'une machine électrique objet de l'invention, la répartition de l'état du composé à changement de phase en fonction du temps. Le pic de chaleur est absorbé par un premier 231 changement d'état du composé (fusion ou vaporisation) qui va ensuite restituer lentement la chaleur absorbée pendant la réaction 232 inverse (solidification ou condensation). La machine électrique objet de la présente invention permet de résoudre le problème du refroidissement des zones d'échauffement des machines électriques d'un véhicule automobile, tout en constituant un dispositif compact dont l'utilisation est sécurisée. REVENDICATIONS1 - Machine électrique caractérisée en ce qu'elle comporte au moins un espace (100) interne rempli au moins partiellement d'un matériau apte à changer de phase lors dune variation de température prédéfinie de ladite machine. 2 - Machine électrique selon la revendication 1 caractérisée en ce que les espaces sont positionnées et dimensionnées au sein de la machine électrique de manière à minimiser leur influence sur les variations de couple ou sur le flux magnétique dans le moteur. 3 - Machine électrique selon l'une des revendications 1 à 2 caractérisée en ce que les espaces (100) contenant le moyen de transport de la chaleur ont une faible perméabilité magnétique. 15 4 - Machine électrique selon l'une des revendications 1 à 3 caractérisée en ce que les espaces (100) contenant le moyen de transport de chaleur sont ménagés de manière à former une cavité. - Machine électrique selon l'une des revendications 1 à 4 caractérisée en ce 20 que les espaces (100) contenant le moyen de transport de chaleur sont ménagés dans le rotor (110). 6 - Machine électrique selon l'une des revendications 1 à 5 caractérisée en ce que les espaces (100) contenant le moyen de transport de chaleur sont 25 ménagés dans le stator. 7 - Machine électrique selon l'une des revendications 1 à 6 caractérisée en ce que les espaces (100) contenant le matériau apte à changer de phase sont répartis également autour de l'axe (150) de la partie (110) de la machine 30 électrique qui contient les espaces, lesdits espaces (100) étant situés au plus près des aimants (140). 5 58 - Machine électrique selon l'une des revendications 1 à 7 caractérisée en ce qu'au moins un espace (100) contenant le matériau apte à changer de phase parcourt toute la longueur de la partie (110) de la machine électrique qui contient lesdits espaces. 9 - Véhicule automobile caractérisé en ce qu'il comprend une machine électrique selon l'une des revendications 1 à 8.