Brevet FR2978631A1 — publié le 20130201

La présente invention concerne un élément de machine électrique comprenant une carcasse et un bobinage. L'invention concerne encore une machine électrique comprenant un tel élément. L'invention concerne encore un véhicule automobile comprenant une telle machine électrique. Dans un moteur électrique d'un véhicule électrique, les pertes thermiques dans les conducteurs des bobinages par l'effet de Joule représentent généralement la majeure partie de la puissance thermique à évacuer. Par ailleurs, dans les moteurs à bas coûts sans aimants, les bobinages sont les éléments qui résistent le moins à la température (180°C maximum). Leur refroidissement est donc crucial. La difficulté de refroidissement d'un bobinage provient de deux raisons principales : - il existe un nombre important de barrières thermiques faisant obstacles à la transmission de la chaleur depuis le bobinage jusqu'à un fluide de refroidissement, et - la conductivité thermique d'un bobinage dans le sens transversal aux conducteurs est mauvaise. Pour qu'une quantité de chaleur importante générée dans les conducteurs puisse être évacuée, il faut un écart de température très élevé, donc une température de bobinage élevée, à température constante du fluide de refroidissement. Ceci n'est pas souhaitable. Il est donc important d'améliorer le refroidissement des bobinages. Un moteur électrique est couramment refroidi soit par un gaz comme de l'air, soit par un liquide comme de l'eau. Par exemple, on utilise le fréon ou un autre fluide caloporteur à changement de phase pour le moteur d'un compresseur électrique d'une machine frigorifique et on utilise de l'eau pour refroidir le moteur d'une pompe à eau électrique. Dans le cas d'un refroidissement à gaz, le gaz est ventilé par un ventilateur entraîné généralement par l'axe du moteur électrique. Ce gaz échange de la chaleur avec les parois du moteur (les parois externes de bobinage, les parois de tôles). Mais, plusieurs problèmes limitant fortement la performance de l'échange thermique existent. Notamment, les coefficients d'échange avec les gaz sont faibles, les surfaces de parois qui contribuent à l'échange thermique sont limitées, et surtout il est difficile de faire passer les gaz dans les zones qui s'échauffent. On peut aussi ajouter qu'il est difficile, du fait de contraintes liées à l'architecture des moteurs, de faire entrer une quantité suffisante de gaz frais dans le moteur et de l'en faire sortir. Dans le cas du refroidissement liquide, on met en place une chemise contenant un liquide à la périphérie (carter) du moteur électrique (voir figures 1 et 2), généralement sur les tôles de stator. Sur ces figures, on a représenté, en coupe transversale partielle et en coupe longitudinale, un moteur électrique 100 connu de l'art antérieur. Le moteur comprend un stator 104 et un rotor 108. Autour du rotor est monté un carter 105 à refroidissement liquide comprenant une chambre 106 destinée à contenir le liquide. Dans la carcasse du stator, des rainures 102 sont prévues pour recevoir les bobinages 109 présentant des têtes de bobinage 107. Dans ces rainures, autour des bobinages, on prévoit un isolant, comme un carton 103. Cet isolant permet d'assurer notamment une protection mécanique des conducteurs. Entre les conducteurs des bobinages, une résine est imprégnée pour rigidifier les conducteurs et pour améliorer le transfert de la chaleur du coeur du bobinage vers sa périphérie. Dans un tel moteur, la chaleur générée à l'intérieur du bobinage doit, comme représenté par la flèche de la figure 1, d'abord sortir du bobinage, puis traverser de l'air, puis traverser l'isolant 103, puis traverser de l'air, traverser la carcasse du stator, puis arriver dans le carter de refroidissement liquide. Ce chemin comprend différentes barrières thermiques limitant de manière importante l'efficacité du refroidissement. Il existe des documents décrivant des solutions permettant d'améliorer le refroidissement d'un moteur avec de l'air. Ils utilisent essentiellement une optimisation de la circulation de l'air à l'intérieur du moteur. On connaît notamment les documents RU2280305, RU2239272, RU2101835 et RU2286640. De telles solutions imposent des contraintes architecturales sévères. Le but de l'invention est de fournir un élément de machine électrique permettant de remédier aux inconvénients identifiés précédemment et permettant d'améliorer les éléments de machine électrique connus de l'art antérieur. En particulier, l'invention propose un élément de machine électrique ayant une structure simple, peu coûteuse et permettant d'améliorer son refroidissement sans créer de contraintes d'architecture relativement à la machine. Selon l'invention, un élément de machine électrique comprend une 20 carcasse et un bobinage. Une tête du bobinage comprend plusieurs faisceaux espacés de conducteurs et/ou plusieurs conducteurs espacés. L'élément peut comprendre, au niveau de la tête, des espaces entre les faisceaux espacés de conducteurs et/ou entre les conducteurs espacés, 25 les espaces étant par exemple compris entre 1 mm et 4 mm, en particulier entre 2 mm et 3 mm. Les faisceaux peuvent comprendre des nappes de conducteurs. 30 Les faisceaux espacés et/ou les conducteurs espacés peuvent être disposés en quinconce. L'élément peut comprendre un élément de canalisation d'un fluide caloporteur : vers les faisceaux espacés de conducteurs et/ou vers les conducteurs espacés, et/ou depuis les faisceaux espacés de conducteurs et/ou depuis les conducteurs espacés. L'élément peut comprendre un boîtier entourant la tête et destiné à recevoir un fluide caloporteur. Selon l'invention, une machine électrique, notamment un moteur électrique, en particulier un moteur électrique de véhicule automobile, comprend un élément défini précédemment. 15 La machine électrique peut comprendre un élément de mise en mouvement d'un fluide caloporteur entre les faisceaux espacés de conducteurs et/ou entre les conducteurs espacés. Selon l'invention, le véhicule automobile comprend une machine 20 électrique définie précédemment. Le dessin annexé représente, à titre d'exemples, plusieurs modes de réalisation d'un élément de machine électrique selon l'invention. 25 La figure 1 est une vue en coupe transversale partielle d'un moteur électrique connu de l'art antérieur. La figure 2 est une vue en coupe longitudinale d'un moteur électrique connu de l'art antérieur. La figure 3 est une vue en coupe longitudinale d'un premier mode de réalisation d'un moteur électrique selon l'invention. 30 La figure 4 est une vue en perspective partielle d'une première variante du premier mode de réalisation du moteur électrique. La figure 5 est une vue en coupe longitudinale partielle de la première variante du premier mode de réalisation du moteur électrique. La figure 6 est une vue en coupe longitudinale partielle d'une deuxième variante du premier mode de réalisation du moteur électrique. La figure 7 est une vue en coupe longitudinale partielle, perpendiculaire à celle de la figure 6, de la deuxième variante du premier mode de réalisation du moteur électrique. 15 La figure 8 est une vue en coupe longitudinale d'un deuxième mode de réalisation d'un moteur électrique selon l'invention. La figure 9 est une vue en coupe longitudinale d'un troisième mode de réalisation d'un moteur électrique selon l'invention. La figure 10 est une vue en coupe transversale du troisième mode de réalisation du moteur électrique. Un premier mode de réalisation de machine électrique est décrit ci-après 25 en référence aux figures 3 à 7. La machine électrique 1 est par exemple un moteur électrique, en particulier un moteur électrique de véhicule automobile destiné à entraîner le véhicule automobile. La machine électrique comprend un stator 2 et un rotor 3. 30 Le stator comprend une carcasse 20 dans laquelle sont réalisées des rainures s'étendant longitudinalement entre des dents 21 et des 20 bobinages 4 dont les conducteurs électriques sont destinés à être parcourus par un courant électrique. Les rainures sont destinées à recevoir les bobinages 4. Des têtes 5 de ces bobinages sont formées hors de la carcasse du stator, aux extrémités de celle-ci. Une portion d'au moins un bobinage, en particulier une tête de bobinage, comprend plusieurs faisceaux disjoints ou espacés de conducteurs et/ou plusieurs conducteurs 51 disjoints ou espacés. Le fait que plusieurs conducteurs ou plusieurs faisceaux de conducteurs soient disjoints ou espacés permet de faire passer entre eux, c'est-à-dire dans les espaces 12, 13 qui les séparent, un fluide caloporteur comme un gaz, notamment de l'air, ou un liquide, notamment de l'eau ou de l'huile. On réalise ainsi un échangeur thermique permettant un transfert de chaleur des conducteurs ou des faisceaux de conducteurs au fluide caloporteur. Comme représenté aux figures 4 et 5, dans une première variante de réalisation, un bobinage comprend une tête 5a dans laquelle les conducteurs 51 (ou des faisceaux de plusieurs conducteurs) sont espacés et donc séparés par des espaces 12. Par exemple, le fluide caloporteur traversant cette tête se déplace globalement radialement relativement au stator, comme représenté par les flèches 11. Avantageusement, comme représenté à la figure 5, dans un plan parallèle à la direction de déplacement global du fluide caloporteur, les conducteurs (ou des faisceaux de plusieurs conducteurs) sont disposés en quinconce ou sensiblement en quinconce. Dans cette tête, la distance minimale entre deux conducteurs (ou deux faisceaux de plusieurs conducteurs) est par exemple supérieure à 1 mm, de préférence supérieure à 2 mm. De même, dans cette tête, la distance maximale entre deux conducteurs adjacents (ou deux faisceaux adjacents de plusieurs conducteurs) est par exemple inférieure à 4 mm, de préférence inférieure à 3 mm. Il est clair que la disposition des différents conducteurs et/ou des différents faisceaux de plusieurs conducteurs et les dimensions des espaces séparant les différents conducteurs et/ou les différents faisceaux de plusieurs conducteurs peuvent être optimisés en fonction de la géométrie des conducteurs et/ou des faisceaux de conducteurs et en fonction de la nature du fluide caloporteur, afin d'optimiser l'échange thermique entre les conducteurs et/ou les faisceaux de conducteur, d'une part, et le fluide caloporteur d'autre part. Comme représenté aux figures 6 et 7, dans une deuxième variante de réalisation, un bobinage comprend une tête 5b dans laquelle des faisceaux de plusieurs conducteurs sont espacés et donc séparés par des espaces 13. Par exemple, le fluide caloporteur traversant cette tête se déplace globalement radialement relativement au stator, comme représenté par les flèches 11. Avantageusement, les faisceaux de conducteurs forment des nappes 52. Ces nappes sont séparées par des espaces 13. Dans cette tête 5b, la distance minimale entre deux nappes de plusieurs conducteurs est par exemple supérieure à 1 mm, de préférence supérieure à 2 mm. De même, dans cette tête, la distance maximale entre deux nappes adjacentes est par exemple inférieure à 4 mm, de préférence inférieure à 3 mm. Il est clair que la disposition des différentes nappes et les dimensions des espaces séparant les différentes nappes peuvent être optimisées en fonction de la géométrie des nappes et en fonction de la nature du fluide caloporteur, afin d'optimiser l'échange thermique entre les conducteurs et/ou les faisceaux de conducteur, d'une part, et le fluide caloporteur d'autre part. La disposition de conducteurs en nappes peut être obtenue par insertion d'un objet à section constante pendant le bobinage. Les faisceaux de conducteurs peuvent avoir d'autres formes que celles de nappes, notamment la forme de torons. Par « faisceau », on entend toute configuration de conducteurs disposés parallèlement les uns aux autres ou sensiblement parallèlement les uns aux autres dans laquelle les conducteurs sont en contact les uns avec les autres ou sensiblement en contact les uns avec les autres. Avantageusement, chaque bobinage de stator comprend une tête présentant plusieurs faisceaux espacés de conducteurs et/ou plusieurs conducteurs 51 espacés. De préférence encore, chaque bobinage comprend deux têtes présentant plusieurs faisceaux espacés de conducteurs et/ou plusieurs conducteurs 51 espacés, par exemple les deux têtes de chacun des bobinages. Pour guider le fluide caloporteur, le stator comprend également un élément de canalisation du fluide caloporteur : vers les faisceaux espacés de conducteurs et/ou vers les 15 conducteurs (51) espacés, et/ou depuis les faisceaux espacés de conducteurs et/ou depuis les conducteurs (51) espacés. Dans la première variante décrite plus haut, cet élément de canalisation 20 peut comprendre une simple paroi 8a. Dans la deuxième variante décrite plus haut, cet élément de canalisation peut être constitué par la nappe 8b la plus éloignée de la carcasse du stator. Dans cette deuxième variante, l'élément de canalisation peut également comprendre une simple paroi. 25 Comme représenté à la figure 8, un deuxième mode de réalisation de moteur 1 a diffère du premier mode de réalisation en ce qu'il comprend un élément 7 de mise en mouvement d'un fluide caloporteur entre les faisceaux espacés de conducteurs et/ou entre les conducteurs 51 espacés, par exemple un ventilateur 7 permettant de forcer un flux d'air à 30 se diriger vers les têtes décrites précédemment. De préférence, le moteur comprend un ventilateur à chacune de ses extrémités au niveau des têtes de bobinage. Le ou les ventilateurs comprennent par exemple chacun une roue centrifuge solidaire du rotor 3. Comme représenté aux figures 9 et 10, un troisième mode de réalisation de moteur 1 b diffère du premier mode de réalisation en ce que le stator comprend un boîtier 8 entourant la ou les têtes. Ce boîtier forme une ou plusieurs cavités étanches 9 destinées à recevoir un fluide caloporteur. Avantageusement, une cavité 9 est formée au niveau de chaque tête, c'est-à-dire au niveau de chaque tête de bobinage et des canalisations 14, 15 permettent de guider un fluide caloporteur des unes aux autres des cavités. L'invention a été décrite ci-dessus appliquée à un stator de machine électrique, notamment un stator de moteur électrique. Néanmoins, il est clair que l'invention peut également s'appliquer à un rotor bobiné de machine électrique, notamment un rotor bobiné de moteur électrique. Une machine électrique selon l'invention équipe avantageusement un véhicule automobile. L'invention permet d'assurer un excellent refroidissement de la machine électrique. En effet, le matériau utilisé pour former les conducteurs électriques, comme le cuivre, sont d'excellents conducteurs électriques, mais également d'excellents conducteurs thermiques (340 W/°C/m contre environ 1 W/°C/m pour la résine et l'émail de protection des conducteurs). Selon l'invention, on utilise les conducteurs électriques pour conduire la chaleur générée par effet Joule dans ceux-ci selon les flèches 6 de la figure 3 jusqu'aux têtes où la chaleur est transmise à un fluide caloporteur. Au niveau de ces têtes, l'échangeur réalisé permet d'extraire efficacement la chaleur du bobinage et la transférer dans le fluide caloporteur sans dégrader la performance du moteur. Grâce à l'invention, l'architecture globale d'une machine électrique ne doit pas être modifiée. Notamment, la disposition des conducteurs dans les encoches n'est pas modifiée. Ainsi, on peut conserver un remplissage maximum de conducteurs permettant de garder de bonnes performances de la machine. Par rapport à une machine électrique connue de l'art antérieur, la disposition des conducteurs dans les têtes de bobinages est modifiée : les conducteurs sont espacés afin de permettre le passage du fluide caloporteur (air ou un liquide, comme l'huile ayant de bonnes propriétés diélectriques). La chaleur générée dans les conducteurs situés dans les encoches est donc conduite par les conducteurs vers les têtes de bobinage, où un fluide de refroidissement passe pour évacuer la chaleur. Les conducteurs peuvent être isolés électriquement par de l'émail. Leur maintien dans les têtes de bobinage peut être assuré par de la résine dans les encoches. Compte tenu de la rigidité des conducteurs, il n'est pas nécessaire de noyer les conducteurs dans une résine dans les têtes de bobinage et on peut donc laisser les conducteurs isolés électriquement au contact direct du fluide caloporteur. Comme vu précédemment, au niveau de la tête de bobinage, tout type de disposition de conducteurs est possible pour permettre de laisser passer le fluide de refroidissement entre les conducteurs. La performance de refroidissement obtenue avec la solution conforme à 25 l'invention est bien supérieure à celle obtenue en utilisant les solutions connues de l'art antérieur. En cas de besoin, un dépôt d'une couche de résine peut être appliqué sur les conducteurs afin de les protéger des risques d'attaque mécanique 30 lors de l'écoulement du fluide de refroidissement. On peut aussi mettre des résines sur certaines parties des conducteurs au niveau de la tête de bobinage pour renforcer la structure mécanique des conducteurs. Ce renforcement n'est utile que si les conducteurs sont fins, ou si la longueur de conducteurs en suspension sans contact avec les conducteurs voisins est importante. La machine électrique selon l'invention peut être du type à réluctance variable. Ce type de machine peut être utilisé pour entraîner un véhicule électrique ou un véhicule hybride. 10 Dans le cas où la machine électrique est intégrée dans un véhicule dans un système de transmission ou proche d'un système de transmission, on peut utiliser l'huile de lubrification du système de transmission comme fluide caloporteur. Ceci améliore l'intégration de la solution. 15 De la même manière, dans le cas où la machine électrique est intégrée dans un véhicule électrique ou hybride présentant un système à fluide caloporteur de régulation thermique de l'habitacle et/ou de la batterie et/ou de l'électronique, on peut utiliser ce fluide caloporteur pour réguler thermiquement la machine électrique. 20 De la même manière, dans le cas où la machine électrique est intégrée dans un véhicule hybride présentant un système à fluide caloporteur de régulation thermique du moteur thermique, on peut utiliser ce fluide caloporteur pour réguler thermiquement la machine électrique. L'invention a été décrite appliquée à un stator de moteur électrique. Cependant, elle peut être appliquée de la même façon à un rotor de moteur électrique. Elle peut encore être appliquée à un stator ou un rotor d'une machine électrique autre qu'un moteur électrique. 25 30 REVENDICATIONS: 1. Elément (2) de machine électrique (1) comprenant une carcasse (20) et un bobinage (4), caractérisé en ce qu'une tête (5) du bobinage comprend plusieurs faisceaux espacés de conducteurs et/ou plusieurs conducteurs (51) espacés. 2. Élément selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'il comprend, au niveau de la tête, des espaces (12 ; 13) entre les faisceaux espacés de conducteurs et/ou entre les conducteurs (51) espacés, les espaces étant par exemple compris entre 1 mm et 4 mm, en particulier entre 2 mm et 3 mm. 3. Élément selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les faisceaux comprennent des nappes (52) de conducteurs. 4. Élément selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les faisceaux espacés et/ou les conducteurs espacés sont disposés en quinconce. 5. Élément selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend un élément (8 ; 8a ; 8b) de canalisation d'un fluide caloporteur : vers les faisceaux espacés de conducteurs et/ou vers les conducteurs (51) espacés, et/ou depuis les faisceaux espacés de conducteurs et/ou depuis les conducteurs (51) espacés. 6. Élément selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend un boîtier (8) entourant la tête et destiné à recevoir un fluide caloporteur. 7. Machine électrique, notamment moteur électrique (1 ; 1 a ; 1 b), en particulier moteur électrique de véhicule automobile, comprenant un élément selon l'une des revendications précédentes. 8. Machine électrique selon la revendication précédente, caractérisée en ce qu'elle comprend un élément (7) de mise en mouvement d'un fluide caloporteur entre les faisceaux espacés de conducteurs et/ou entre les conducteurs (51) espacés. 9. Véhicule automobile comprenant une machine électrique selon la revendication 7 ou 8.