Brevet FR2983009A1 — publié le 20130524

- 1 - ENSEMBLE D'ENTRAÎNEMENT POUR VEHICULE AVEC REFROIDISSEMENT PAR FLUIDE CALOPORTEUR ET AIR DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION [0001]La présente invention concerne un ensemble d'entraînement pour véhicule électrique constitué d'un moteur électrique monté en coopération avec une roue du véhicule, pour entraîner cette dernière en rotation lorsque le moteur est alimenté en énergie électrique. 10 ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE [0002] Les moteurs électriques sont aujourd'hui monnaie courante, et leur utilisation est à présent étendue à pratiquement toutes les sphères d'activités, y compris le domaine des transports, et notamment de l'automobile. Leur excellent 15 rendement et par conséquent leur faible niveau de consommation, leur faible niveau sonore, leur compacité, etc, les rendent de plus en plus attrayants dans un nombre sans cesse grandissant d'applications. [0003]Pourtant, certains inconvénients importants subsistent malgré les progrès 20 notables survenus en regard de certaines performances. C'est le cas en particulier des problèmes liés à l'échauffement des moteurs, en particulier pour les applications nécessitant un fonctionnement prolongé et/ou des puissances importantes. En outre, dans la plupart des moteurs électriques, les rotors sont soumis à un échauffement de source électromagnétique important. L'arbre moteur 25 peut de ce fait atteindre des températures de fonctionnement très élevées. Une partie des calories est évacuée par conduction, par les contacts ponctuels du roulement, du coeur du moteur vers l'extérieur du carter et par rayonnement. Cette déperdition de chaleur est d'autant plus faible que ce qui est autour du rotor est très chaud. Elle conduit à une augmentation naturelle de la température du rotor. 30 [0004]Dans des ensembles d'entraînement pour véhicules électriques tels que celui présenté par exemple à la figure 2, cette température élevée a un impact P10-2740fr - 2 - négatif sur les caractéristiques des aimants permanents du moteur, lorsqu'il en est équipé, mais aussi sur la fiabilité de certains éléments mécaniques tels que le roulement et le joint d'étanchéité situés du coté sortie moteur, dans la zone d'interface avec la roue à laquelle le moteur est couplé. [0005] La demande de brevet W02004/107535 propose une machine électrique tournante, notamment pour véhicule automobile, pourvue de moyens de refroidissement et d'évacuation vers l'extérieur de la chaleur produite dans la machine. Les moyens de refroidissement et d'évacuation comprennent au moins un dispositif comportant un fluide caloporteur susceptible d'absorber de la chaleur de l'environnement, par un premier changement d'état, et de restituer à l'environnement la chaleur, lors d'un autre changement d'état, et une voie de circulation de ce fluide entre une zone de production de la chaleur et une zone d'évacuation de celle-ci. Ce concept est utilisable pour des alternateurs, des démarreurs ou des alterno-démarreurs pour véhicule automobile. En outre, les implantations visent en particulier à évacuer la chaleur produite par le dispositif de redressement, notamment les diodes. Les alternateurs décrits sont par ailleurs munis de ventilateurs disposés de façon à générer un circuit d'air de refroidissement. [0006]Ce document décrit des modes d'implantation d'un caloduc spécifiques à des alternateurs ou des alterno-démarreurs, qui ne sont pas directement transposables à des ensembles d'entraînement pour véhicules électriques. [0007]Pour pallier ces différents inconvénients, l'invention prévoit différents moyens techniques. EXPOSE DE L'INVENTION [0008] Tout d'abord, un premier objet de l'invention consiste à prévoir un ensemble d'entraînement pour véhicule favorisant une évacuation efficace de l'énergie thermique générée lors du fonctionnement. P10-2740fr - 3 - [0009]Un autre objet de l'invention consiste à prévoir un ensemble d'entraînement pour véhicule évoluant dans des conditions favorisant la durée de vie du joint d'interface entre la roue et le moteur et évitant les éventuelles détériorations prématurées de ce joint. [0010]Pour ce faire, l'invention prévoit un ensemble d'entraînement pour véhicule électrique constitué d'un moteur électrique monté en coopération avec une roue du véhicule afin d'entraîner cette dernière en rotation lorsque ledit moteur est alimenté en énergie électrique, le moteur électrique comportant un rotor monté mobile en rotation dans un stator par l'entremise d'un roulement interne à proximité de la roue et d'un roulement externe à distance de la roue, et un ensemble magnétique pourvu d'une portion montée sur le stator et une portion montée sur le rotor, adapté pour entraîner en rotation ledit rotor, le rotor du moteur étant pourvu d'un caloduc comportant au moins une zone de condensation et au moins une zone d'évaporation d'un liquide caloporteur, la zone d'évaporation du caloduc s'étendant axialement à l'intérieur du roulement interne. [0011]La solution prévoit avantageusement un ensemble d'entraînement dont le moteur comporte un ou plusieurs caloducs s'étendant axialement depuis la zone du roulement et du joint (zone d'évaporation à proximité de la roue) vers la zone de condensation prévue à la sortie du moteur, à l'opposée de la roue. Les caloducs servent à prélever des calories dans une zone chaude pour les transmettre, de l'autre coté, à une zone froide. [0012] La présente solution permet de refroidir non seulement la partie magnétique du moteur, mais aussi la portion de l'arbre interne au roulement adjacent à la roue et interne au joint. [0013]Cette solution permet par ailleurs d'améliorer l'évacuation des calories de la 30 zone la plus chaude du rotor en associant à l'ensemble tournant un moyen d'échange thermique performant et fiable. P10-2740fr - 4 - [0014]La présente solution est particulièrement avantageuse en tant que moyen de refroidissement interne des rotors de moteurs, en particulier de haute performance, utilisés par exemple dans la motorisation des véhicules électriques. [0015]Selon un mode de réalisation avantageux, le caloduc se prolonge à travers le joint d'étanchéité prévu entre le moteur et l'adapteur. [0016]Selon un autre mode de réalisation avantageux, l'axe du caloduc est coaxial à l'axe du rotor. [0017]De manière avantageuse, la zone de condensation est localisée dans la zone correspondant sensiblement au roulement externe du moteur. [0018]Egalement de manière avantageuse, le caloduc est conique, la portion 15 élargie étant du côté de la zone d'évaporation. [0019]Selon une autre variante de réalisation, le caloduc comporte un réservoir de liquide caloporteur prévu au niveau de la zone d'évaporation. 20 [0020]Selon encore un autre mode de réalisation, l'axe du caloduc forme un angle (alpha) par rapport à l'axe de rotation du rotor. [0021]Selon encore un autre mode de réalisation, une pluralité de caloducs sont répartis circonférentiellement le long du pourtour du rotor du moteur. 25 [0022] L'invention prévoit également un moteur électrique pour ensemble d'entraînement tel qu'évoqué précédemment, comportant un caloduc dont la zone d'évaporation s'étend axialement à l'intérieur du roulement interne du moteur. 30 DESCRIPTION DES FIGURES [0023]Tous les détails de réalisation sont donnés dans la description qui suit, P10-2740fr - 5 - complétée par les figures 1 à 8, présentées uniquement à des fins d'exemples non limitatifs, et dans lesquelles: -la figure 1 montre une représentation schématique du principe de fonctionnement d'un caloduc ; -la figure 2 est une coupe d'un ensemble d'entraînement pour véhicule électrique ; -la figure 3 est une vue agrandie d'une coupe transversale d'un ensemble d'entraînement comportant un caloduc selon un premier mode de réalisation ; -la figure 4 est une vue agrandie d'une coupe transversale d'un ensemble d'entraînement comportant un caloduc selon un deuxième exemple de réalisation ; -la figure 5 est une vue agrandie d'une coupe transversale d'un ensemble d'entraînement comportant un caloduc selon un troisième mode de réalisation; -la figure 6 est une vue agrandie d'une coupe transversale d'un ensemble d'entraînement comportant un caloduc selon un quatrième exemple de réalisation ; -la figure 7 est une représentation schématique d'une coupe longitudinale d'un caloduc de forme conique comportant un réservoir de fluide caloporteur ; -la figure 8 est une représentation schématique d'une coupe longitudinale d'un rotor de moteur électrique ou d'arbre récepteur pour un ensemble d'entraînement, comportant une pluralité de caloducs répartis sur la circonférence de l'axe. DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION [0024]Tel que montré schématiquement à la figure 1, un caloduc 1 est une enceinte hermétique contenant un liquide en équilibre avec sa phase vapeur, généralement en l'absence de tout autre gaz. La paroi interne de cette enceinte peut être tapissée d'une structure microporeuse permettant le retour du liquide, par capillarité, de la zone froide de l'enceinte où il vient se condenser vers la partie chaude où il s'évapore. Cette structure microporeuse permet le retour du liquide contre la gravité mais dans certains cas, où les forces s'exerçant sur le fluide sont favorables à son retour vers l'évaporateur, elle n'est pas nécessaire. Le transfert de chaleur s'effectue donc par transformation de la chaleur sensible en chaleur latente. P10-2740fr - 6 - [0025] En l'absence de toute force autre que la gravité, le retour du liquide par capillarité permet une utilisation du caloduc dans presque toutes les positions. [0026]Le caloduc est un système fiable demandant peu ou pas d'entretien, de faible masse et de faible inertie mécanique, passif, ayant les capacités de transmettre des flux thermiques élevés avec un faible écart de température et dont la conductibilité thermique est supérieure de plusieurs centaines de fois à la conductibilité thermique d'une barre de cuivre. Le caloduc peut fonctionner dans toutes les positions (inclinée, horizontale) et peut être installé sur des moteurs déjà existants. [0027]Le matériau actif des caloducs, celui qui s'évapore et se condense, est choisi en fonction de la température à laquelle on veut que le caloduc fonctionne. On utilise par exemple de l'eau, de l'éther ou de l'alcool. [0028] Les caloducs sont de forme préférentiellement cylindrique, constitués d'un tube de bonne conductibilité thermique et si possible métallique. Le cuivre, très bon conducteur, est un des matériaux utilisés. [0029] Les caloducs peuvent aussi être constitués d'un simple trou, borgne ou débouchant avec liquide caloporteur, l'ensemble étant fermé hermétiquement après avoir réalisé le vide d'air. [0030] En vue d'une implantation dans le moteur électrique d'un ensemble d'entraînement selon l'invention, plusieurs types d'agencements de caloduc sont décrits dans ce qui suit. [0031 ]La figure 2 présente un schéma d'implantation général d'un moteur 30 électrique 11 en liaison avec une roue 15 d'un véhicule, pour former un ensemble d'entraînement 10 pour véhicule. Un tel ensemble comporte de préférence une zone de couplage, dans cet exemple un adapteur 16, dans lequel les éléments P10-2740fr - 7 - sont en présence d'huile. Un joint d'étanchéité 20 est prévu entre le moteur électrique 11 et l'adapteur 16 pour éviter le passage de l'huile vers le moteur. Ce joint 20 est souvent un composant susceptible de se détériorer si la température excède un certain seuil. [0032] Dans ce qui suit, diverses solutions sont présentées afin de permettre de favoriser I 'évacuation de la chaleur au niveau du moteur en général, mais aussi au niveau de la zone du joint d'étanchéité 20. [0033]Tel que montré dans la coupe du moteur de la figure 3, un perçage 5, pratiqué dans le rotor 14, fermé hermétiquement avec un liquide caloporteur choisi en fonction de la température de fonctionnement souhaitée, constitue le caloduc. [0034]La zone d'évaporation 2 est prévue dans la zone à refroidir, c'est-à-dire sous le roulement interne 12 et le joint d'étanchéité 20, l'évacuation des calories se faisant à l'entrée du rotor sur lequel on trouve, par exemple, des ailettes 4 usinées ou rapportées pour favoriser le refroidissement. [0035]La coupe du moteur de la figure 4 montre un caloduc de type insert 6 logé co-axialement avec l'axe A-A du rotor 14, la zone d'évaporation 2 étant placée dans la portion à refroidir, c'est-à-dire à l'intérieur du roulement interne 12 et du joint d'étanchéité 20, l'évacuation des calories se faisant à l'entrée du rotor sur lequel on trouve, par exemple, des ailettes 4 usinées ou rapportées pour favoriser le refroidissement. La liaison thermique caloduc/rotor est assurée par une pâte spéciale de contact pour haute température. Le positionnement latéral du caloduc est assuré, par exemple, par un rondelle ou anneau d'arrêt. [0036]Tel que montré dans la coupe du moteur de la figure 5, un perçage 5 conique usiné et fermé hermétiquement avec un liquide caloporteur choisi en fonction de la température de fonctionnement souhaitée, constitue le caloduc. La zone d'évaporation 2 se trouve dans la portion à refroidir, l'évacuation des calories se faisant à l'entrée du rotor modifiée pour une meilleure efficacité de P 10-2740fr refroidissement. [0037]Grâce à la composante axiale de la force centrifuge, la forme conique favorise le retour du fluide caloporteur vers la zone d'évaporation et de ce fait améliore l'efficacité du système. L'angle du cône prenant en compte la vitesse du moteur et le diamètre de l'arbre moteur est avantageusement compris entre 0,3 et 2 degrés. Dans ce mode de réalisation, l'utilisation d'une pâte de contact et d'un système de maintien en position ne sont pas nécessaires. [0038]La figure 6 illustre un caloduc aménagé dans un alésage 5 incliné suivant un angle défini (alpha) en prenant en compte la résistance mécanique de l'arbre. L'angle d'inclinaison (alpha), compris entre 0,3 et 2 degrés, est défini en prenant en compte les paramètres tels que la vitesse du moteur, le diamètre du caloduc et le diamètre du rotor. [0039]La zone d'évaporation 2 du caloduc se trouve dans le rotor 14, ce qui permet le maintien d'une température acceptable radialement intérieurement au roulement 12 et au joint d'étanchéité 20. L'évacuation des calories se fait à l'entrée du rotor 14 sur lequel vient se greffer un élément favorisant le refroidissement tel que des ailettes 4 usinées ou rapportées. [0040]La composante axiale de la force centrifuge due à la position inclinée du caloduc favorise le retour du fluide caloporteur et améliore l'efficacité du système. Le maintien du caloduc dans son logement est assuré, par exemple, par une rondelle ou anneau de verrouillage. La liaison thermique caloduc/arbre est assurée par une pâte de contact spéciale haute température. [0041 ]La figure 7 illustre de façon schématique l'implantation d'un caloduc conique de type alésage 5 au niveau de l'axe du rotor 14 du moteur à refroidir. La zone d'évaporation 2 comprend un réservoir 7 de forme cylindrique aménagé à l'extrémité de la zone élargie du cône. La rotation et la force centrifuge de l'arbre entraînent le liquide 9 du réservoir contre les parois de ce dernier. Une grande P10-2740fr quantité de liquide étant disponible pour évaporation, le rendement du système se trouve ainsi amélioré. [0042]Un autre mode de réalisation montré dans le schéma d'implantation de la 5 figure 8 comporte une pluralité de caloducs de type alésage 5 prévus dans le pourtour du rotor du moteur. La présence de plusieurs sources de refroidissement réparties autour de l'arbre favorise l'évacuation des calories. [0043] Les Figures et leurs descriptions faites ci-dessus illustrent l'invention plutôt 10 qu'elles ne la limitent. En particulier, l'invention et ses différentes variantes viennent d'être décrites en relation avec un exemple particulier comportant un ensemble d'entraînement dans lequel le moteur est connecté à la roue au niveau de la portion radialement extérieure de la roue. 15 [0044] Néanmoins, il est évident pour un homme du métier que l'invention peut être étendue à d'autres modes de réalisation dans lesquels en variantes, le moteur coopère avec une roue à un point de connexion situé à une autre position radiale, voire au centre de la roue. 20 REVENDICATIONS1. Ensemble d'entraînement (10) pour véhicule électrique constitué d'un moteur électrique (11) monté en coopération avec une roue (15) du véhicule afin d'entraîner cette dernière en rotation lorsque ledit moteur est alimenté en énergie électrique, le moteur électrique comportant un rotor (14) monté mobile en rotation dans un stator (19) par l'entremise d'un roulement interne (12) à proximité de la roue (15) et d'un roulement externe (13) à distance de la roue (15), et un ensemble magnétique pourvu d'une portion montée sur le stator et une portion montée sur le rotor, adapté pour entraîner en rotation ledit rotor, le rotor (14) du moteur étant pourvu d'un caloduc (1) comportant au moins une zone de condensation (3) et au moins une zone d'évaporation (2) d'un liquide caloporteur, caractérisé en ce que la zone d'évaporation (2) du caloduc s'étend axialement à l'intérieur du roulement interne (12). 2. Ensemble d'entraînement selon la revendication 1, comportant une zone de couplage pourvue d'un adapteur (16) et dans lequel le caloduc (1) se prolonge à travers un joint d'étanchéité (20) prévu entre le moteur (11) et l'adapteur (16). 3. Ensemble d'entraînement selon l'une des revendications 1 ou 2, dans lequel la zone de condensation (3) est localisée dans la zone correspondant sensiblement au roulement externe (13) du moteur. 4. Ensemble d'entraînement selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel le caloduc est conique, la portion élargie étant du côté de la zone d'évaporation (2). 5. Ensemble d'entraînement selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel le caloduc comporte un réservoir (7) de liquide caloporteur prévu au niveau de la zone d'évaporation. 6. Ensemble d'entraînement selon l'une des revendications 1 à 5, dans lequel l'axe du caloduc (1) est coaxial à l'axe du rotor (14).. Ensemble d'entraînement selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel l'axe (C-C) du caloduc forme un angle (alpha) par rapport à l'axe de rotation (A-A) du rotor. 8. Ensemble d'entraînement selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel une pluralité de caloducs (1) sont répartis circonférentiellement le long du pourtour du rotor (14). 9. Moteur électrique (11) pour ensemble d'entraînement (10) selon l'une des revendications 1 à 8, comportant un caloduc (1) dont la zone d'évaporation (2) s'étend axialement à l'intérieur du roulement interne (12) du moteur. 10. Moteur électrique (11) selon la revendication 9, dans lequel le caloduc (1) se prolonge à travers un joint d'étanchéité (20) prévu entre le moteur (11) et un adapteur (16) de l'ensemble d'entraînement (10).