Brevet FR3004600A1 — publié le 20141017

MACHI NE ELECTRI QUE DOTEE D'UN Cl RCUI T DE REFROI DI SSEMENT INTERNE L'invention se rapporte à une machine électrique dotée d'un circuit de refroidissement interne. Plus précisément, en se référant à la figure 1, représentant en coupe une machine électrique 1 discoïde symétrique par rapport à l'arbre de rotation 8 d'un rotor 5, cette machine électrique 1 de l'état de la technique comprend un boitier 2 de protection externe sous la forme d'une première culasse 3 accolée à une deuxième culasse 4 complémentaire, lesdites culasses 3,4 ainsi assemblées délimitant un espace interne dans lequel sont logés un rotor discoïde aimanté 5 et un double stator 6,7. Le rotor 5, qui porte des aimants permanents permettant de définir une pluralité de pôles, se retrouve en position centrale dans ledit boitier 2, tandis que les deux stators 6,7 sont positionnés de façon symétrique de par et d'autre dudit rotor 5. Chaque stator 6,7 est composé de plusieurs dents régulièrement espacées à sa périphérie. L'avantage du choix de la combinaison entre un nombre donné de dents du stator 6,7 et un nombre donné de pôles du rotor 5 est qu'il est possible de réaliser un bobinage dentaire dans la machine 1, qui est souvent recommandé pour des productions en grande série, comme dans le cas par exemple, de l'industrie automobile. Lorsque ces machines fonctionnent, elles sont amenées à chauffer rapidement en raison du déplacement des pièces du rotor qui le composent, et de la création de courants électriques à l'intérieur de ceux-ci. Afin de maintenir l'état de leur performance constant et d'éviter leur usure prématurée, il est donc impératif de les refroidir sans entraver leur fonctionnement. Les machines électriques associées à un dispositif de refroidissement existent et ont déjà fait l'objet de brevet. On peut, par exemple, citer la demande US2003/0015925, qui se rapporte à une machine électrique dotée d'un dispositif de refroidissement fondé sur la circulation d'un fluide, pouvant par exemple être de l'air, dans des passages à l'intérieur des stators. Plus précisément, le fluide de refroidissement passe à travers des canaux situés dans un espace entre des disques d'enroulement afin de refroidir efficacement lesdits disques. Le dispositif de refroidissement décrit dans cette demande présente l'inconvénient de ne pas être complet, dans la mesure où il n'est pas configuré pour refroidir spécifiquement le rotor. Une machine électrique selon l'invention dispose d'un système de refroidissement simple, homogène et peu encombrant, permettant de refroidir efficacement et de façon complète, toutes les zones de ladite machine susceptibles de chauffer intensément, notamment celles d'un stator et celles d'un rotor. L'invention a pour objet une machine électrique à flux axial comprenant un boitier de protection enfermant un rotor et au moins un stator, et un système de refroidissement fondé sur un circuit de fluide. La principale caractéristique d'une machine électrique selon l'invention, est que le fluide est liquide, le système de refroidissement comprenant au moins un organe d'émission placé sur le circuit de fluide et apte à projeter dudit fluide sur les zones chaudes de chaque stator et du rotor. De cette manière, le refroidissement de la machine est assuré par une projection maitrisée, en termes de direction et de débit, d'un fluide de refroidissement sur les zones particulièrement chaudes de la machine électrique, généralement constituées par les têtes de bobine du stator et le rotor aimanté. Préférentiellement, cette projection est réalisée au moyen d'un jet directif dont la pression est calibrée. Selon d'autres variantes de réalisation d'une machine électrique selon l'invention, les projections de fluide peuvent être effectuées sous la forme de fines gouttelettes ou sous la forme d'un spray. Le fluide liquide peut par exemple être constitué par de l'eau ou de l'huile. Selon un premier mode de réalisation préféré d'une machine électrique selon l'invention, l'organe d'émission est unique et comprend une pluralité de buses orientées vers les parties chaudes de la machine. Selon un autre mode de réalisation préféré d'une machine électrique selon l'invention, ladite machine comporte plusieurs organes d'émission séparés, chacun étant orienté précisément vers une zone de la machine à refroidir. Chaque organe d'émission utilise une fraction du fluide circulant dans le circuit de refroidissement. Les projections de fluide sur les parties chaudes de la machine peuvent être, soit commandées à des périodes prédéterminées, soit être permanentes lorsque la machine fonctionne. Avantageusement, la machine comprend deux stators placés en position symétrique par rapport au rotor, le boitier étant divisé en deux culasses complémentaires l'une de l'autre, chaque stator étant au contact d'une culasse et le circuit de fluide de refroidissement passant dans chacune desdites culasses. Les machines électriques à flux axial à double stator sont actuellement développées pour diverses applications, dans le cadre notamment des énergies hydroliennes et éoliennes, et du secteur de l'industrie automobile relatif à la traction électrique et hybride. Ces machines présentent plusieurs avantages : couples massique et volumique, capacité de surcharge thermique du stator à cause d'une grande surface disponible pour le refroidissement de celui-ci. De façon préférentielle, chaque culasse présente une paroi plane creusée par une conduite dans laquelle circule le fluide de refroidissement, et est dotée de plusieurs organes d'émission implantés dans ladite conduite pour projeter du fluide sur un stator et sur le rotor. La conduite peut par exemple être représentée par un sillon creusé dans la paroi plane d'une culasse, ou être matérialisée par un canal située à l'intérieur de ladite paroi. Chaque organe d'émission va ainsi projeter une fraction du fluide circulant dans la conduite de la paroi plane de chaque culasse vers les zones chaudes de chaque stator et du rotor. Préférentiellement, la conduite de fluide d'une culasse comprend au moins une galerie circulaire et deux galeries radiales en communication avec chaque galerie circulaire et débouchant vers l'extérieur de ladite culasse, une galerie radiale servant à alimenter en fluide chaque galerie circulaire et l'autre galerie radiale servant à évacuer ledit fluide de chacune desdites galeries circulaires. Le circuit de fluide comprend ainsi deux boucles, chacune étant implantée dans une culasse. Les organes d'émission vont ainsi être implantés sur chaque galerie circulaire, permettant de réaliser plusieurs projections de fluide réparties de façon homogène au sein de la culasse. De plus, la circulation de fluide dans chaque galerie circulaire de la culasse va permettre de refroidir le stator par conduction thermique, car ledit stator est au contact de ladite culasse. De façon avantageuse, chaque organe d'émission est constitué par un gicleur. Préférentiellement, un tel gicleur existe déjà et est conventionnellement utilisé pour le refroidissement des jupes de piston d'un moteur thermique. Avantageusement, chaque gicleur est implanté dans la paroi plane de la culasse de manière à projeter du fluide dans une direction perpendiculaire au plan de ladite paroi et vers l'intérieur de ladite culasse. L'intérieur de la culasse est constitué par un espace dans lequel vient se loger un stator. De façon préférentielle, chaque culasse est dotée de gicleurs courts pour envoyer du fluide sur un stator, et de gicleurs longs pour envoyer du fluide sur le rotor. Le rotor étant généralement positionné au centre de la machine, il se retrouve plus éloigné de la paroi de la culasse que ne l'est un stator. Ainsi, de façon avantageuse, les gicleurs longs devront traverser un stator pour pouvoir atteindre ledit rotor. Préférentiellement, la conduite de chaque culasse est dotée d'une pluralité de trous destinés à recevoir chacun un gicleur. De façon avantageuse, chaque gicleur est fixé à la paroi plane d'une culasse par vissage ou par frettage. Il est important de souligner que chaque gicleur soit être arrimé à la paroi d'une culasse de façon solide et inamovible, de façon à ne pas créer de fuites de fluide au niveau de la surface de contact entre le gicleur et la paroi de la culasse. Avantageusement, le circuit de fluide est un circuit d'huile fermé comprenant une pompe à huile, l'huile circulant dans les deux culasses du boitier et baignant partiellement le rotor. L'huile qui est projetée par les organes d'émission sur chaque stator et sur le rotor, demeure ainsi confinée dans la machine électrique. Une fois que l'huile a été projetée pour opérer un refroidissement sur les parties chaudes de la machine, elle peut ensuite couler par inertie le long d'un stator et du rotor, et être récupérée dans un bac faisant partie intégrante du circuit d'huile fermé. Les machines électriques selon l'invention, présentent l'avantage de posséder un circuit de refroidissement intégré, évitant ainsi l'installation d'un équipement extérieur, encombrant et coûteux, pour réaliser cette opération de refroidissement. Elles ont de plus l'avantage de pouvoir être refroidies de façon homogène et complète grâce à une orientation adaptée des organes d'émission pouvant projeter un fluide de refroidissement sur toutes les zones chaudes desdites machines. Elles présentent enfin l'avantage d'être d'un coût maitrisé car elles mettent en oeuvre des gicleurs déjà existants pour assurer d'autres fonctions et qui n'ont donc pas besoin d'être crées spécifiquement pour cette fonction de refroidissement, et car le fluide de refroidissement utilisé est également usuel et peu onéreux. On donne ci-après une description détaillée d'un mode de réalisation préféré d'une machine électrique selon l'invention, en se référant aux figures 1 à 6B. La figure 1 est une vue schématique en coupe d'une machine électrique selon l'état de la technique, sans système de refroidissem ent, La figure 2 est une vue schématique en coupe d'une machine électrique selon l'invention, La figure 3A est une vue en perspective de la partie externe d'une culasse d'un boitier d'une machine électrique selon l'invention, La figure 3B est une vue en perspective de la partie interne de la culasse de la figure 3A, La figure 4A est une vue en perspective d'un gicleur long et destiné à être implanté dans une machine électrique selon l'invention, La figure 4B est une vue en perspective d'un gicleur court et destiné à être implanté dans une machine électrique selon l'invention, La figure 5 est une vue agrandie en perspective partielle de la partie externe d'une culasse dans laquelle est logé un stator, La figure 6 est une vue agrandie en perspective partielle de la partie interne de la culasse de la figure 3B dans laquelle sont montés des gicleurs, La figure 7 est une vue agrandie en perspective partielle de la partie interne de la culasse de la figure 3B dans laquelle est logé un stator. La figure 1 a déjà été décrite. En se référant à la figure 2, la principale différence technique entre une machine électrique 1 selon l'état de la technique et une machine électrique 100 selon l'invention, est que la machine électrique 100 selon l'invention comprend un système de refroidissement fondé sur un circuit d'huile 101 de refroidissement, dans lequel sont implantés des gicleurs 150,151 destinés à projeter de l'huile sur chaque stator 106,107 et sur le rotor 105 afin de les refroidir. Ce circuit comprend une pompe à huile 110 placée à l'extérieur de la machine électrique 100, deux tubulures de liaison 111,112 entre ladite pompe 110 et les deux culasses 103,104 du boitier 102, une boucle d'alimentation 113 en huile placée dans chacune desdites culasses 103,104 et les gicleurs 150,151 fixés sur chacune desdites boucles 113. En se référant aux figures 3A et 3B, une culasse 103,104 se présente sous la forme d'une paroi circulaire 114 de faible épaisseur et dotée d'une ouverture centrale circulaire 115, ladite paroi circulaire 114 étant prolongée au niveau de sa périphérie par un bord annulaire 116 définissant un cylindre creux, dont l'axe de révolution est perpendiculaire au plan de ladite paroi 114. L'espace délimité par la paroi circulaire 114 et le bord annulaire 116 correspond à la partie interne de la culasse 103,104 qui est destinée à loger un stator 106,107. En se référant à la figure 3A, la paroi circulaire 114 présente une boucle d'alimentation 113 en huile constituée de trois galeries 117,118,119 annulaires concentriques et deux galeries radiales 120,121, chacune desdites galeries radiales 120,121 étant en communication avec chacune desdites galeries concentriques 117,118,119 et débouchant sur le bord annulaire 116 de la culasse 103,104. Ces cinq galeries sont assimilables à des canaux situés à l'intérieur de la paroi circulaire 114. Une galerie 120 radiale sert à acheminer de l'huile vers les trois galeries concentriques 117,118,119 et l'autre galerie radiale 121 sert à évacuer l'huile qui a préalablement circulé dans les trois galeries concentriques 117,118,119 vers l'extérieur de la culasse 103,104. Préférentiellement les trois galeries annulaires concentriques 117,118,119 ne s'étendent pas sur 360°, mais plutôt sur une plage angulaire comprise entre 270° et 360°, les deux extrémités de chacune desdites galeries 117,118,119 débouchant dans une galerie radiale 120,121. En se référant à la figure à la figure 3B, des trous de perçage 122 sont réalisés dans les cinq galeries 117,118,119,120,121 de la paroi circulaire 114 de chaque culasse 103,104 pour implanter les gicleurs 150,151. Comme le montrent les figures 3B et 4, ces trous 122 sont réalisés dans l'épaisseur restante de ladite paroi 114, séparant chacune desdites galeries 117,118,119,120,121 et l'espace interne de chaque culasse 103,104 destiné à loger un stator 106,107. En se référant à la figure 3B, ces trous 122 sont équitablement répartis le long des galeries 117,118,119,120,121. En se référant à la figure 6, deux types de gicleurs 150,151 sont implantés dans les trous 122 de la paroi circulaire 114: des gicleurs 150 longs destinés à projeter de l'huile sur le rotor 105 et des gicleurs courts 151 destinés à projeter de l'huile sur un stator 106,107. En se référant à la figure 4A, un gicleur long 150 se compose d'un corps cylindrique 123 doté d'une ouverture 124 sur sa paroi latérale, d'une collerette élargie 140 et d'une buse cylindrique allongée 125, la collerette 140 séparant ledit corps 123 et ladite buse 125. Un tel gicleur 150 présente un axe longitudinal de révolution traversant le corps 123, la collerette 140 et la buse 125. La collerette 140 va servir d'organe d'appui contre la paroi 114 d'une culasse 103,104, pour permettre au gicleur 150 d'être fixé avec précision et stabilité contre ladite paroi 114. Une fraction de l'huile d'une galerie 117,118,119,120,121 va pénétrer dans le gicleur 150 par l'ouverture 124 de son corps 123, puis va être projeté hors de la buse 125, sous la forme d'un jet directif. En se référant à la figure 4B, un gicleur court 151 comporte un corps cylindrique 126 doté d'une ouverture 127 sur sa paroi latérale, et une buse 128 sensiblement cylindrique et raccourcie, prolongeant ledit corps 126. Un tel gicleur 151 présente un axe longitudinal de révolution traversant le corps 126 et la buse 128. La buse 128 est configurée comme une collerette pour servir également d'organe d'appui au gicleur 151 contre la paroi 114 d'une culasse 103,104. En se référant à la figure 6, chaque gicleur 150,151 est implanté dans une galerie 117,118,119,120,121 de sorte que son axe longitudinal de révolution s'étende perpendiculairement à la surface annulaire 114 de chaque culasse 103,104. Plus précisément, le corps 123,126 de chaque gicleur 150,151 se retrouve dans une galerie 117,118,119,120,121 à l'intérieur de la paroi 114, et chaque buse 125,128 est orientée vers l'intérieur de chaque culasse 103,104 de manière à pouvoir projeter de l'huile vers un stator 106,107 et le rotor 105. En se référant aux figures 5 et 7, un stator 106,107 présente un support annulaire 129 duquel émergent plusieurs dents 130 équitablement réparties autour dudit support 129. Chacune des dents 130 s'étend parallèlement à la surface du support annulaire 129 et est reliée audit support 129 au moyen d'un pied 131 rétréci. Un bobinage 132 est réalisé autour dudit pied 131, entre le support 129 et chaque dent 130, ledit bobinage 132 débordant autour de chacune desdites dents 130. Les gicleurs courts 151 sont implantés dans la paroi annulaire 114 de la culasse 103,104 de manière à ce que l'extrémité de leur buse 128 arase la surface interne de ladite paroi 114, et débouche sur une zone précise d'un bobinage 132 du stator 106,107. Il est supposé que chaque stator 106,107 est toujours fixé dans la même position au sein de la électrique 100. En se référant à la figure 7, chaque stator 106,107 est percé de plusieurs trous traversants 133 régulièrement espacés autour de son support 129. Plus exactement, chacun desdits trous 133 traverse le support 129, un pied rétréci 131 et la dent 130 portée par ledit pied 131. Ces trous 133 passent par le centre de chaque dent 130, et sont dimensionnés pour être traversées par les buses allongées 125 des gicleurs longs 150. De cette manière, les gicleurs longs 150 traversent un stator 106,107 pour pouvoir projeter de l'huile directement sur le rotor 105 placé en position centrale dans la machine électrique 100. L'huile, qui est projetée sur les bobinages 132 des stators 106,107 et sur le rotor 105 au moyen des différents gicleurs 150,151 implantés dans les parois circulaires planes 114 des culasses 103,104, est ensuite récupérée dans un bac 134 interne à la machine électrique 100 et dans lequel baigne au moins partiellement ledit rotor 105. REVENDICATIONS1. Machine électrique (1,100) à flux axial comprenant un boitier (2,102) de protection enfermant un rotor (5,105) et au moins un stator (6,7,106,107), et un système de refroidissement fondé sur un circuit de fluide (101), caractérisée en ce que le fluide est liquide, et en ce que le système de refroidissement comprend au moins un organe d'émission (150,151) placé sur le circuit (101) de fluide et apte à projeter dudit fluide sur les zones chaudes de chaque stator (106,107) et du rotor (105). 2. Machine électrique selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comprend deux stators (106,107) placés en position symétrique par rapport au rotor (105), et en ce que le boitier (102) est divisé en deux culasses (103,104) complémentaires l'une de l'autre, chaque stator (106,107) étant au contact d'une culasse (103,104) et le circuit (101) de fluide de refroidissement passant dans chacune desdites culasses (103,104). 3. Machine électrique selon la revendication 2, caractérisée en ce que chaque culasse (103,104) présente une paroi plane (114) creusée par une conduite (113) dans laquelle le fluide de refroidissement, et en ce que chaque culasse (103,104) est dotée de plusieurs organes d'émission (150,151) implantés dans ladite conduite (113) pour projeter du fluide sur un stator (106,107) et sur le rotor (105). 4. Machine électrique selon la revendication 3, caractérisée en ce que la conduite (113) de fluide d'une culasse (13,104) comprend au moins une galerie circulaire (117,118,119) et deux galeries radiales (120,121) en communication avec chaque galerie circulaire (117,118,119) et débouchant vers l'extérieur de ladite culasse (103,104), une galerie (120) radiale servant à alimenter en fluide chaque galerie circulaire (117,118,119) et l'autre galerie radiale (121) servant à évacuer ledit fluide de chacune desdites galeries circulaires (117,118,119). 5. Machine électrique selon l'une quelconque des revendications 3 ou 4, caractérisée en ce que chaque organe d'émission est constitué par un gicleur (150,151). 6. Machine électrique selon la revendication 5, caractérisée en ce que chaque gicleur (150,151) est implanté dans la paroi plane (114) de la culasse (103,104) de manière à projeter du fluide dans une direction perpendiculaire au plan de ladite paroi (114) et vers l'intérieur de ladite culasse (103,104). 7. Machine électrique selon l'une quelconque des revendications 5 ou 6, caractérisée en ce que chaque culasse (103,104) est dotée de gicleurs courts (151) pour envoyer du fluide sur un stator (106,107) et de gicleurs longs (150) pour envoyer du fluide sur le rotor (105). 8. Machine électrique selon l'une quelconque des revendications 5 à 7, caractérisée en ce que la conduite (113) de chaque culasse (103,104) est dotée d'une pluralité de trous (122) destinés à recevoir chacun un gicleur (150,151). 9. Machine électrique selon la revendication 8, caractérisée en ce que chaque gicleur (150,151) est fixé à la paroi plane (114) d'une culasse (103,104) par vissage ou par frettage. 10.Machine électrique selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisée en ce que le circuit de fluide (101) est un circuit d'huile fermé comprenant une pompe à huile (110), et en ce que l'huile circule dans les deux culasses (103,104) du boitier (102) et baigne partiellement le rotor (105).