Brevet FR3004599A1 — 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 aimanté 5 discoïde 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, ledit bobinage étant 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. La surface d'échange thermique du rotor discoïde est principalement constituée par celle entourant l'entrefer de par et d'autre du rotor. L'épaisseur d'air est très faible et fait face de chaque coté, aux têtes de bobine des deux stators, qui sont des sources de chaleur importantes. Comme les aimants du rotor sont également des sources de chaleur lorsque la machine fonctionne, il est souhaitable de pouvoir dégager la chaleur efficacement et rapidement de ladite machine, afin d'éviter une surchauffe de ladite machine pouvant conduire à un dysfonctionnement et/ou à une usure prématurée de celle-ci. Les machines électriques associées à un dispositif de refroidissement existent et ont déjà fait l'objet de brevet. On peut, par exemple, citer le brevet EP0104450, qui se rapporte à une machine électrique rotative possédant un rotor et un dispositif de refroidissement dudit rotor, ledit dispositif impliquant une pluralité de tubulures d'admission d'air et une pluralité d'ouvertures d'entrée d'air de refroidissement coopérant avec lesdites tubulures. Lorsque le moteur tourne, de l'air pénètre dans la machine et est pressurisé par les tubulures. L'air est ensuite acheminé par les ouvertures vers les zones appropriées du rotor pour les refroidir. De cette manière, le refroidissement du rotor au sein de la machine électrique, est assuré par un brassage d'air. Or, le principal inconvénient de ce type de refroidissement est qu'il demeure d'une qualité incertaine en raison principalement de la mauvaise conductivité thermique de l'air. Une machine électrique selon l'invention dispose d'un système de 15 refroidissement simple et peu encombrant, permettant de refroidir efficacement le rotor de ladite machine. L'invention a pour objet une machine électrique à flux axial comprenant un boitier de protection enfermant un rotor discoïde et au moins un stator, ladite machine étant dotée d'un dispositif de refroidissement du 20 rotor. La principale caractéristique d'une machine électrique selon l'invention, est que ledit dispositif met en oeuvre une source réfrigérante solidaire du boitier et un élément conducteur thermique solidaire du rotor, ledit élément conducteur étant placé au voisinage de ladite source de manière à être refroidi 25 et à communiquer le refroidissement au rotor. L'élément conducteur thermique joue le rôle d'une pièce relais permettant de transmettre le froid en provenance du boitier vers le centre du rotor. Préférentiellement, cette transmission du froid entre l'élément conducteur et le rotor s'effectue par conduction thermique. L'élément conducteur thermique peut par exemple être 30 réalisé dans un métal, et la source réfrigérante peut apparaitre sous la forme d'un circuit de fluide, pouvant être liquide ou gazeux. Le terme « au voisinage » est large, et définit une distance entre l'élément conducteur thermique et la source réfrigérante, permettant audit conducteur thermique d'être facilement et rapidement refroidi par ladite source. Ce terme recouvre la configuration pour laquelle l'élément conducteur thermique et la source de fluide sont au contact l'un de l'autre. Ledit élément conducteur peut être fait d'une seule pièce ou être réalisé en plusieurs tronçons séparés, et judicieusement répartis sur le rotor. De même, la source réfrigérante peut être unique et étendue dans le boitier, ou bien être séparée en plusieurs sources unitaires réparties dans ledit boitier. Il est supposé que le conducteur thermique et la source réfrigérante demeurent au voisinage l'un de l'autre de façon constante et homogène, lorsque la machine fonctionne et que le rotor tourne. Avantageusement, l'élément conducteur est disposé sur le contour du rotor et constitue une extension dudit rotor, la source réfrigérante s'étendant sur la surface interne du boitier parallèlement audit élément. Autrement dit, la source réfrigérante et l'élément conducteur demeurent à une distance constante l'un par rapport à l'autre, sur tout le contour du rotor. Ainsi, lorsque le rotor est mis en rotation pour faire fonctionner la machine, l'élément conducteur et la source réfrigérante conservent une distance de séparation constante de manière à assurer un refroidissement progressif et maitrisé du rotor. De façon préférentielle, le contour du rotor est circulaire et le boitier possède une paroi latérale cylindrique, l'élément conducteur augmentant le diamètre du rotor et la source réfrigérante diminuant le diamètre interne dudit boitier. Autrement dit, l'élément conducteur et la source réfrigérante saillent l'un vers l'autre pour diminuer leur distance de séparation, et ainsi améliorer la qualité de leurs échanges thermiques. Ce rapprochement entre ces deux éléments peut éventuellement vers une interpénétration de ceux-ci. Préférentiellement, l'élément conducteur et la source réfrigérante se chevauchent sans être au contact l'un de l'autre. Ce chevauchement, qui se traduit par une interpénétration de l'élément conducteur et de la source réfrigérante, permet d'accroître leurs surfaces d'échange, et permet ainsi d'intensifier les échanges thermiques entre ces deux pièces. Le fait qu'ils ne soient pas au contact l'un de l'autre permet ne pas entraver la rotation du rotor lors du fonctionnement de la machine, en créant notamment des frottements indésirables. De façon avantageuse, l'élément conducteur comporte au moins une nervure saillante fine, la source réfrigérante possédant au moins un bourrelet saillant. Pour cette configuration, une nervure est une pièce quasiment bidimensionnelle s'étendant dans un plan, tandis qu'un bourrelet présente un certain volume dans les trois dimensions de l'espace. De cette manière, une nervure de faible épaisseur se refroidira facilement et rapidement. Avantageusement, l'élément conducteur comprend plusieurs nervures annulaires et parallèles séparées par des espaces libres, la source réfrigérante comprenant plusieurs bourrelets annulaires et parallèles, destinés à venir se loger dans lesdits espaces libres. L'accroissement du nombre de nervures et du nombre de bourrelets va permettre d'augmenter les échanges thermiques entre la source réfrigérante et l'élément conducteur thermique, et va améliorer les conditions de refroidissement du rotor. De cette manière, lorsque le rotor est placé dans le boitier, l'espace entre le contour extérieur dudit rotor et la surface interne du boitier est occupé par une succession de bourrelets et de nervures en alternance se chevauchant. Il s'agit d'une configuration permettant d'optimiser les échanges thermiques entre la source réfrigérante et le rotor. De façon préférentielle, chaque bourrelet est traversé sur toute sa longueur par un fluide de refroidissement. Il est donc supposé que chaque bourrelet possède un canal interne sur toute sa longueur, pour loger un fluide de refroidissement pouvant être liquide ou gazeux. De cette manière, chaque bourrelet possède une température homogène sur toute sa longueur et permet de transmettre du froid de façon constante à l'élément de conduction thermique du rotor. Avantageusement, chaque bourrelet est réalisé en fonte d'aluminium pour transmettre facilement le froid produit par le fluide vers le conducteur thermique fixé au rotor. Préférentiellement, le fluide de refroidissement est constitué par de l'eau. L'eau constitue un liquide de refroidissement efficace, usuel et peu onéreux. De façon avantageuse, chaque nervure est en aluminium. L'aluminium possède une faible résistivité thermique et est donc particulièrement adapté au dispositif de refroidissement d'une machine électrique selon l'invention. Avantageusement, une machine électrique selon l'invention, 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. 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. 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 posséder un dispositif de refroidissement efficace et sûr, agencé de façon judicieuse dans lesdites machines pour ne pas interférer avec le fonctionnement desdites machines, ni générer un encombrement important. 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 et 2 : 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 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 dispositif de refroidissement du rotor 105 fondé sur l'interaction entre une source réfrigérante 109 solidaire du boitier 102 et un élément conducteur thermique 110 solidaire du rotor 105. Chaque culasse 103,104 comprend un fond plan 111, matérialisé par une paroi circulaire et prolongé par un rebord annulaire 112 périphérique définissant une paroi cylindrique creuse, dont l'axe de révolution est perpendiculaire au plan dudit fond 111. Ainsi, lorsque le boitier 102 est fermé, les deux culasses 103,104 au contact l'une de l'autre forment une pièce possédant un corps cylindrique creux constitué par les rebords 112 des deux culasses 103,104 dans le prolongement l'un de l'autre, les deux extrémités dudit corps étant obturées chacune par la paroi circulaire plane 111 d'une culasse 103,104. La source réfrigérante 109 est constituée par trois bourrelets 113 annulaires en fonte aluminium, lesdits bourrelets 113 tapissant la surface interne 114 du corps cylindrique creux 112 du boitier 102 et saillant vers le centre dudit boitier 102. Les trois bourrelets 113 sont espacés les uns des autres le long de l'axe de révolution du boitier 102 et possèdent chacun une section transversale carré. Ces trois bourrelets 113 s'étendent dans ledit boitier 102 sur 360° et peuvent donc être assimilés à des anneaux fermés. Chaque bourrelet 113 est traversé sur toute sa longueur par un canal interne 115 situé sensiblement en position centrale dans ledit bourrelet 113, lesdits canaux 115 étant prévus pour assurer une circulation d'eau. En effet, un circuit d'alimentation en eau est associé à la machine 100 électrique, de manière à faire circuler de l'eau dans chacun des canaux internes 115 des trois bourrelets 113 saillants. Le rotor 105 est assimilable à un disque circulaire de faible épaisseur, et délimité par un bord périphérique 116. Un conducteur annulaire thermique 110 est fixé sur ledit bord périphérique 116 du rotor 105 de manière à élargir ledit rotor 105. Ce conducteur 110 s'étend autour du rotor 105 sur 360° et a donc tendance à augmenter le diamètre dudit rotor 105. Ledit conducteur 110 présente une embase 117 cylindrique creuse, dont l'axe de révolution est confondu avec celui de l'arbre 108 du rotor 105. Cette embase 117 et le corps cylindrique 112 du boitier 102 sont concentriques, le diamètre de ladite embase 117 étant inférieur à celui dudit corps 112. Sur cette embase 117 émergent quatre nervures annulaires fines 118 et parallèles entre elles, chaque nervure 118 s'étendant sur ladite embase 117 selon une direction radiale par rapport à l'axe de révolution du boitier 102. Chaque nervure 118 s'étend autour du rotor 105 sur 360°. Les nervures 118 sont superposées selon une direction parallèle à l'axe de révolution du boitier 102, et sont espacées les unes des autres par des couloirs annulaires, dont la largeur est supérieure à celle de chaque bourrelet 113 de la source réfrigérante 109 du boitier 102. La largeur des couloirs et la largeur des bourrelets constituent leur dimension prise suivant l'axe de révolution du boitier 102. L'embase 117 est placée sensiblement au niveau du bord périphérique 116 du rotor 105 et constitue la partie du conducteur thermique 110 la plus proche du centre du rotor 105. Les nervures 118 saillent de ladite embase 117 vers l'extérieur du rotor 105 et constituent la partie du conducteur thermique la plus éloignée du centre dudit rotor 105. L'embase 117 et les nervures 118 sont préférentiellement réalisées en aluminium. La section transversale du conducteur thermique 110 constitué de l'embase 117 et des nervures 118 est assimilable à un peigne à quatre dents. Comme le montre la figure 2, la source réfrigérante 109 du boitier 102 et le conducteur thermique 110 du rotor 105 sont agencés l'un par rapport à l'autre, de manière à ce que les bourrelets 113 viennent se placer dans les couloirs séparant les nervures 118 entre elles, sans venir au contact desdites nervures 118 ni de l'embase 117 . De cette manière, l'espace situé entre le bord 116 périphérique du rotor 105 et la surface interne 114 du corps cylindrique creux du boitier 102 est occupé par une succession de bourrelets 113 et de nervures 118 en alternance. Une fois placés dans les couloirs, les bourrelets 113 et les nervures 118 se chevauchent selon une direction radiale du boitier 102 par rapport à son axe de révolution. Ainsi, lors du fonctionnement de la machine 100, le rotor 105 tourne autour de son arbre 108 en étant refroidi par le conducteur thermique 110, qui a été préalablement refroidi par les bourrelets 113 assurant la circulation d'eau. Le conducteur thermique, dont l'agencement avec le rotor 105 et avec le boitier 102 a été optimisé, sert de pièce relais permettant de communiquer efficacement le froid produit par la source réfrigérante 109 du boitier 102, au rotor 105 en rotation.15 REVENDICATIONS1. Machine électrique (1,100) à flux axial comprenant un boitier (2,102) de protection enfermant un rotor (5,105) discoïde et au moins un stator (6,7,106,107), ladite machine (1,100) étant dotée d'un dispositif de refroidissement du rotor (5,105), caractérisée en ce ledit dispositif met en oeuvre une source réfrigérante (109) solidaire du boitier (102) et un élément conducteur thermique (110) solidaire du rotor (105), et en ce que ledit élément conducteur (105) est placé au voisinage de ladite source (109) de manière à être refroidi et à communiquer le refroidissement au rotor (105). 2. Machine électrique selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'élément conducteur (110) est disposé sur le contour (116) du rotor (105) et constitue une extension dudit rotor (105), et en ce que la source réfrigérante (109) s'étend sur la surface interne (114) du boitier (102) parallèlement audit élément (110). 3. Machine électrique selon la revendication 2, caractérisée en ce que le contour (116) du rotor (105) est circulaire et en ce que le boitier (102) possède une paroi latérale (112) cylindrique, l'élément conducteur (110) augmentant le diamètre du rotor (105) et la source réfrigérante (109) diminuant le diamètre interne dudit boitier (102). 4. Machine électrique selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que l'élément conducteur (110) et la source réfrigérante (109) se chevauchent sans être au contact l'un de l'autre. 5. Machine électrique selon la revendication 4, caractérisée en ce que l'élément conducteur (110) comporte au moins une nervure (118) saillante fine, et en ce que la source réfrigérante (109) possède au moins un bourrelet (113) saillant. 6. Machine électrique selon la revendication 5, caractérisée en ce que l'élément conducteur (110) comprend plusieurs nervures (118)annulaires et parallèles, séparées par des espaces libres, et en ce que la source réfrigérante (109) comprend plusieurs bourrelets (113) annulaires et parallèles, destinés à venir se loger dans lesdits espaces libres. 7. Machine électrique selon l'une quelconque des revendications 5 ou 6, caractérisée en ce que chaque bourrelet (113) est traversé sur toute sa longueur par un fluide de refroidissement. 8. Machine électrique selon la revendication 7, caractérisée en ce que le fluide de refroidissement est constitué par de l'eau. 9. Machine électrique selon l'une quelconque des revendications 5 à 9, caractérisée en ce que chaque nervure (118) est en aluminium. 10.Machine électrique selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, 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).