Brevet FR2999359A1 — publié le 20140613

MACHI NE ELECTRI QUE DOTEE D'UN CIRCUIT 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 demi-coupe une machine électrique 1 discoïde symétrique par rapport à l'arbre de rotation 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 et un double stator 6,7. Le rotor 5, qui porte les aimants permanents, 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 d'un paquet de tôle 8,9 central, autour duquel est enroulé un bobinage 10,11, et est installé dans une culasse 3,4, leur maintien dans ladite culasse 3,4 étant assuré par un goujon 12,13 solidarisé à chaque paquet de tôle 8,9. Pour l'assemblage d'une telle machine électrique, chaque stator 6,7 est d'abord fixé à une culasse 3,4 par l'intermédiaire du goujon 12, 13, puis lesdites culasses 3,4 sont arrimées l'une à l'autre autour du rotor 5. Chaque paquet de tôle 8,9 résulte d'un enroulement serré d'une bande de tôle, et se retrouve au contact d'une surface interne d'une culasse 3,4. 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 selon l'invention disposent d'un système de 30 refroidissement simple, homogène et peu encombrant, permettant de rendre l'opération de refroidissement particulièrement efficace et rapide. Ce système est simple car il ne nécessite pas l'ajout de pièces sophistiquées ou en grand nombre, spécialement dédiées à cette fonction de refroidissement. Il est peu encombrant car il se fond dans la machine électrique, sans engendrer un volume supplémentaire. Il est enfin homogène car il refroidit la machine électrique au moins au niveau de toutes les zones susceptibles de chauffer intensément. L'invention a pour objet une machine électrique à flux axial possédant un boitier de protection enfermant un rotor et au moins un stator. La principale caractéristique d'une machine électrique selon l'invention est qu'elle comprend un circuit de fluide de refroidissement au contact direct du boitier pour refroidir au moins chaque stator. Le terme « au contact » est général et peut tout aussi bien désigner un circuit de refroidissement au contact d'une surface de la paroi constituant le boitier, qu'un circuit de refroidissement creusé dans cette paroi ou un circuit de refroidissement inclus dans ladite paroi. De cette manière, la proximité entre ce circuit de refroidissement et le boitier de la machine électrique va permettre la réalisation d'une opération de refroidissement rapide et efficace, sans générer de pertes de charge importantes. Le fait que ce système soit au contact du boitier diminue l'encombrement général de la machine électrique. Le fluide de refroidissement peut être gazeux ou liquide, et peut avantageusement être constitué par de l'eau. La réserve de fluide circulant dans le circuit de refroidissement peut être incorporée à la machine électrique, ou être externe à celle-ci. Si la machine électrique était placée dans un véhicule pour être par exemple intégré dans une boite de vitesse, son circuit de refroidissement pourrait émaner directement du circuit de refroidissement général dudit véhicule et destiné à refroidir son moteur. De façon préférentielle, la machine électrique comprend deux stators placés en position symétrique par rapport au rotor et le boitier est divisé en deux culasses complémentaires l'une de l'autre, chaque stator étant solidarisé à une culasse, le circuit de fluide de refroidissement étant au contact des deux culasses. La présence de deux culasses se justifie notamment pour des commodités de montage de la machine, en permettant l'assemblage du rotor et des deux stators et du circuit de refroidissement. Chaque culasse peut être matérialisée par une paroi profilée possédant une surface interne et une surface externe. Préférentiellement, chaque culasse est creusée par une conduite pour 5 faire circuler le fluide de refroidissement, chacune desdites conduites possédant une entrée de fluide et une sortie de fluide. Pour cette configuration, le circuit de refroidissement se scinde en deux sous-circuits, chacun étant affecté à une culasse. De cette manière, chaque sous-circuit est indépendant l'un de l'autre, et permet d'obtenir une distribution de fluide de 10 refroidissement homogène dans le boitier. Le terme « conduite » est général et peut désigner un sillon ou une gorge pratiqué dans une paroi de la culasse, ou un canal interne pratiqué à l'intérieur de ladite paroi. L'entrée d'une conduite permet d'acheminer du fluide de refroidissement depuis l'extérieur du boitier dans ladite culasse, et chaque sortie permet d'expulser ledit fluide qui a 15 traversé ladite culasse vers l'extérieur du boitier. De façon avantageuse, chaque culasse comporte une surface interne, chaque conduite comprenant au moins un sillon creusé dans ladite surface interne. De cette manière, le fluide de refroidissement se retrouve inséré entre une culasse et un paquet de tôle d'un stator, permettant un refroidissement 20 de chacun desdits stators par conduction. Une telle configuration favorise les échanges thermiques entre le fluide de refroidissement et chaque stator, en minimisant les pertes de charge. Le fluide peut être soit au contact direct du paquet de tôle du stator, soit séparé de celui-ci par une paroi additionnelle d'étanchéité, ayant une bonne conductivité thermique. 25 Selon un mode de réalisation préféré d'une machine électrique selon l'invention, chaque culasse comprend deux sillons indépendants, chacun des deux sillons d'une même culasse possédant une entrée et une sortie de fluide distinctes. De cette manière, chaque culasse est traversée par deux sillons de fluide, lesdits deux sillons étant supposés répartis dans ladite culasse pour 30 refroidir de façon complète et homogène ladite culasse. Les deux sillons peuvent avoir la même entrée et la même sortie, ou bien avoir des entrées distinctes et des sorties distinctes. Cette configuration souligne que chaque sillon ne peut pas constituer une boucle fermée au sein de la culasse pour laquelle l'entrée et la sortie seraient confondues. Avantageusement, les entrées des deux sillons d'une culasse sont situées d'un même coté de ladite culasse, les sorties desdits sillons étant situées d'un autre coté de ladite culasse. Cette configuration simplifie le montage d'une machine électrique selon l'invention, en plaçant l'arrivée générale du fluide de refroidissement à un endroit spécifique du boitier et en plaçant la sortie générale dudit fluide à un autre endroit spécifique dudit boitier. De façon préférentielle, la machine électrique selon l'invention comprend un distributeur d'entrée de fluide et un distributeur de sortie de fluide fixés sur la surface externe des culasses, le distributeur d'entrée permettant d'acheminer le fluide de refroidissement dans les sillons de chaque culasse et le distributeur de sortie permettant de récupérer le fluide de refroidissement ayant traversé les sillons de chacune desdites culasses. De cette manière, le distributeur d'entrée est une pièce intermédiaire permettant de diviser un circuit principal de circulation de fluide de refroidissement en plusieurs sous-circuits pour alimenter chaque sillon en fluide, tandis que le distributeur de sortie est une pièce intermédiaire permettant de collecter le fluide de refroidissement en provenance desdits sillon pour le réacheminer dans le circuit principal de circulation de fluide. Préférentiellement, le distributeur d'entrée et le distributeur de sortie possèdent chacun une tubulure principale et au moins deux tubulures secondaires, chaque tubulure secondaire étant destinée à être connectée à une entrée ou à une sortie d'un sillon. En effet, chaque tubulure secondaire peut être connectée, soit à une entrée de sillon, soit à une sortie de sillon suivant qu'elle appartient au distributeur d'entrée ou au distributeur de sortie. Chaque distributeur est une pièce mécanique simple, réalisée en matériau léger tel que du plastique. Chaque distributeur possède une tubulure centrale permettant d'assurer la circulation de fluide dans le circuit principal, et plusieurs tubulures secondaires pour alimenter en fluide chaque sillon ou évacuer ledit fluide de chacun desdits sillons. Les sillons constituent des circuits secondaires montés en parallèle sur le circuit principal de fluide de refroidissement. De façon avantageuse, chaque sillon a la forme d'un serpentin et quadrille une zone étendue de la culasse. Ainsi, chaque sillon permet d'acheminer le fluide de refroidissement en suivant une trajectoire tourmentée au sein de la culasse, de manière à étaler la surface de contact entre le fluide de refroidissement et chaque stator, et ainsi améliorer les conditions de refroidissement dudit stator. Le terme « serpentin » est général et désigne un parcours tourmenté, constitué de virages, de coudes, de segments incurvés et/ou rectilignes. Avantageusement, chaque stator comprend un paquet de tôle entouré par un bobinage, un dispositif d'étanchéité comprenant au moins un disque étant inséré entre chaque sillon et ledit paquet de tôle. En effet, il est important d'isoler le fluide qui circule dans chaque sillon, du stator qu'il doit refroidir, sous peine d'entrainer des fuites dudit fluide vers le rotor et les stators, augmentant les risques de pannes et/ou de court-circuit. Préférentiellement, le disque est ajouré et constitue une pièce annulaire de faible épaisseur et réalisée en métal. Il est dimensionné pour obturer chaque sillon d'une culasse de manière à isoler le fluide de refroidissement de chaque stator. Le terme « faible épaisseur » signifie que la conduction thermique à travers ledit disque doit s'effectuer instantanément et sans perte de charges. Le paquet de tôle correspond à la partie du stator, qui est solidarisé à une culasse. Les machines électriques selon l'invention, présentent l'avantage de posséder leur propre circuit de refroidissement, évitant ainsi l'installation d'un équipement supplémentaire, encombrant et coûteux pour l'implantation d'un système de refroidissement extérieur à ladite machine. Elles ont de plus l'avantage de disposer d'un système de refroidissement efficace et rapide, engendrant une bonne répartition du froid pour faire baisser la température des zones sensibles desdites machines. 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 5 à5. La figure 1 est une vue en coupe d'une machine électrique selon l'état de la technique, La figure 2 est une vue en perspective de l'enveloppe extérieure d'une machine électrique selon l'invention, 10 La figure 3A est une vue en perspective du dessus d'un distributeur de fluide de refroidissement d'une machine électrique selon l'invention, La figure 3B est une vue en perspective du dessous d'un distributeur de fluide de refroidissement d'une machine électrique 15 selon l'invention, La figure 4 est une vue en perspective de la partie interne d'une culasse d'une machine électrique selon l'invention, La figure 5 est vue schématique d'un joint d'étanchéité d'une machine électrique selon l'invention. 20 La figure 1 a déjà été décrite. Les pièces communes à la machine électrique de l'état de la technique et à la machine électrique selon l'invention conservent les mêmes numéros de référence sur les figures. 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 25 électrique 100 selon l'invention, est que la machine électrique 100 selon l'invention comprend un circuit de refroidissement 101 fondé sur une circulation d'eau dans chaque culasse 3,4, ledit circuit 101 étant surtout destiné à refroidir les deux paquets de tôle 8,9 de chaque stator 6,7 en contact avec une culasse 3,4. Une réserve d'eau est placée à l'extérieur de la 30 machine électrique 100, et l'eau est distribuée dans chaque culasse 3,4 au moyen d'un distributeur d'entrée 102 fixé sur les deux culasses 3,4. L'eau traverse ensuite les deux culasses 3,4 en refroidissant les paquets de tôle 8,9 qui sont à leur contact, l'eau étant en finalité récupérée par un distributeur de sortie 103 arrimée également sur lesdites culasses 3,4. Le distributeur d'entrée 102 et le distributeur de sortie 103 sont fixés sur une surface externe desdites culasses 3,4 et se retrouvent donc à l'extérieur du boitier 2 de la machine électrique 100, les deux distributeurs étant placés au niveau de deux extrémités opposées dudit boitier 2. Il est supposé que le distributeur d'entrée 102 et le distributeur de sortie 103 sont représentés par deux pièces mécaniques identiques. En se référant aux figures 3A et 3B, un distributeur d'entrée 102 ou de sortie 103 est constitué par un corps principal 104 allongé, délimitant un canal central principal, ledit 104 corps étant prolongé longitudinalement par un embout cylindrique 105 permettant d'allonger ledit canal central. Quatre tubulures secondaires 106,107 prennent naissance au niveau dudit corps central 104, une première paire de tubulures secondaires 106 étant implantée d'un même coté du corps central 104, et une deuxième paire de tubulures secondaires 107 étant implantée au niveau du coté opposé dudit corps 104. Chaque tubulure secondaire 106, 107 présente un coude arrondi permettant de distinguer un premier segment rectiligne 108 et un second segment rectiligne 109, lesdits segments108, 109 étant perpendiculaires l'un à l'autre. Le premier segment 108 de chaque tubulure secondaire 106, 107 est situé entre le corps principal 104 et un second segment 109. Les quatre premiers segments 108 des tubulures secondaires 106, 107 se retrouvent dans le même plan, et les deux seconds segments 109 d'une même paire de tubulures 106, 107 s'inscrivent dans un plan, qui est perpendiculaire au plan des quatre premiers segments 108. Les deux plans dans lesquels s'inscrivent les seconds segments 109 des deux paires de tubulures 106,107 sont parallèles entre eux. Les extrémités libres des deux seconds segments 109 d'une même paire de tubulures secondaires 106, 107 sont reliées entre elles par une embase 110 allongée, dont l'axe longitudinal est parallèle à l'axe de révolution du canal central du corps principal 104. Chaque embase 110 est percée de trous 111, et les deux embases 110 de chaque distributeur 102, 103 sont parallèles entre elles. Les tubulures secondaires 106, 107 sont en communication avec le canal central du corps principal 104 et traversent les embases 110. En se référant à la figure 2, le distributeur d'entrée 102 et le distributeur de sortie 103 sont chacun fixés à la première culasse 3 et à la 5 deuxième culasse 4 par l'intermédiaire de leur embase 110. En effet, une embase 110 d'un distributeur 102, 103 est fixée à une culasse 3,4 par des vis passant dans ses trous 111, et l'autre embase 110 est fixée à l'autre culasse 3,4 également par des vis passant dans ses trous 111. L'eau de refroidissement arrivant dans le canal central du distributeur d'entrée 102 est 10 distribuée dans chaque culasse 3,4 par l'intermédiaire d'une paire de tubulures secondaires 106, 107. En se référant à la figure 4, une culasse 3,4 présente un fond circulaire plan 112, doté d'une ouverture centrale 113 et surmonté par un bord périphérique cylindrique 114 et relevé. Le fond circulaire plan 112 est creusé 15 au niveau de sa surface interne située autour de l'ouverture 113, par deux sillons 115, 116 présentant chacun une trajectoire mouvementée ayant la forme d'un serpentin, et permettant de couvrir une zone surfacique dudit fond 112. Les deux sillons 115, 116 présentent chacun une entrée 117, 118 située au niveau d'une première zone du bord relevé 114, et se terminent chacun par 20 une sortie située au niveau d'une deuxième zone dudit bord relevé 114, ladite deuxième zone étant diamétralement opposée à la première zone autour dudit bord relevé 114. Les deux entrées 117, 118 des sillons 115, 116 débouchent au niveau d'une plateforme 119 plane de la première zone de la culasse 3,4, située en retrait du bord relevé 114. Il en est de même des sorties qui 25 débouchent au niveau d'une plateforme plane de la deuxième zone de la culasse 3,4. Chaque distributeur 102, 103 est implanté sur les deux culasses 3,4 par l'intermédiaire de ses deux embases 110 qui sont mises au contact desdites plateformes 119 puis vissées sur celles-ci. En se référant à la figure 5, afin d'éviter que l'eau circulant dans les 30 sillons 115, 116 de la culasse 3,4 ne soit directement appliquée contre le paquet de tôle 8,9 d'un stator 6,7 et risque donc de fuir à l'intérieur de la machine électrique 1, un disque 120 est inséré entre chacun desdits paquets de tôle 8,9 et chacune desdites culasses 3,4. Ce disque 120 possède une ouverture centrale 121 circulaire et est assimilable à une pièce annulaire. Ce disque 120 est préférentiellement réalisé en métal et sa partie annulaire est percée d'une pluralité de trous 122 pour permettre sa fixation par vissage dans la machine électrique 1. La partie annulaire du disque 120 possède en surépaisseur, au niveau de son bord intérieur 123 et de son bord extérieur 124, une bande de polymère 125 destinée à servir de joint entre le paquet de tôle 8,9 et la culasse 3,4. Chaque trou 122 de ladite partie annulaire est également bordé par une bande périphérique de polymère 125 également pour assurer une bonne étanchéité au niveau des points d'ancrage du disque 120 dans la culasse 3,4. Les bandes de polymères 125 sont déposées sur chacune des deux faces du disque 120. Chaque disque 120 doté de ses bandes de polymère 125, représente un joint d'étanchéité permettant d'isoler le circuit de refroidissement 101 de chaque paquet de tôle 8,9. Le principe de fonctionnement du circuit de refroidissement est le suivant : de l'eau incidente circule dans le canal central du corps principal 104 du distributeur d'entrée 102. Cette eau passe inévitablement par les tubulures secondaires 106, 107 de ce distributeur 102, pour alimenter les sillons 115,116 de chaque culasse 3,4 afin de refroidir par conduction thermique chaque paquet de tôle 8,9 placé au contact du disque d'étanchéité 120 obturant lesdits sillons 115,116. L'eau sort de chaque sillon 115, 116 en empruntant les tubulures secondaires 106, 107 du distributeur de sortie 103 pour converger ensuite vers le canal central du corps principal 104 dudit distributeur 103, avant d'être évacuée dans le circuit de circulation d'eau. Une telle machine électrique peut se retrouver à l'intérieur d'un véhicule, et ce circuit de refroidissement 101 peut être élaboré à partir du circuit de refroidissement principal de ce véhicule, et prévu pour refroidir le moteur dudit véhicule.30 REVENDICATIONS1. Machine électrique (1) à flux axial possédant un boitier (2) de protection enfermant un rotor (5) et au moins un stator (6,7), caractérisée en ce que ladite machine électrique (1) comprend un circuit (101) de fluide de refroidissement au contact direct du boitier (2) pour refroidir au moins chaque stator (6,7). 2. Machine électrique selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comprend deux stators (6,7) placés en position symétrique par rapport au rotor (5) et le boitier (2) est divisé en deux culasses (3,4) complémentaires l'une de l'autre, chaque stator (6,7) étant solidarisé à une culasse (3,4), et en ce que le circuit (101) de fluide de refroidissement est au contact des deux culasses (3,4). 3. Machine électrique selon la revendication 2, caractérisée en ce que chaque culasse (3,4) est creusée par une conduite (115,116) pour faire circuler le fluide de refroidissement, et en ce que chacune desdites conduites (115,116) possède une entrée (117,118) de fluide et une sortie de fluide. 4. Machine électrique selon la revendication 3, caractérisée en ce que chaque culasse (3,4) comporte une surface interne (112), et en ce que chaque conduite comprend au moins un sillon (115,116) creusé dans ladite surface interne (112). 5. Machine électrique selon la revendication 4, caractérisée en ce que chaque culasse (3,4) comprend deux sillons (115,116) indépendants, et en ce que chacun des deux sillons (115,116) d'une même culasse (3,4) possède une entrée (117,118) et une sortie de fluide distinctes. 6. Machine électrique selon la revendication 5, caractérisée en ce que les entrées (117,118) des deux sillons (115,116) d'une culasse (3,4) sont situées d'un même coté de ladite culasse (3,4), et en ce que les sortiesdesdits sillons (115,116) sont situées d'un autre coté de ladite culasse (3,4). 7. Machine électrique selon l'une quelconque des revendications 5 ou 6 caractérisée en ce que en ce qu'il comprend un distributeur d'entrée (102) de fluide et un distributeur de sortie (103) de fluide fixés sur la surface externe des culasses (3,4), et en ce que le distributeur d'entrée (102) permet d'acheminer le fluide de refroidissement dans les sillons (115,116) de chaque culasse (3,4), le distributeur de sortie (103) permettant de récupérer le fluide de refroidissement ayant traversé les sillons (115,116) de chacune desdites culasses (3,4). 8. Machine électrique selon la revendication 7, caractérisée en ce que le distributeur d'entrée (102) et le distributeur de sortie (103) possèdent chacun une tubulure principale (104) et au moins deux tubulures secondaires (106,107), et en ce que chaque tubulure secondaire (106,107) est destinée à être connectée à une entrée (117,118) ou à une sortie d'un sillon (115,116). 9. Machine électrique selon l'une quelconque des revendications 5 à 8, caractérisée en ce que chaque sillon (115,116) a la forme d'un serpentin et quadrille une zone étendue de la culasse (3,4). 10.Machine électrique selon l'une quelconque des revendications 4 à 9, caractérisée en ce que chaque stator (6,7) comprend un paquet de tôles (8,9) entouré par un bobinage (10,11), et en ce qu'un dispositif d'étanchéité (120,125) comprenant au moins un disque (120) est inséré entre chaque sillon (115,116) et ledit paquet de tôle (8,9).