Brevet FR3036551A1 — publié le 20161125

MACHINE ELECTRIQUE TOURNANTE A REFROIDISSEMENT OPTIMISE La présente invention porte sur une machine électrique tournante à refroidissement optimisé. L'invention trouve une application particulièrement avantageuse, mais non exclusive, avec les machines électriques réversibles de forte puissance pouvant fonctionner en mode alternateur et en mode moteur. De façon connue en soi, les machines électriques tournantes comportent un stator et un rotor solidaire d'un arbre. Le rotor pourra être solidaire d'un arbre menant et/ou mené et pourra appartenir à une machine électrique tournante sous la forme d'un alternateur, d'un moteur électrique, ou d'une machine réversible pouvant fonctionner dans les deux modes. Le stator est monté dans un carter configuré pour porter à rotation l'arbre par exemple par l'intermédiaire de roulements. Le rotor comporte un corps formé par un empilage de feuilles de tôles maintenues sous forme de paquet au moyen d'un système de fixation adapté, tel que des rivets traversant axialement le corps du rotor de part en part. Le rotor comporte des pôles formés par exemple par des aimants permanents logés dans des cavités ménagées dans la masse magnétique du rotor, comme cela est décrit par exemple dans le document EP0803962. Alternativement, dans une architecture dite à pôles "saillants", les pôles sont formés par des bobines enroulées autour de bras du rotor. Par ailleurs, le stator comporte un corps constitué par un empilage de tôles minces formant une couronne, dont la face intérieure est pourvue d'encoches ouvertes vers l'intérieur pour recevoir des enroulements de phase. Ces enroulements traversent les encoches du corps du stator et forment des chignons faisant saillie de part et d'autre du corps du stator. Les enroulements de phase sont obtenus par exemple à partir d'un fil continu recouvert d'émail. Ces enroulements sont des enroulements polyphasés connectés en étoile ou en triangle dont les sorties sont reliées à un pont redresseur de tension. 3036551 2 Dans certains types de chaînes de traction de véhicule automobile, une machine électrique tournante réversible de forte puissance est accouplée à la boîte de vitesses du véhicule. La machine électrique est alors apte à fonctionner dans un mode alternateur pour fournir notamment de l'énergie à 5 la batterie et au réseau de bord du véhicule, et dans un mode moteur, non seulement pour assurer le démarrage du moteur thermique, mais également pour participer à la traction du véhicule seule ou en combinaison avec le moteur thermique. Compte tenu de sa puissance importante comprise entre 10kW et 50kW, la machine électrique a tendance à s'échauffer en cours de 10 fonctionnement. L'invention vise à optimiser le refroidissement de ce type de machine, en particulier au niveau du bobinage du stator dans lequel circule des courants de forte intensité. A cet effet, l'invention propose une machine électrique tournante comportant: - un bobinage formé à partir d'un fil recouvert d'émail, et 15 - un circuit de refroidissement parcouru par un liquide de refroidissement, caractérisée en ce que ledit liquide de refroidissement est constitué par de l'huile et en ce que ledit circuit de refroidissement est configuré de telle façon que l'huile vient en contact direct avec ledit fil recouvert d'émail dudit bobinage. 20 L'invention permet ainsi d'améliorer la performance du circuit de refroidissement de la machine donc de diminuer la résistance thermique de la machine et d'augmenter ainsi son couple et sa puissance électrique. Par contact direct, on entend une projection d'huile directe depuis une sortie d'huile vers le fil émaillé sans que l'huile vienne en contact avec un élément 25 intermédiaire, tel qu'une pale de projection de liquide, un déflecteur ou le rotor, avant de venir en contact avec le fil du bobinage. Selon une réalisation, ledit bobinage est réalisé sur un corps d'un stator de ladite machine électrique. Selon une réalisation, ledit circuit de refroidissement est configuré de telle 30 façon que l'huile vient en contact directement avec au moins un chignon dudit bobinage. 3036551 3 Selon une réalisation, l'émail est réalisé à base d'un matériau choisi parmi un des matériaux suivants: polyamide ou polyamide-imide. Selon une réalisation, une épaisseur d'émail est comprise entre 0,1 et 0,3mm. 5 Selon une réalisation, l'huile est sélectionnée parmi les fluides hydrauliques, notamment les huiles de transmission de boîte de vitesses à simple embrayage ou double embrayage ou automatique. Cela permet d'assurer une compatibilité huile/émail pour éviter la détérioration de l'émail donc les court-circuits. 10 Selon une réalisation, ladite machine comporte un rotor monté sur un arbre, ledit arbre étant muni d'au moins un trou de sortie de liquide de refroidissement issu d'un alésage central. Selon une réalisation, ledit circuit de refroidissement comporte un ou plusieurs trous de sortie de liquide de refroidissement réalisés exclusivement 15 dans ledit arbre dudit rotor. De manière étonnante, pour un débit de liquide de refroidissement donné entrant dans la machine, le refroidissement de la machine est ainsi amélioré par rapport à un circuit de refroidissement assurant une répartition du liquide de refroidissement, à la fois dans l'arbre et dans des canaux distincts de l'arbre, par exemple des rainures s'étendant 20 entre le carter et le stator. Selon une réalisation, un plan perpendiculaire passant par un axe d'un trou de sortie de liquide de refroidissement coupe un chignon de bobinage correspondant. Selon une réalisation, ledit arbre comporte au moins deux trous de sortie de 25 liquide de refroidissement. Selon une réalisation, lesdits trous de sortie de liquide de refroidissement sont décalés axialement l'un par rapport à l'autre de telle façon que le liquide de refroidissement passant par l'un des trous est apte à arroser une base d'un chignon et que le liquide de refroidissement passant par l'autre trou de 30 sortie est apte à arroser une extrémité haute dudit chignon. 3036551 4 Selon une réalisation, lesdits trous de sortie de liquide de refroidissement sont répartis angulairement de manière régulière suivant une circonférence de dudit arbre. Selon une réalisation, lesdits trous de sortie de liquide de refroidissement 5 présentent un diamètre identique les uns par rapport aux autres. Selon une réalisation, lesdits trous de sortie de liquide de refroidissement sont de diamètres différents les uns par rapport aux autres. Selon une réalisation, lesdits trous de sortie de liquide de refroidissement sont positionnés d'un seul côté dudit rotor. 10 Selon une réalisation, lesdits trous de sortie de liquide de refroidissement sont positionnés des deux côtés dudit rotor. Selon une réalisation, une puissance de la machine pourra être comprise entre 10kW et 50kW. Selon une réalisation, un diamètre extérieur du rotor est compris entre 8 et 15 14 cm, notamment entre 10 et 12 cm, et vaut de préférence 11 cm. Selon une réalisation, un diamètre extérieur du stator est compris entre 10 et 20 cm, notamment entre 13 et 18 cm, et vaut de préférence 15 cm. Selon une réalisation, ledit arbre comportant une arrivée pour le liquide de refroidissement, l'arrivée est ménagée à une extrémité axiale dudit arbre. 20 Selon une réalisation, ledit arbre comporte un pignon à une extrémité destiné à engrener avec un pignon d'une boîte de vitesses. Selon une réalisation, l'arrivée de liquide de refroidissement est ménagée à l'extrémité axiale de l'arbre du côté de laquelle est positionné le pignon. En variante, l'arrivée de liquide de refroidissement est positionnée du côté 25 opposé du pignon. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit et à l'examen des figures qui l'accompagnent. Ces figures ne sont données qu'à titre illustratif mais nullement limitatif de l'invention. 3036551 5 La figure 1 est une vue en coupe longitudinale d'une machine électrique tournante selon la présente invention; La figure 2 est une vue en perspective de l'arbre de la machine électrique tournante selon la présente invention; 5 La figure 3a est une vue en coupe longitudinal de l'arbre de la machine électrique selon la présente invention illustrant un premier mode de réalisation des trous de sortie de liquide de refroidissement; La figure 3b est une vue en coupe longitudinal de l'arbre de la machine électrique tournante selon la présente invention illustrant un deuxième mode 10 de réalisation des trous de sortie de liquide de refroidissement. Les éléments identiques, similaires, ou analogues conservent la même référence d'une figure à l'autre. La figure 1 montre une machine électrique tournante 10 comportant un stator 11 polyphasé entourant un rotor 12 d'axe X1 monté sur un arbre 13. Le 15 stator 11 est porté par un carter 14 configuré pour porter à rotation l'arbre 13 via des roulements à billes. Le stator 11 de la machine 10 entoure le rotor 12 avec présence d'un entrefer entre la périphérie interne du stator 11 et la périphérie externe du rotor 12. Le rotor 12 est monté sur l'arbre 13 par emmanchement dans une zone 15. On pourra faire subir à l'arbre 13 un 20 traitement thermique afin d'obtenir une dureté suffisante en surface. Cette machine électrique 10 pourra être accouplée à une boîte de vitesses 16 appartenant à une chaîne de traction de véhicule automobile. La machine 10 est alors apte à fonctionner dans un mode alternateur pour fournir notamment de l'énergie à la batterie et au réseau de bord du véhicule, et 25 dans un mode moteur, non seulement pour assurer le démarrage du moteur thermique du véhicule, mais également pour participer à la traction du véhicule seule ou en combinaison avec le moteur thermique. A cet effet, l'arbre 13 comporte un pignon 17 à une extrémité destinée à engrener avec un pignon correspondant de la boîte de vitesses 16. Le 30 pignon 17 pourra par exemple être monté sur l'arbre 13 en faisant coopérer une périphérie interne cannelée du pignon 17 et un tronçon cannelé 18 3036551 6 correspondant de l'arbre 13, bien visible sur la figure 2. La coopération des cannelures longitudinales du tronçon 18 et du pignon 17 permet de lier en rotation le pignon 17 avec l'arbre 13. La puissance de la machine 10 pourra être comprise par exemple entre 5 10kW et 50kW. Dans un exemple de réalisation, un diamètre extérieur du rotor 12 est compris entre 8 et 14 cm, notamment entre 10 et 12 cm, et vaut de préférence 11 cm. Un diamètre extérieur du stator 11 est compris entre 10 et 20 cm, notamment entre 13 et 18 cm, et vaut de préférence 15 cm. Plus précisément, le rotor 12 comporte un corps 19 sous la forme d'un 10 paquet de tôles pour diminuer les courants de Foucault. Des aimants permanents 20 sont implantés dans des ouvertures du corps 19. Les aimants 20 pourront être en terre rare ou en ferrite selon les applications et la puissance recherchée de la machine 10. Alternativement, les pôles du rotor 12 pourront être formés par des bobines. 15 Par ailleurs, le stator 11 comporte un corps 23 en forme de paquet de tôles doté d'encoches, par exemple du type semi-fermées, équipées d'isolant d'encoches pour le montage du bobinage 24. Le bobinage 24 comporte un ensemble d'enroulements de phase traversant les encoches du corps 23 du stator 11 et formant un chignon avant 25a situé du côté du pignon 17 et un 20 chignon arrière 25b situé du côté opposé s'étendant en saillie de part et d'autre du corps 23 du stator 11. Les enroulements de phase sont obtenus par exemple à partir d'un fil continu recouvert d'émail. En variante, les enroulements de phase sont réalisés à partir d'éléments conducteurs en forme d'épingles reliées entre elles par 25 exemple par soudage. Ces enroulements sont par exemple des enroulements triphasés connectés en étoile ou en triangle. Les sorties des enroulements de phase sont reliées à un pont redresseur et/ou onduleur comportant des composants électroniques, tels que des diodes ou des transistors du type MOSFET, notamment lorsqu'il s'agit d'une machine 30 réversible. La machine électrique 10 est refroidie au moyen d'un circuit de refroidissement 28 agencé pour permettre notamment l'écoulement d'un 3036551 7 liquide de refroidissement, en l'occurrence de l'huile, entre le carter 14 et le corps 23 du stator 11, dans la direction de l'axe X1. A cet effet, le circuit de refroidissement 28 comporte une pompe 29 permettant d'acheminer l'huile, dans une chambre de distribution 30 ménagée dans le carter 14, laquelle 5 permet de faire circuler l'huile à l'intérieur de rainures 31 s'étendant axialement le long du stator 11 et répartis angulairement de manière régulière sur la circonférence du stator 11. Le circuit de refroidissement 28 fonctionne en boucle fermée, de telle façon que l'huile est prélevée par la pompe 29 dans un réservoir 39 et est 10 récupérée après circulation dans la machine 10 dans ce réservoir 39. En outre, afin d'améliorer sa performance, le circuit de refroidissement 28 est configuré de telle façon que l'huile vient en contact direct avec le fil recouvert d'émail du bobinage 24. Par contact direct, on entend une projection d'huile directe depuis une sortie d'huile vers le fil émaillé sans que l'huile vienne en 15 contact avec un élément intermédiaire, tel qu'une pale de projection de liquide, un déflecteur ou le rotor 12, avant de venir en contact avec le fil du bobinage 24. A cet effet, comme cela est bien visible sur les figures 3a et 3b, l'huile circule dans un alésage axial 32 réalisé dans l'arbre 13 du rotor 12 et dans des trous 20 de sortie 33 issus de l'alésage 32 ayant un axe X2 d'orientation radiale et débouchant en face des deux chignons 25a, 25b du bobinage 24, c'est-à-dire que chaque plan P1 perpendiculaire à l'axe X1 du rotor 12 passant par un axe X2 d'un trou de sortie 33 de liquide de refroidissement coupe un chignon 25a, 25b correspondant (cf. figures 1 et 3a). 25 En l'occurrence, l'alésage central 32, de configuration borgne, présente une arrivée 34 de liquide de refroidissement correspondant à l'extrémité débouchante de l'alésage 32 ménagée du côté d'une extrémité axiale de l'arbre 13. L'arrivée 34 de liquide est située à l'extrémité axiale de l'arbre 13 du côté de laquelle est positionné le pignon 17. Toutefois, en variante, 30 l'arrivée 34 de liquide pourra être réalisée du côté opposé au pignon 17. Les trous de sortie 33 de liquide de refroidissement sont positionnés des deux côtés du rotor 12. Une telle configuration permet ainsi, compte tenu de 3036551 8 de la pression et de la force centrifuge générée par la rotation de l'arbre 13, de projeter le liquide de refroidissement directement sur les deux chignons 25a, 25b du rotor 12. Afin d'assurer une compatibilité entre l'huile et l'émail pour éviter la 5 détérioration de l'émail donc les court-circuits, l'émail est réalisé à base d'un matériau choisi parmi un des matériaux suivants: polyamide ou polyamideimide. L'huile est sélectionnée parmi les fluides hydrauliques, notamment les huiles de transmission de boîte de vitesses à simple embrayage ou double embrayage ou automatique. L'épaisseur d'émail est comprise entre 0,1 et 10 0,3mm. Avantageusement, comme cela est représenté sur la figure 1, de chaque côté du rotor 12, l'arbre 13 comporte deux trous de sortie 33 de liquide de refroidissement. Comme cela est illustré sur la figure 3a, les trous de sortie 33 situés d'un même côté du rotor 12 pourront présenter des axes X2 alignés 15 l'un par rapport à l'autre. Toutefois avantageusement, comme cela est illustré sur la figure 3b, les trous de sortie 33 situés d'un même côté du rotor 12 sont décalés axialement l'un par rapport à l'autre d'une distance L1, de telle façon que le liquide de refroidissement issu de l'un des trous de sortie 33 est apte à arroser une base d'un chignon 25a, 25b (située du côté du corps 23 du stator 20 11) et que le liquide de refroidissement issu de l'autre trou 33 est apte à arroser une extrémité haute du chignon 25a, 25b (située du côté opposé du corps 23 du stator 11). Les deux trous 33 situés d'un même côté du rotor 12 sont de préférence diamétralement opposés l'un par rapport à l'autre. En variante, comme cela a été représenté sur la figure 2, l'arbre 13 comporte 25 plus de deux trous 33 de chaque côté du rotor 12 qui sont répartis angulairement de manière régulière suivant une circonférence de l'arbre 13. Dans un mode de réalisation avantageux, le circuit de refroidissement 28 est dépourvu de rainures 31 et de la chambre de distribution 30 correspondante. Les trous de sortie 33 de liquide de refroidissement sont alors réalisés 30 exclusivement dans l'arbre 13 du rotor 12. En effet, on s'est aperçu de manière étonnante que pour un débit d'huile donné entrant dans la machine, le refroidissement de la machine est amélioré avec un circuit 28 assurant uniquement une projection d'huile sur les chignons 25a, 25b, via les trous 33 303 6 5 5 1 9 réalisés dans l'arbre 13, par rapport à un circuit 28 assurant une répartition de l'huile disponible entre les trous de sortie 33 de l'arbre 13 et les rainures 31. Dans un exemple de réalisation préféré, le diamètre L2 (cf. figure 3a) de 5 l'arbre 13 dans la zone emmanchée 15 du rotor 12 est de l'ordre de 20mm. La section Sar de l'arbre 13 sans alésage est donc de l'ordre de 0.000314m2. Par ailleurs, le diamètre L3 de l'alésage central 32 dans la zone emmanchée 15 est de l'ordre de 8mm, ce qui correspond à une section de passage de l'huile Sh de l'ordre de 0.00005026m2. Ainsi, le ratio préférentiel R1 entre la 10 section de passage de l'huile Sh et la section Sar de l'arbre 13 est de l'ordre de R1=Sh/Sar=16%. L'alésage central 32 étant réalisé par une technique de perçage profond, il est nécessaire de prévoir une épaisseur minimale de matière au rayon pour la tenue mécanique de l'ordre de 2mm. Le diamètre L3 maximal de l'alésage 15 32 est donc de l'ordre de 16mm, ce qui correspond à une section de passage d'huile maximale valant Shmax= 0.000201m2, soit un ratio maximal valant R1max=Shmax/Sar=64%. Par ailleurs, le diamètre L3 minimal de l'alésage central 32 est de l'ordre de 1mm, ce qui correspond à une section de passage d'huile minimal valant 20 Shmin=0,00000315 m2, soit un ratio minimal valant R1min=Shmin/Sar= 1%. Le ratio R1 est donc compris entre 1`)/0 et 64%. En outre, le diamètre L4 d'un trou de sortie 33 est de l'ordre de 2.4mm, en sorte que la section Ss d'une petite sortie vaut Ss=4.52E-6m2. En conséquence, la section des quatre trous de sortie 33 (deux de chaque côté 25 du rotor 12) S4s = 1.81E-5 m2. Un ratio R2 préférentiel entre la section S4s des trous de sortie 33 et la section Sh de passage de l'huile vaut donc S4s/Sh=36%. Les trous de sortie 33 sont réalisés par un procédé de perçage standard permettant de réaliser des trous de toute dimension. On pourra ainsi par 30 exemple réaliser huit trous de sortie 33 ayant un diamètre L4 minimal de l'ordre de 0.3mm. Dans tous les cas, le diamètre L4 maximal des trous de sortie 33 est inférieur à 4mm, quel que soit le nombre de trous 33. 303 6 5 5 1 10 En outre, un ratio R3 entre une section Ss_am des trous de sortie 33 du côté amont de l'arbre 13 (c'est-à-dire du côté de l'arrivée 34 de liquide de refroidissement) et une section Ss_av des trous de sortie 33 du côté aval de l'arbre 13 (c'est-à-dire du côté opposé de l'arrivée 34 de liquide de 5 refroidissement) R3=Ss_am/Ss_av est compris entre 0,5 et 1.2. Une telle caractéristique permet de garantir une alimentation correcte des trous de sortie 33 en liquide de refroidissement du côté aval. Les trous de sortie 33 présentent en l'occurrence un diamètre L4 identique les uns par rapport aux autres. Toutefois, en variante, les trous de sortie 33 10 pourront être de diamètres L4 différents les uns par rapport aux autres. Avantageusement, un ratio entre une puissance électrique de la machine 10 exprimée en kW et un débit du liquide de refroidissement à l'intérieur du circuit 28 exprimé en Litres/min est compris entre 0.3 et 10, notamment compris entre 0,5 et 4. 15 Le débit de liquide de refroidissement est considéré à l'intérieur de l'alésage central 32. De préférence, la puissance électrique de la machine est d'environ 14kW, ledit ratio est compris entre 1,16 et 2,33 et le débit de liquide de refroidissement est compris entre 6 et 12 L/m in. 20 En variante, les trous de sortie 33 sont positionnés d'un seul côté du rotor 12. En variante encore, un unique trou de sortie 33 est positionné d'un seul côté du rotor 12. Alternativement, le rotor 12 est un rotor bobiné et les trous de sortie 33 de liquide de refroidissement sont réalisés dans l'arbre 13 de façon à arroser 25 directement les chignons du rotor 12 bobiné et/ou du stator 11 pour assurer un refroidissement efficace de la machine. Bien entendu, la description qui précède a été donnée à titre d'exemple uniquement et ne limite pas le domaine de l'invention dont on ne sortirait pas en remplaçant les différents éléments par tous autres équivalents. 30 REVENDICATIONS1. Machine électrique tournante (10) comportant : - un bobinage (24) formé à partir d'un fil recouvert d'émail, et - un circuit de refroidissement (28) parcouru par un liquide de refroidissement, caractérisée en ce que ledit liquide de refroidissement est constitué par de l'huile et en ce que ledit circuit de refroidissement (28) est configuré de telle façon que l'huile vient en contact direct avec ledit fil recouvert d'émail dudit bobinage (24). 2. Machine électrique tournante selon la revendication 1, caractérisée en ce que ledit bobinage (24) est réalisé sur un corps (23) d'un stator (11) de ladite machine électrique. 3. Machine électrique tournante selon la revendication 2, caractérisée en ce que ledit circuit de refroidissement (28) est configuré de telle façon que l'huile vient en contact directement avec au moins un chignon (25a, 25b) dudit bobinage (24). 4. Machine électrique tournante selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que l'émail est réalisé à base d'un matériau choisi parmi un des matériaux suivants: polyamide ou polyamide-20 imide. 5. Machine électrique tournante selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce qu'une épaisseur d'émail est comprise entre 0,1 et 0,3mm. 6. Machine électrique tournante selon l'une quelconque des 25 revendications 1 à 5, caractérisée en ce que l'huile est sélectionnée parmi les fluides hydrauliques, notamment les huiles de transmission de boîte de vitesses à simple embrayage ou double embrayage ou automatique. 7. Machine électrique tournante selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce qu'elle comporte un rotor (12) monté 30 sur un arbre (13), ledit arbre (13) étant muni d'au moins un trou de sortie (33) 3036551 12 de liquide de refroidissement issu d'un alésage central (32). 8. Machine électrique tournante selon la revendication 7, caractérisée en ce que ledit circuit de refroidissement (28) comporte un ou plusieurs trous de sortie (33) de liquide de refroidissement réalisés exclusivement dans ledit 5 arbre (13) dudit rotor (12). 9. Machine électrique tournante selon la revendication 3 en combinaison avec la revendication 7 ou 8, caractérisée en ce qu'un plan (P1) perpendiculaire passant par un axe d'un trou de sortie (33) de liquide de refroidissement coupe un chignon (25a, 25b) de bobinage correspondant. 10 10. Machine électrique tournante selon l'une quelconque des revendications 7 à 9, caractérisée en ce que ledit arbre (13) comporte au moins deux trous de sortie (33) de liquide de refroidissement. 11. Machine électrique tournante selon la revendication 10, caractérisée en ce que lesdits trous de sortie (33) de liquide de 15 refroidissement sont décalés axialement l'un par rapport à l'autre de telle façon que le liquide de refroidissement passant par l'un des trous est apte à arroser une base d'un chignon (25a, 25b) et que le liquide de refroidissement passant par l'autre trou de sortie (33) est apte à arroser une extrémité haute dudit chignon (25a, 25b). 12. Machine électrique tournante selon la revendication 10 ou 11, caractérisée en ce que lesdits trous de sortie (33) de liquide de refroidissement sont répartis angulairement de manière régulière suivant une circonférence de dudit arbre (13). 13. Machine électrique tournante selon l'une quelconque des revendications 10 à 12, caractérisée en ce que lesdits trous de sortie (33) de liquide de refroidissement présentent un diamètre (L4) identique les uns par rapport aux autres. 14. Machine électrique tournante selon l'une quelconque des revendications 10 à 13, caractérisée en ce que lesdits trous de sortie (33) de liquide de refroidissement sont positionnés des deux côtés dudit rotor (12).