Brevet FR3057118A1 — publié le 20180406

MACHINE ÉLECTRIQUE TOURNANTE À DISSIPATEUR THERMIQUE INTÉGRÉ La présente invention porte sur une machine électrique tournante à dissipateur thermique intégré. 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 accouplées avec un élément tel qu'un réducteur de boîte de vitesses. De façon connue en soi, les machines électriques tournantes comportent un stator et un rotor solidaire d'un arbre. Le stator est monté dans un carter configuré pour porter à rotation l'arbre sur des paliers 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. Le rotor comporte des pôles formés par exemple par des aimants permanents logés dans des cavités ménagées dans la masse magnétique du rotor. 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. Les enroulements de phase sont obtenus par exemple à partir d'un fil continu recouvert d'émail ou à partir d'éléments conducteurs en forme d'épingles reliées entre elles par soudage. Ces enroulements sont des enroulements polyphasés connectés en étoile ou en triangle dont les sorties sont reliées à un module électrique de commande. Ce module électrique de commande est généralement associé à un dissipateur thermique indépendant pour assurer son refroidissement. Dans certains types de chaînes de traction de véhicule automobile assurant la transmission de la puissance mécanique du moteur thermique vers les roues du véhicule, une machine électrique tournante réversible de forte 3057118 2 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 la batterie et au réseau de bord du véhicule, et dans un mode moteur, non seulement pour assurer le démarrage du moteur 5 thermique, mais également pour participer à la traction du véhicule seule ou en combinaison avec le moteur thermique. La présente invention vise à améliorer le refroidissement de la machine électrique tournante. A cette fin, l'invention a pour objet une machine électrique tournante, notamment pour véhicule automobile, comportant: 10 - un stator comportant un corps de stator et un bobinage, le bobinage comportant des enroulements de phase, - le rotor et le stator étant disposés à l'intérieur d'un espace interne défini par un palier avant et un palier arrière, - un module électrique de commande de la machine électrique tournante, 15 caractérisée en ce que - le module électrique de commande est porté par un desdits paliers, ledit palier formant dissipateur thermique de composants électriques, notamment de puissance, du module électrique de commande. L'invention permet ainsi de maximiser le volume d'échange thermique entre 20 les composants du module électrique de commande et l'environnement extérieur, ce qui améliore sensiblement les capacités de refroidissement de la machine électrique tournante. Selon une réalisation, le bobinage comporte des enroulements de phase munis d'extrémités, au moins une extrémité étant reliée électriquement à un 25 composant du module électrique de commande via un terminal de connexion d'un interconnecteur passant par au moins une ouverture réalisée dans le palier formant dissipateur thermique. Selon une réalisation, ledit palier formant dissipateur thermique comporte une chambre de refroidissement agencée pour le passage d'un liquide pour 30 le refroidissement des composants électriques du module électrique de commande. 3057118 3 Selon une réalisation, ledit palier formant dissipateur thermique comporte au moins une cheminée agencée pour recevoir au moins une capacité du module électrique de commande. Selon une réalisation, la chambre de refroidissement est agencée pour 5 refroidir la cheminée. Selon une réalisation, une entrée de liquide de refroidissement est disposée à proximité de la cheminée, de sorte que le liquide de refroidissement passant sous la cheminée soit à une température plus basse que le liquide de refroidissement circulant au niveau d'autres composants du module 10 électrique de commande. Selon une réalisation, le palier avant et le palier arrière délimitent une chambre de refroidissement pour refroidir le corps de stator. Selon une réalisation, la chambre de refroidissement délimitée par le palier avant et le palier arrière est fermée à ses extrémités par deux joints. 15 Selon une réalisation, la chambre de refroidissement du palier formant dissipateur thermique et la chambre de refroidissement délimitée par le palier avant et le palier arrière sont reliées entre elles via un canal. Cela permet au liquide de refroidir le module électrique de commande puis le corps de stator. Selon une réalisation, le canal est ménagé dans le palier formant dissipateur 20 thermique. Selon un autre aspect, l'invention concerne une machine électrique tournante telle que précédemment définie et une boîte de vitesses coopérant avec ladite machine électrique tournante. Selon une réalisation, la boîte de vitesses comporte un manchon annulaire 25 ayant une denture hélicoïdale ménagée dans sa périphérie externe, et des cannelures ménagées dans sa périphérie interne aptes à coopérer avec des cannelures de forme correspondante ménagées sur l'extrémité de l'arbre de la machine électrique tournante. 3057118 4 Il sera ainsi possible d'adapter l'interface de liaison mécanique de la machine électrique avec un élément extérieur (pignon ou courroie) en adaptant le type de manchon coopérant avec l'extrémité cannelée de l'arbre. En effet, ce manchon pourra comporter en périphérie externe des dentures pour 5 engrènement avec un pignon ou une poulie pour coopération avec une courroie correspondante. Le choix de la configuration du manchon dépend de l'application et en particulier de la configuration de l'élément hôte. 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 10 titre illustratif mais nullement limitatif de l'invention. La figure 1 est une vue en perspective d'une machine électrique tournante selon la présente invention; La figure 2 est une vue en coupe longitudinale de la machine électrique tournante selon l'invention accouplée avec un réducteur de vitesse; 15 La figure 3 est une vue en perspective montrant le stator et l'interconnecteur de la machine électrique tournante selon l'invention; La figure 4 est une vue en perspective de la partie arrière de la machine électrique tournante selon la présente invention; La figure 5 est une vue en coupe longitudinale de la partie arrière de la 20 machine électrique tournante selon la présente invention; La figure 6 est une vue en perspective du palier arrière de la machine électrique tournante selon la présente invention. Les éléments identiques, similaires, ou analogues, conservent la même référence d'une figure à l'autre. Dans la suite de la description, on considère 25 une orientation d'avant en arrière, une orientation allant de gauche à droite sur la figure 2. Ainsi, on entend par un élément "avant", un élément situé du côté de l'extrémité cannelée 73 de l'arbre de la machine et par élément "arrière" un élément situé du côté opposé, c'est-à-dire du côté du module électrique de commande 40. 3057118 5 Les figures 1 et 2 montrent une machine électrique tournante 10 comportant un stator 11 polyphasé entourant un rotor 12 monté sur un arbre 13 d'axe X correspondant à l'axe de la machine électrique. Le stator 11 entoure le rotor 12 avec présence d'un entrefer entre la périphérie interne du stator 11 et la 5 périphérie externe du rotor 12. Le stator 11 est monté dans un carter 15 muni d'un palier avant 16 et d'un palier arrière 17. Cette machine électrique 10 est destinée à être accouplée à un réducteur 20 de boîte de vitesses visible en figure 2. La machine est apte à fonctionner dans un mode alternateur pour fournir notamment de l'énergie à la batterie et 10 au réseau de bord du véhicule, et 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. La puissance de la machine pourra par exemple être comprise entre 15kW et 50kW. 15 Plus précisément, le rotor 12 comporte un corps 22 sous la forme d'un paquet de tôles. Des aimants permanents 23 sont implantés dans des cavités du corps 22. Les aimants 23 pourront être en terre rare ou en ferrite selon les applications et la puissance recherchée de la machine. En outre, le rotor 12 comporte deux flasques 26 plaqués chacun contre une face 20 d'extrémité axiale du rotor 12. Ces flasques 26 assurent une retenue axiale des aimants 23 et servent également à équilibrer le rotor 12. Par ailleurs, le stator 11 comporte un corps 27 constitué par un paquet de tôles ainsi qu'un bobinage 28. Le corps 27 est formé par un empilement de feuilles de tôles maintenues sous forme de paquet au moyen d'un système 25 de fixation adapté. Le corps de stator 27 montré sur la figure 3 est muni de dents 30 s'étendant depuis une périphérie interne d'une culasse annulaire 31 et délimitant deux à deux des encoches 32 pour le montage du bobinage 28 du stator 11. Ainsi, deux encoches 32 successives sont séparées par une dent 30. Les 30 encoches 32 débouchent axialement dans les faces d'extrémité axiale et radialement vers l'intérieur du corps de stator 27. 3 0 5 7 1 1 8 6 Le bobinage 28 comporte un ensemble d'enroulements de phase 33 traversant les encoches 32 et formant des chignons 36 s'étendant en saillie de part et d'autre du corps de stator 27. Les enroulements de phase 33 sont obtenus ici à partir d'éléments conducteurs en forme d'épingles reliés entre 5 eux par exemple par soudage. Ces enroulements 33 sont par exemple des enroulements doubles triphasés connectés en étoile. A cette fin, une extrémité des enroulements de phase 33 est reliée au point neutre au moyen de barres de neutre 38 assurant une liaison entre les points neutre des différents enroulements de phase 33. Les autres extrémités 37 de 10 ces enroulements 33, dites sorties de phase, sont destinées à être reliées à un module électrique de commande 40 via un interconnecteur 41. Comme on peut le voir sur la figure 5, le module électrique de commande 40 est porté par le palier arrière 17 formant dissipateur thermique de composants du module électrique de commande 40, notamment de modules 15 de puissance 45. Ces modules de puissance 45 intègrent de façon connue en soi des interrupteurs, prenant par exemple la forme de transistors de type MOS, permettant d'assurer une commande de la machine électrique tournante 10 en mode moteur ou en mode alternateur. Les composants du module électrique de commande 40 sont montés sur la face arrière de la 20 paroi transversale 46 du palier arrière 17. A cet effet, comme montré sur la figure 3, l'interconnecteur 41, ici de forme globalement annulaire, comporte des bornes 48 destinées à être reliées aux sorties de phase 37 et des terminaux de connexion 49 destinés à être connectés électriquement à des pattes 50 des modules de puissance 45 (cf. 25 figure 4). L'interconnecteur 41 permet ainsi d'établir une correspondance entre les sorties de phase 37 et les pattes 50 des modules de puissance 45 qui sont décalées angulairement par rapport aux sorties de phase 37. Les bornes 48 sont ainsi reliées électriquement aux terminaux de connexion 49 via des traces 52 visibles en figure 5 sur lesquelles est surmoulé un corps 30 53 réalisé dans un matériau isolant, tel que du plastique. Les parties surmoulées 54 desquelles sont issues les terminaux de connexion 49 s'étendent en saillie axiale par rapport la portion annulaire de l'interconnecteur 41. 3057118 7 L'interconnecteur 41 est fixé à la face avant de la paroi transversale 46 du palier arrière 17 tournée vers l'intérieur de la machine 10. La fixation de l'interconnecteur 41 pourra être réalisée au moyen d'organes de fixation, par exemple des vis, destinées à coopérer avec des inserts référencés 57 sur la 5 figure 3. L'interconnecteur 41 est ainsi positionné à distance du corps de stator 11, ce qui limite grandement son échauffement. Afin de permettre le positionnement des terminaux 49 de l'interconnecteur 41 en face des pattes 50 des modules de puissance 45, le palier arrière 17 comporte des ouvertures 63 ménagées dans sa paroi transversale 46 pour le 10 passage des terminaux de connexion 49, tel que cela est montré sur la figure 5. Comme on peut le voir sur la figure 2, la machine électrique 10 est configurée, de sorte qu'une extrémité cannelée 73 de l'arbre 13 viennent en prise avec une périphérie interne cannelée 74 de forme correspondante d'un 15 manchon 75. Cela permet ainsi de lier en rotation l'arbre 13 avec le manchon 75. Le manchon 75 pourra également comporter une denture hélicoïdale 76 ménagée dans sa périphérie externe destinée à coopérer avec les dents d'un pignon correspondant du réducteur 20. Afin d'assurer un montage à rotation de l'arbre 13 par rapport au palier avant 20 16, un roulement 77 est intercalé entre l'arbre 13 et le palier avant 16. Le roulement 77 pourra être par exemple un roulement à billes ou à aiguilles. La périphérie externe du roulement coopère avec la périphérie interne d'un nez 85 de la machine. Le nez 85 est constitué par une paroi annulaire s'étendant en saillie axiale par rapport à une paroi transversale 88 du palier avant 16. 25 Par ailleurs, le roulement arrière 103 est monté dans un logement 104 correspondant du palier arrière 17. Avantageusement, la machine électrique 10 est refroidie au moyen d'un circuit de refroidissement 109 permettant l'écoulement d'un liquide de refroidissement, en l'occurrence de l'eau, à l'intérieur de la machine. 30 Ce circuit 109 comporte une entrée 111 ménagée dans le palier arrière 17 et débouchant dans une chambre interne 112 pour la circulation d'un liquide de refroidissement pour le refroidissement du module électrique de commande 3057118 8 40. La chambre 112 est intégrée dans le palier arrière 17, c'est-à-dire que la chambre 112 pourra être réalisée lors du moulage ou de l'usinage du palier 17 pour définir un volume creux à l'intérieur du palier 17. La chambre 112 est ainsi délimitée par des faces internes du palier 17. Une fois que le liquide de 5 refroidissement a circulé dans la chambre 112 ménagée dans le palier 17, le liquide s'écoule vers une chambre 114 délimitée par les paliers avant 16 et arrière 17. A cet effet, le liquide de refroidissement passe par un canal 115 ménagé dans le palier arrière 17 débouchant d'une part dans la chambre 114 définie 10 par les paliers avant 16 et arrière 17 et d'autre part dans la chambre 112 au niveau de la face arrière de la paroi transversale 46 du palier arrière 17. Le canal 115 est réalisé dans une paroi latérale 117 du palier arrière 17, c'est-à-dire que les parois délimitant le canal 115 sont monobloc avec la paroi latérale 117 du palier arrière 17. Le canal 115 pourra par exemple être 15 obtenu par moulage ou usinage de la paroi latérale 117 du palier arrière 17. Après avoir circulé dans la chambre 114 qui s'étend autour du stator 11 pour assurer son refroidissement sur environ 360 degrés, le liquide est évacué via une sortie de liquide 121 visible sur les figures 1 et 6. Plus précisément, le palier avant 16 comporte la paroi transversale 88 munie 20 en son centre du nez saillant 85 ayant une périphérie interne portant le roulement avant et délimitant une ouverture pour le passage de l'arbre 13. Le nez 85 est destiné à s'insérer dans un logement 123 correspondant du carter 98 du réducteur 20 de boîte de vitesses, tel que montré sur la figure 2. Ce nez 85 s'étend axialement dans une direction opposée à celle dans laquelle 25 s'étend une paroi latérale 125. Cette paroi latérale 125 issue de la périphérie externe de la paroi transversale 88 présente une forme annulaire d'orientation axiale. Par ailleurs, le palier arrière 17 comporte une paroi transversale 46 munie en son centre du logement de réception 104 du roulement arrière 103. Comme 30 on peut le voir sur la figure 6, la paroi transversale 46 est également munie de trous 126 pour la fixation par vissage de composants électriques du module électrique de commande 40. Les composants, notamment de puissance, du modules électrique de commande 40 pourront ainsi être en 3 0 5 7 1 1 8 9 contact direct la paroi transversale 46 du palier arrière 17 formant dissipateur thermique et intégrant la chambre de refroidissement 112 pour évacuer les calories des composants du module électrique de commande 40. En outre, au moins une cheminée 124 est issue de la face arrière de la paroi 5 transversale 46. Cette cheminée 124 est agencée pour recevoir au moins une capacité du module électrique de commande. La cheminée 124 est délimitée par une paroi à contour fermé s'étendant axialement dans une direction opposée à celle du nez 85. La paroi formant la cheminée 124 présente sur son contour une pluralité de portions arrondies 127 ayant une 10 forme correspondante de celle des capacités du module électrique 40 qui présentent une forme cylindrique. La chambre de refroidissement 112 est agencée pour refroidir la cheminée 124. A cette fin, la chambre de refroidissement 112 passe en dessous de la cheminée 124. Autrement dit, il existe une superposition partielle en 15 projection axiale suivant l'axe X entre la surface projetée de la cheminée 124 et la surface projetée de la chambre de refroidissement 112. L'entrée de liquide de refroidissement 111 délimitée par une paroi annulaire saillante pour interconnexion avec un conduit de liquide est disposée à proximité de la cheminée 124, de sorte que le liquide de refroidissement soit 20 à une température plus basse que le liquide circulant au niveau des autres composants du module électrique 40, notamment les modules de puissance 45. La paroi transversale 46 pourra également être munie d'oreilles de fixation 129 dépassant radialement et comportant des ouvertures traversantes pour 25 le passage d'organes de fixation, tels que des vis, pour permettre la fixation d'un capot de fermeture 145 sur le palier arrière 17. Le volume interne du capot 145 pourra être rempli de résine pour assurer une étanchéité des composants du module électrique de commande 40. Le palier arrière 17 comporte également une paroi latérale 117 issue de la 30 périphérie externe de la paroi transversale 46. La paroi latérale 117 présente une forme annulaire d'orientation axiale. Le canal 115 est ménagé dans la paroi latérale 117 en étant délimité par des parois monoblocs avec la paroi 3057118 10 latérale 117. En variante, afin d'optimiser l'encombrement radial de la machine électrique 10, le canal 115 pourra être réalisée à l'intérieur de la paroi latérale 117, en étant délimitée par des faces internes de la paroi 117. La sortie 121 de liquide de refroidissement est ménagée dans la paroi 5 latérale 117 et s'étend radialement par rapport à l'axe X. Les parois latérales 117, 125 sont dirigées axialement l'une vers l'autre et s'imbriquent l'une dans l'autre, de telle façon que la périphérie externe de la paroi latérale 125 du palier avant 16 et la périphérie interne de la paroi latérale 117 du palier arrière 17 délimitent la chambre de refroidissement 10 114. Cette chambre de refroidissement 114 est fermée à ses extrémités axiales par deux joints 128 de type torique, tel que montré sur la figure 1. Le stator 11 est monté fretté à l'intérieur du palier avant 16 de manière à établir un contact intime entre la périphérie externe du corps de stator 11 et la périphérie interne de la paroi latérale du palier avant 16. 15 L'arbre 13 est plein ou pourra comporter des canaux de circulation d'un liquide de refroidissement débouchant vers l'intérieur de la machine électrique. Afin d'assurer l'étanchéité de la machine électrique 10, un joint 131 visible notamment en figure 1 et 2 est porté par une périphérie externe du nez 85 20 pour empêcher des particules ou du liquide de pénétrer dans la machine via le roulement 77. Ce joint 131 est radialement disposé entre la périphérie externe du nez 85 et la périphérie interne du logement 123 correspondant ménagé dans le carter 98 du réducteur 20. Ce joint 131 pourra être disposé dans une gorge annulaire ménagée dans la périphérie externe du nez 85. 25 En outre, un joint 135, par exemple de type triple lèvre, pourra également être positionné radialement entre une périphérie externe du manchon 75 et une face du carter 98 délimitant une ouverture pour le passage du manchon 75. Le joint 135 est positionné axialement entre le roulement 136 assurant le guidage en rotation du manchon 75 par rapport au carter 98 du réducteur 20 30 et le roulement avant 77 de la machine électrique tournante 10. 3057118 11 En variante, le module électrique de commande 40 pourra être porté par le palier avant 16. 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 5 en remplaçant les différents éléments par tous autres équivalents. En outre, les différentes caractéristiques, variantes, et/ou formes de réalisation de la présente invention peuvent être associées les unes avec les autres selon diverses combinaisons, dans la mesure où elles ne sont pas incompatibles ou exclusives les unes des autres. 10 REVENDICATIONS1. Machine électrique tournante (10), notamment pour véhicule automobile, comportant: - un stator (11) comportant un corps de stator (27) et un bobinage (28), le 5 bobinage (28) comportant des enroulements de phase (33), - un rotor (12), le rotor (12) et le stator (11) étant disposés à l'intérieur d'un espace interne défini par un palier avant (16) et un palier arrière (17), - un module électrique de commande (40) de la machine électrique tournante, io caractérisée en ce que - le module électrique de commande (40) est porté par un desdits paliers (17), ledit palier formant dissipateur thermique de composants électriques, notamment de puissance, du module électrique de commande (40). 2. Machine électrique tournante selon la revendication 1, caractérisée en ce 15 que le bobinage (28) comporte des enroulements de phase (33) munis d'extrémités (37), au moins une extrémité étant reliée électriquement à un composant du module électrique de commande (40) via un terminal de connexion (49) d'un interconnecteur (41) passant par au moins une ouverture (63) réalisée dans le palier (17) formant dissipateur thermique. 20 3. Machine électrique tournante selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que ledit palier (17) formant dissipateur thermique comporte une chambre de refroidissement (112) agencée pour le passage d'un liquide pour le refroidissement des composants électriques du module électrique de commande (40). 25 4. Machine électrique tournante selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que ledit palier (17) formant dissipateur thermique comporte au moins une cheminée (124) agencée pour recevoir au moins une capacité du module électrique de commande (40). 5. Machine électrique tournante selon les revendications 3 et 4, caractérisée 30 en ce que la chambre de refroidissement (112) est agencée pour refroidir la cheminée (124). 3057118 13 6. Machine électrique tournante selon la revendication 5, caractérisée en ce qu'une entrée (111) de liquide de refroidissement est disposée à proximité de la cheminée (124), de sorte que le liquide de refroidissement passant sous la cheminée (124) soit à une température plus basse que le liquide de s refroidissement circulant au niveau d'autres composants du module électrique de commande (40). 7. Machine électrique tournante selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que le palier avant (16) et le palier arrière (17) délimitent une chambre de refroidissement (114) pour refroidir le corps de 10 stator (11). 8. Machine électrique tournante selon la revendication 7, caractérisée en ce que la chambre de refroidissement (114) délimitée par le palier avant (16) et le palier arrière (17) est fermée à ses extrémités par deux joints (128). 9. Machine électrique tournante selon les revendications 3 et 7, caractérisée 15 en ce que la chambre de refroidissement (112) du palier (17) formant dissipateur thermique et la chambre de refroidissement (114) délimitée par le palier avant (16) et le palier arrière (17) sont reliées entre elles via un canal (115). 10. Machine électrique tournante selon la revendication 9, caractérisée en ce 20 que le canal (115) est ménagé dans le palier (17) formant dissipateur thermique. 11. Ensemble comportant une machine électrique tournante (10) telle que définie selon l'une quelconque des revendications précédentes et une boîte de vitesses coopérant avec ladite machine électrique tournante (10). 25 12. Ensemble selon la revendication 11, caractérisé en ce que la boîte de vitesses comporte un manchon (75) annulaire ayant une denture hélicoïdale ménagée dans sa périphérie externe, et des cannelures ménagées dans sa périphérie interne aptes à coopérer avec des cannelures de forme correspondante ménagées sur l'extrémité de l'arbre (13) de la machine 30 électrique tournante (10).