Brevet FR3073579A1 — publié le 20190517

COMPRESSEUR ELECTRIQUE COMPORTANT UN SYSTEME DE REFROIDISSEMENT PAR AIR INTEGRE [0001] La présente invention porte sur un compresseur électrique comportant un système de refroidissement par air intégré. L'invention trouve une application particulièrement avantageuse, mais non exclusive, dans le domaine des moteurs thermiques de véhicules automobiles. [0002] Il est connu d'équiper un moteur thermique d'un système de suralimentation, tel qu'un turbocompresseur, afin d'augmenter les performances du moteur thermique par rapport à sa cylindrée. En effet, en respect des nouvelles normes anti-pollution, la tendance des constructeurs automobiles est de réduire la cylindrée d'un moteur thermique pour le même type de véhicule afin de contribuer à la réduction des polluants émis par le véhicule, obtenir un gain en consommation de carburant, et réduire le volume d'encombrement et la masse du moteur thermique. [0003] Pour compenser cette perte de cylindrée, le moteur est avantageusement équipé d'un système de suralimentation avec au moins un turbocompresseur utilisant l'énergie contenue dans les gaz d'échappement pour entraîner un compresseur, ce dernier fournissant de l'air à une pression élevée à l'admission du moteur afin d'optimiser le remplissage des cylindres. [0004] Les moteurs suralimentés à l'aide d'un tel dispositif ont l'inconvénient de présenter un temps de réponse important dans les phases où il existe un besoin de puissance alors que le turbocompresseur ne dispose pas de suffisamment d'énergie fournie par l'échappement. Une solution connue pour répondre à ce problème consiste à assister le turbocompresseur par un compresseur électrique. [0005] Le compresseur électrique peut être activé dans les deux cas suivants : - soit en phase transitoire pour réduire la dynamique du turbocompresseur et améliorer le temps de réponse en couple du moteur thermique, - soit en phase stabilisée pour augmenter le couple à bas régime du moteur thermique. Le compresseur électrique pourra être désactivé dans les autres phases de vie dans lesquelles il n'est pas sollicité. 2 [0006] Le moteur électrique du compresseur dégage de la chaleur qu'il est nécessaire d'évacuer afin d'éviter une surchauffe de l'électronique de puissance du compresseur pouvant engendrer son endommagement. Généralement, pour que les composants assurent leurs prestations nominales, le moteur électrique du compresseur est raccordé à 5 un système de refroidissement du moteur thermique à basse température dont le liquide de refroidissement présente une température inférieure à 90°C. Ce système de refroidissement est composé de conduits de liquide de refroidissement, d'un échangeur, d'une pompe à eau spécifique, et de connecteurs. Il a donc un impact important sur le coût global du système ainsi que sur l'encombrement, dans la mesure où il est nécessaire de réserver un volume 10 fonctionnel conséquent pour intégrer le système dans l'espace sous-capot. [0007] L'invention vise à remédier efficacement à ces inconvénients en proposant un compresseur électrique notamment pour moteur thermique de véhicule automobile, caractérisé en ce qu'il comporte: - un conduit d'écoulement d'air dans lequel est apte à circuler un flux d'air principal, 15 - un moteur électrique comprenant un stator et un rotor, et - un mécanisme de compression apte à être entraîné par le moteur électrique, caractérisé en ce que ledit conduit d'écoulement d'air est configuré pour séparer, en amont du moteur électrique, le flux d'air principal en: - un premier flux d'air passant entre le stator et le rotor pour évacuer une chaleur générée 20 par une face interne du stator, et - un deuxième flux d'air passant à l'extérieur du stator pour évacuer une chaleur générée par une face externe du stator. [0008] L'invention permet ainsi, en intégrant un système de refroidissement par air, de supprimer le circuit de liquide de refroidissement basse température nécessaire pour 25 refroidir le compresseur électrique. L'invention permet donc de réduire le coût global du système en supprimant les composants du circuit de liquide de refroidissement (conduit d'eau, échangeur, connecteur, et autres). En outre, l'invention permet de proposer une architecture compacte permettant de libérer un volume sous-capot pour l'implantation d'autres composants du moteur thermique. L'invention permet également d'améliorer la puissance de refroidissement par rapport à un système monof lux dans la mesure où elle permet de refroidir à la fois la face interne et la face externe du stator. 3 [0009] Selon une réalisation, le conduit d'écoulement d'air est configuré de telle façon que le premier flux d'air et le deuxième flux d'air se rejoignent entre le moteur électrique et une entrée du mécanisme de compression. [0010] Selon une réalisation, le compresseur électrique comporte des nervures orientées 5 radialement par rapport à un axe du moteur électrique. [0011] Selon une réalisation, le compresseur électrique comporte au moins un déflecteur disposé dans le conduit d'écoulement d'air pour imprimer un mouvement de rotation au flux d'air principal dans le même sens que le mécanisme de compression. [0012] Selon une réalisation, le moteur électrique est monté entre une entrée d'air du 10 conduit d'écoulement d'air et le mécanisme de compression. [0013] Selon une réalisation, le mécanisme de compression comporte une roue. [0014] Selon une réalisation, la roue est liée mécaniquement au rotor de sorte que la roue et le moteur électrique sont alignés suivant un même axe. [0015] Selon une réalisation, un module électronique de puissance apte à piloter le moteur 15 électrique est intégré à un carter du compresseur électrique. [0016] Selon une réalisation, un module électronique de puissance apte à piloter le moteur électrique est déporté par rapport à un carter du compresseur électrique. [0017] L'invention a également pour objet un ensemble comportant un moteur thermique et un compresseur électrique tel que précédemment défini. 20 [0018] 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'a titre illustratif mais nullement limitatif de l'invention. [0019] La figure 1 est une représentation schématique d'une architecture de moteur thermique comportant un compresseur électrique selon la présente invention; 25 [0020] Les figures 2a et 2b sont des vues en coupe respectivement longitudinale et transversale du compresseur électrique selon la présente invention. [0021] Les éléments identiques, similaires, ou analogues conservent la même référence d'une figure à l'autre. 4 [0022] La figure 1 montre une architecture 10 comportant un moteur thermique 11, notamment de véhicule automobile, suralimenté par un turbocompresseur 12 utilisant l'énergie contenue dans les gaz d'échappement pour comprimer l'air à l'admission du moteur thermique 11 afin d'optimiser le remplissage des cylindres. A cet effet, l'écoulement des gaz 5 d'échappement entraîne en rotation une turbine 13 disposée sur une ligne d'échappement 14. Cette turbine 13 est destinée à entraîner en rotation un compresseur 15 par l'intermédiaire d'un arbre d'accouplement 16. [0023] Le turbocompresseur 12 est assisté par un compresseur 17 de type électrique. Le compresseur électrique 17 permet de comprimer l'air d'admission après son filtrage par un 10 filtre à air 18. A cet effet, le compresseur électrique 17 est disposé sur une ligne d'admission 19 en amont d'un doseur d'air 20 permettant de gérer la quantité d'air dans les cylindres du moteur 11. Une vanne 21 permet de contrôler le passage de l'air à travers le compresseur électrique 17. La vanne 21 est ainsi fermée pour diriger l'air entrant vers le compresseur 17 lorsque ce dernier est activé et la vanne 21 est ouverte pour diriger l'air entrant vers une 15 conduite de dérivation 22 lorsque le compresseur 17 est désactivé. Généralement, le compresseur électrique 17 est activé lors de phases d'accélération transitoires, lorsque les gaz d'échappement ne sont pas suffisamment chauds pour entraîner la turbine 13 du turbocompresseur 12. Le compresseur électrique 17 peut également être activé en phase stabilisée pour augmenter le couple à bas régime du moteur thermique. 20 [0024] De manière à maintenir la densité de l'air acquise en sortie des organes de suralimentation (turbocompresseur 12 et compresseur 17), on utilise un échangeur de chaleur 23, dit RAS (pour Refroidisseur d'Air de Suralimentation), apte à refroidir l'air circulant dans la ligne d'admission 19. [0025] Par ailleurs, un dispositif de dépollution 24 peut être disposé sur la ligne 25 d'échappement 14. Le dispositif 24 pourra par exemple comporter un catalyseur trois voies et un filtre à particules. Le catalyseur trois voies permet notamment de réduire les oxydes d'azote en azote et en dioxyde de carbone, d'oxyder les monoxydes de carbone en dioxyde de carbone, et les hydrocarbures imbrûlés en dioxyde de carbone et en eau. Le filtre à particules permet de piéger des particules solides ou liquides constituées essentiellement 30 de suies à base de carbone, et/ou de gouttelettes d'huile. [0026] Un calculateur moteur 25 est notamment apte à piloter le doseur d'air 20, la vanne 21, et le compresseur électrique 17 en fonction des conditions de fonctionnement du moteur thermique 11. 5 [0027] Plus précisément, comme on peut le voir sur la figure 2a, le compresseur électrique 17 comporte un conduit d'écoulement d'air 27 dans lequel est apte à circuler un flux d'air principal 40. Ce conduit 27 présente une entrée d'air 28 destinée à être connectée à la sortie du filtre à air 18 de sorte que de l'air frais issu de l'environnement extérieur pénètre dans le 5 compresseur électrique 17 via cette entrée 28. [0028] Un mécanisme de compression 29 est apte à être entraîné par un moteur électrique 30. Le mécanisme de compression 29 comporte en l'occurrence une roue radiale 32 configurée pour que l'air frais non comprimé soit aspiré suivant une direction axiale par rapport à un axe X1 de la roue 32, et refoulé sous forme comprimé suivant une direction 10 radiale par rapport à l'axe X1 de la roue 32 après un passage dans une volute 33 intégrée au carter 35. En variante, l'aspiration et le refoulement d'air sont effectués suivant l'axe X1. [0029] Le moteur électrique 30 est monté entre l'entrée d'air 28 et la roue 32 du compresseur 17. Ce moteur électrique 30 comporte un stator 34 entourant un rotor 37 porté par un arbre 38. Le stator 34 et le rotor 37 sont coaxiaux suivant un axe X2 correspondant 15 à l'axe du moteur électrique 30. Suivant une architecture de machine classique, le stator 34 comporte des dents 39 délimitant deux à deux des encoches destinées à recevoir un bobinage. Le bobinage peut être par exemple réalisé à partir de fils continus formant les différentes phases de la machine ou d'épingles. Le rotor 37 est par exemple un rotor à aimants permanents. 20 [0030] La roue 32 du compresseur 17 est liée mécaniquement au rotor 37 de sorte que la roue 32 du compresseur 17 et le moteur électrique 30 sont alignés suivant un même axe. Autrement dit, les axes X1 et X2 sont confondus. [0031] Le conduit d'écoulement d'air 27 est configuré pour séparer, en amont du moteur électrique 30, le flux d'air principal 40 en: 25 - un premier flux d'air 40.1 passant entre le stator 34 et le rotor 37 pour évacuer une chaleur générée par une face interne du stator 34, et - un deuxième flux d'air 40.2 passant à l'extérieur du stator 34 pour évacuer une chaleur générée par une face externe du stator 34. [0032] A cet effet, le conduit d'écoulement d'air 27 comporte une portion centrale 42 et 30 une portion périphérique annulaire 43 issue d'une jonction 45 située en amont du moteur électrique 30. La portion centrale 42 dans laquelle circule le premier flux d'air 40.1 est disposée au plus près de la face interne du stator 34 pour que l'air qui y circule puisse 6 extraire les calories du stator 34 par convection. La portion périphérique annulaire 43 dans laquelle circule le deuxième flux d'air 40.2 vient au contact de la face externe du stator 34 pour que l'air qui y circule puisse également extraire les calories du stator 34 par convection. [0033] En outre, le conduit d'écoulement d'air 27 est configuré de telle façon que le premier 5 flux d'air 40.1 et le deuxième flux d'air 40.2 se rejoignent entre le moteur électrique 30 et une entrée du mécanisme de compression 29. A cet effet, la portion centrale 42 et la portion périphérique annulaire 43 sont reliées entre elles via une jonction 46 située en amont de la roue 32 du compresseur 17, de sorte que cette dernière est alimentée par la totalité des flux d'air 40.1, 40.2. 10 [0034] Comme cela est représenté sur les figures 2a et 2b, des nervures 47 sont réalisées dans un matériau métallique. Ces nervures 47 présentent une orientation radiale par rapport à l'axe X2 du moteur électrique 30, et sont disposées parallèlement au flux d'air 40. Les nervures 47 sont réparties angulairement de façon régulière suivant une circonférence du conduit d'écoulement d'air 27. Une nervure 47 comporte une partie s'étendant entre le stator 15 34 et le rotor 37 ainsi qu'une partie disposée dans la portion périphérique annulaire 43 du conduit 27. Ces nervures 47 permettent notamment d'évacuer la chaleur de la machine électrique 30. [0035] Le compresseur électrique 17 comporte au moins un déflecteur 48 disposé dans le conduit d'écoulement d'air 27 pour imprimer un mouvement de rotation au flux d'air 40 dans 20 le même sens que le mécanisme de compression 29. Cela permet d'améliorer le mélange du premier flux d'air 40.1 et du deuxième flux d'air 40.2 et de repousser la limite de pompage du compresseur 17. Le déflecteur 48 est avantageusement situé au niveau de la jonction 46 entre la portion centrale 42 et la portion périphérique annulaire 43 en aval du moteur électrique 30. 25 [0036] Lors du passage au niveau du stator 34, l'air va subir un échauffement thermique. Il peut être calculé par la formule suivante : P = Q * Cp * AT Avec: P représentant la puissance dissipée par l'air par convection, en Watt, 30 Q représentant le débit d'air en kg/s, AT représentant une élévation de température en degrés Celsius, et 7 Cp représentant le capacité thermique massique de l'air : 1004 J/(kg.K). [0037] Pour un moteur électrique 30 fonctionnant en continu à 1 kW, avec un rendement de 80%, la puissance dissipée par l'air par convection serait d'environ 200 W. Le débit d'air supporté par le compresseur électrique 17 étant de compris entre 50 et 500 kg/h, on obtient 5 les résultats suivants : Débit d'air Ecart de frais température kg/h °C 50 14,3 100 7,2 200 3,6 300 2,4 400 1,8 500 1,4 [0038] On constate qu'au-delà de 100 kg/h l'échauffement de température est inférieur à 7°C. Cela n'affectera donc pas les performances du moteur à bas régime. [0039] Par ailleurs, un module électronique de puissance 50 (cf. figure 1) pilotant le moteur électrique 30 est intégré au carter 35 du compresseur électrique 17. En variante, le module 10 électronique de puissance 50 pilotant le moteur électrique 30 est déporté par rapport au carter 35 du compresseur électrique 17. [0040] En variante, le mécanisme de compression 29 est réalisé différemment et prend la forme d'une vis de Lysholm, d'une pompe, ou d'une spirale. Cela dépend de l'application. [0041] En variante, l'architecture REVENDICATIONS1. Compresseur électrique (17) notamment pour moteur thermique (11) de véhicule automobile, caractérisé en ce qu'il comporte: - un conduit d'écoulement d'air (27) dans lequel est apte à circuler un flux d'air principal (40), - un moteur électrique (30) comprenant un stator (34) et un rotor (37), et - un mécanisme de compression (29) apte à être entraîné par le moteur électrique (30), caractérisé en ce que ledit conduit d'écoulement d'air (27) est configuré pour séparer, en amont du moteur électrique (30), le flux d'air principal (40) en: - un premier flux d'air (40.1) passant entre le stator (34) et le rotor (37) pour évacuer une chaleur générée par une face interne du stator (34), et - un deuxième flux d'air (40.2) passant à l'extérieur du stator (34) pour évacuer une chaleur générée par une face externe du stator (34). 2. Compresseur électrique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le conduit d'écoulement d'air (27) est configuré de telle façon que le premier flux d'air (40.1) et le deuxième flux d'air (40.2) se rejoignent entre le moteur électrique (30) et une entrée du mécanisme de compression (29). 3. Compresseur électrique selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comporte des nervures (47) orientées radialement par rapport à un axe (X2) du moteur électrique (30). 4. Compresseur électrique selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un déflecteur (48) disposé dans le conduit d'écoulement d'air (27) pour imprimer un mouvement de rotation au flux d'air principal (40) dans le même sens que le mécanisme de compression (29). 5. Compresseur électrique selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le moteur électrique (30) est monté entre une entrée d'air (28) du conduit d'écoulement d'air (27) et le mécanisme de compression (29). 6. Compresseur électrique selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le mécanisme de compression (29) comporte une roue (32). 9 7. Compresseur électrique selon la revendication 6, caractérisé en ce que la roue (32) est liée mécaniquement au rotor (37) de sorte que la roue (32) et le moteur électrique (30) sont alignés suivant un même axe (X1, X2). 8. Compresseur électrique selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé 5 en ce qu'un module électronique de puissance (50) apte à piloter le moteur électrique (30) est intégré à un carter (35) dudit compresseur électrique (17). 9. Compresseur électrique selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'un module électronique de puissance (50) apte à piloter le moteur électrique (30) est déporté par rapport à un carter (35) dudit compresseur électrique (17). 10 10. Ensemble comportant un moteur thermique (11) et un compresseur électrique (17) tel que défini selon l'une quelconque des revendications précédentes.