Brevet FR3079087A1 — publié le 20190920

PROCEDE DE REFROIDISSEMENT PAR HUILE D'AU MOINS UN BOBINAGE DE MACHINE ELECTRIQUE [0001] La présente invention concerne un procédé de refroidissement par huile d'au moins un bobinage d'une machine électrique, plus particulièrement les têtes de bobine faites de fils conducteurs d'électricité, notamment de fils de cuivre. [0002] Une telle machine électrique trouve une application préférentielle mais non limitative comme moteur électrique de véhicule automobile électrique ou hybride, totalement hybride ou semi-hybride dans ce dernier cas. [0003] Habituellement, le refroidissement des composants d'un moteur électrique utilisé dans la chaîne de traction d'un véhicule se fait par jets d'huile. L'inconvénient de ce procédé est que seule la zone d'impact du jet est refroidie, d'où une zone de refroidissement limitée. [0004] Le document EP-B- 2 667 486 décrit une machine électrique couplée à un dispositif entraîné dans un véhicule automobile. La machine électrique comprend un rotor ayant au moins une cavité orientée radialement et au moins un canal de fluide. Le canal de fluide s'étend dans une direction généralement axiale et est relié de manière fluidique à ladite au moins une cavité orientée radialement. La machine électrique comprend un arbre couplé au rotor, l'arbre ayant un passage de fluide et la cavité orientée radialement ayant une connexion de fluide audit passage de fluide. [0005] Dans ce document, l'huile est sous forme liquide et n'est en contact que limité avec des éléments du bobinage. Il s'ensuit que le refroidissement est essentiellement local et limité. [0006] Par conséquent, le problème à la base de l'invention est, pour une machine électrique présentant un rotor et un stator comportant au moins un bobinage, de refroidir de manière uniforme au moins le bobinage et notamment les têtes de bobinage et le cas échéant d'autres organes positionnés à proximité du bobinage à l'intérieur de la machine électrique par de l'huile en provenance du rotor de la machine électrique. [0007] Pour atteindre cet objectif, il est prévu selon l'invention un procédé de refroidissement par huile d'au moins un bobinage de machine électrique comprenant un stator portant au moins un bobinage comprenant des têtes de bobine, le stator étant 2 délimité par un carter, un rotor étant au moins partiellement logé dans le carter, au moins un jet d'huile sortant radialement du rotor débouchant en vis-à-vis d'une tête de bobine pour un refroidissement dudit au moins un bobinage, caractérisé en ce que l'huile du jet est pulvérisée en sortie radiale du rotor pour passer d'un état liquide à un état gazeux, des 5 vapeurs d'huile se répartissant sur au moins tout un pourtour de ladite au moins une tête de bobine. [0008] Au moins tout un pourtour de ladite au moins une tête de bobine signifie que les vapeurs d'huile peuvent aussi se répartir sur d'autres organes présents à l'intérieur du rotor que la tête de bobine assurant ainsi un refroidissement étendu à l'intérieur du carter. 10 [0009] L'effet technique est d'obtenir une transformation de l'huile sous pression, arrivant avantageusement dans un canal principal médian aménagé dans le rotor à l'état liquide et sortant du rotor radialement, en un état pulvérisé puis en un état gazeux, afin d'obtenir un refroidissement plus homogène et optimal de l'intérieur de la machine électrique. Ce refroidissement qui selon l'état de la technique s'appliquait à une portion des têtes de 15 bobinage peut concerner tout organe interne présent dans le carter comme le bobinage en entier, les aimants du rotor et des portions de la paroi interne du carter. [0010] Le principe de l'invention est de pulvériser l'huile, utilisée comme fluide de refroidissement des organes internes de la machine électrique, et de profiter de la montée en température à l'intérieur de la machine électrique afin que ces fines gouttelettes d'huile 20 se transforment en gaz. Le gaz pourra alors se répartir dans toute la machine électrique, par exemple un ou des entrefers entre bobinage et aimants, coeur du rotor, parois du carter, etc..., ce qui assure un refroidissement optimal et réparti de l'intérieur de la machine électrique. [0011] A iso performance, un moteur ou machine électrique avec un système de 25 refroidissement efficace aura des longueurs et diamètres du rotor et du stator réduits. Les gains sont alors multiples: réduction du volume du moteur, d'où son implantation facilitée dans une unité, par exemple un véhicule automobile et réduction de la masse du moteur électrique. Ceci représente un gain en autonomie de la machine électrique et un gain en coûts matières. 30 [0012] Avantageusement, les vapeurs d'huile, une fois refroidies, redeviennent liquides, tombent par gravité dans le carter et sont récoltées et évacuées du carter. Comme l'axe longitudinal du rotor est sensiblement horizontal en position montée dans un véhicule automobile, ce qui n'est pas limitatif, l'huile sera récupérée au fond du carter. 3 [0013] Avantageusement, l'huile liquide est introduite sous pression dans un intérieur du rotor par une extrémité longitudinale du rotor et sort radialement du rotor à l'état gazeux d'au moins une zone périphérique du rotor. Une huile sous pression aide à sa pulvérisation et à sa transformation d'état liquide en état gazeux. 5 [0014] Avantageusement, l'huile sort de ladite au moins une zone périphérique du rotor dans plusieurs directions radiales au rotor. Ceci permet de répartir uniformément l'huile de refroidissement dans autour de la zone périphérique du rotor. [0015] L'invention concerne aussi une machine électrique pour la mise en oeuvre du procédé de refroidissement tel que précédemment décrit, la machine électrique 10 comprenant un stator comportant au moins un bobinage avec des têtes de bobinage, le stator étant délimité par un carter, un rotor étant logé au moins partiellement dans le carter, le rotor comprenant au moins un canal longitudinal principal médian d'alimentation en huile de refroidissement raccordé à au moins un canal radial débouchant par une ouverture de débouché d'huile pratiquée à une périphérie du rotor en vis-à-vis d'une tête 15 de bobinage pour un refroidissement de la tête de bobinage par jet huile, caractérisé en ce que l'ouverture de débouché dudit au moins un canal radial comprend des moyens de pulvérisation de l'huile la faisant passer d'un état liquide à un état gazeux après l'avoir fractionnée en fines gouttelettes. [0016] Comme le rotor tourne et que le ou les canaux sont radiaux, la circulation d'huile 20 est accélérée par la force centrifuge, ce qui aide à sa pulvérisation. Le refroidissement ne concerne donc plus exclusivement la tête de bobinage en vis-à-vis de l'ouverture du débouché mais tout l'intérieur du rotor. [0017] Avantageusement, les moyens de pulvérisation sont sous la forme d'un embout vissé lequel porte une grille en nid d'abeille s'étendant dans un plan de l'ouverture ou dans 25 un plan parallèle à l'ouverture de débouché dudit au moins un canal radial. Ceci permet de fractionner le jet d'huile sous pression préalablement accéléré par la force centrifuge en fines gouttelettes qui sont plus faciles à vaporiser. C'est le maillage du nid d'abeille qui définit la taille des gouttelettes. Adapter la finesse des gouttelettes entre dans le cadre des compétences de l'homme de métier pour obtenir une pulvérisation adéquate et cette 30 adaptation peut être fonction de la température régnante à l'intérieur de la machine électrique. [0018] Avantageusement, il est prévu au moins deux zones périphériques du rotor portant chacune au moins une ouverture de débouché respective, les deux zones 4 périphériques étant espacées l'une de l'autre. Ceci permet de refroidir notamment chacune des têtes de bobinage dépassant latéralement de chaque côté d'une pièce en acier intermédiaire faisant partie du circuit magnétique du bobinage. [0019] Avantageusement, le rotor comprend au moins deux canaux radiaux raccordés 5 chacun au canal longitudinal principal médian. [0020] Avantageusement, chacune desdites au moins deux zones périphériques comprennent quatre canaux radiaux disposés en s'étendant à 900 les uns des autres en partant d'une portion du canal longitudinal principal. Le refroidissement est alors assuré par des jets d'huile pulvérisés et transformés à l'état gazeux dans quatre directions 10 perpendiculaires dans le plan de la zone périphérique perpendiculaire au canal longitudinal principal médian. [0021] L'invention concerne aussi un ensemble d'une machine électrique et de son dispositif d'alimentation en huile, caractérisé en ce que la machine est tel que précédemment décrite, le dispositif d'alimentation comportant une pompe et un circuit 15 comprenant, d'une part, une branche d'alimentation sous pression du canal longitudinal principal du rotor et, d'autre part, une branche de retour de l'huile récoltée dans le carter après refroidissement du bobinage. [0022] La pompe sert à mettre l'huile sous pression. L'huile peut venir d'une boîte de vitesses électronique raccordée fluidiquement avec le rotor. 20 [0023] D'autres caractéristiques, buts et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui va suivre et au regard des dessins annexés donnés à titre d'exemples non limitatifs et sur lesquels : - la figure 1 est une représentation schématique d'une coupe longitudinale d'une machine électrique selon la présente invention, des canaux radiaux dans le rotor étant 25 visibles pour la pulvérisation d'une huile de refroidissement dans le carter de la machine électrique, - la figure 2 est une représentation schématique d'une vue en coupe longitudinale, agrandie par rapport à la figure 1, d'un canal radial d'un rotor muni de moyens de pulvérisation, le rotor faisant partie d'une machine électrique selon la présente 30 invention, - les figures 3 et 4 sont des représentations schématiques respectives en perspective d'un embout et d'une pastille comprenant une grille en nid d'abeille, l'embout 5 et la pastille formant une forme de réalisation non limitative des moyens de pulvérisation selon la présente invention. [0024] Il est à garder à l'esprit que les figures sont données à titre d'exemples et ne sont pas limitatives de l'invention. Elles constituent des représentations schématiques de 5 principe destinées à faciliter la compréhension de l'invention et ne sont pas nécessairement à l'échelle des applications pratiques. En particulier, les dimensions des différents éléments illustrés ne sont pas représentatives de la réalité. Ceci vaut notamment pour les dimensions du maillage de la grille de la figure 4. [0025] Dans ce qui va suivre, il est fait référence à toutes les figures prises en 10 combinaison. Quand il est fait référence à une ou des figures spécifiques, ces figures sont à prendre en combinaison avec les autres figures pour la reconnaissance des références numériques désignées. [0026] En se référant principalement à la figure 1, la présente invention concerne un procédé de refroidissement par huile d'au moins un bobinage 2, 2a de machine 1 15 électrique comprenant un stator portant au moins un bobinage 2, 2a comprenant des têtes 2 de bobine. Le stator est délimité par un carter 3, un rotor 4 étant au moins partiellement logé dans le carter 3. [0027] Au moins un jet d'huile sortant radialement du rotor 4 débouchant en vis-à-vis d'une tête 2 de bobine pour un refroidissement dudit au moins un bobinage 2, 2a. Selon 20 l'état de la technique, le jet d'huile était liquide et était dirigé uniquement vers la tête 2 de bobinage 2, 2a en vis-à-vis. [0028] Selon la présente invention, l'huile du jet est pulvérisée en sortie radiale du rotor 4 pour passer d'un état liquide à un état gazeux. Il s'ensuit que des vapeurs d'huile se répartissent sur au moins tout un pourtour de ladite au moins une tête 2 de bobine. En fait 25 un grand avantage selon la présente invention est que l'huile vaporisée peut passer partout dans l'environnement d'un débouché d'huile du rotor 4 et servir à refroidir d'autres organes présents à l'intérieur du carter 3 que le bobinage 2, 2a concerné. L'ouverture de débouché du canal radial 6 est la mieux visible à la figure 2 en étant sous la forme d'une collerette 6a. 30 [0029] Les vapeurs d'huile, une fois refroidies, peuvent redevenir liquides, tomber par gravité dans le carter 3 et être récoltées et évacuées du carter 3. 6 [0030] L'huile liquide peut être introduite sous pression dans un intérieur du rotor 4 par une extrémité longitudinale 4a du rotor 4 et sortir radialement du rotor 4 à l'état gazeux d'au moins une zone périphérique 4c du rotor 4, ceci après avoir été pulvérisées du fait de la chaleur déjà présente dans l'environnement du débouché radial dans le rotor 4. 5 [0031] L'huile peut sortir de ladite au moins une zone périphérique 4c du rotor 4 dans plusieurs directions radiales au rotor 4. Ceci peut être déduit de la figure 1, étant donné qu'il y a deux zones périphériques 4c d'amenée radiale d'huile, avec pour chacune des zones quatre canaux radiaux 6. [0032] En se référant tout d'abord plus particulièrement à la figure 1, l'invention concerne 10 aussi une machine 1 électrique pour la mise en oeuvre du procédé de refroidissement tel que précédemment décrit, la machine 1 électrique comprenant un stator comportant au moins un bobinage 2, 2a avec des têtes 2 de bobinage 2, 2a, le stator étant délimité par un carter 3. Le bobinage 2, 2a comprend deux têtes 2 de bobinage 2, 2a faisant saillie latéralement de chaque côté d'un élément intermédiaire en acier faisant partie du circuit 15 magnétique 2a. [0033] A la figure 1, la machine 1 électrique est une machine à flux radial mais ceci n'est pas limitatif de la présente invention. Cette machine 1 électrique est mono-entrefer en présentant un unique entrefer 11 entre un bobinage 2, 2a et une structure aimantée 10 portée par le rotor 4 mais pourrait être poly-entrefers. 20 [0034] Un rotor 4 est logé au moins partiellement dans le carter 3, en ne dépassant du carter 3 que par un arbre 4h. Le rotor 4 est de forme sensiblement cylindrique en présentant des formes en saillie 13 formant butée contre une paroi intérieure du carter 3 ou un élément solidarisé au carter 3 vers ses deux portions d'extrémité longitudinale sans considérer l'arbre 4b pour une des portions d'extrémité longitudinale. 25 [0035] Le rotor 4 porte un ou des aimants formant une structure aimantée 10 en vis-à- vis du circuit magnétique 2a du bobinage 2, 2a en délimitant un entrefer 11 entre les aimants 10 et le bobinage 2, 2a. L'aimant ou les aimants 10 peuvent être collés sur le rotor 4 et/ou être maintenus axialement par une butée 12 respective dans deux directions axiales opposées. 30 [0036] Le rotor 4 est traversé par un canal longitudinal 5 principal médian d'alimentation en huile de refroidissement, ceci sur une majeure partie de la longueur, le canal 7 longitudinal 5 principal médian partant d'une extrémité longitudinale 4a du rotor 4 formée par l'extrémité de l'arbre 4b. [0037] Le canal longitudinal 5 principal médian est raccordé à au moins un canal radial 6 débouchant par une ouverture de débouché d'huile pratiquée à une périphérie du rotor 4 5 en vis-à-vis d'une tête 2 de bobinage 2, 2a pour un refroidissement de la tête 2 de bobinage 2, 2a par jet huile qui va s'étendre à d'autres organes présents dans le carter étant donné que l'huile va être vaporisée. [0038] A la figure 1, il y a deux zones périphériques 4c d'amenée radiale d'huile, avec pour chacune des zones, quatre canaux radiaux 6 s'étendant à partir du canal longitudinal 10 5 principal médian en étant raccordés à ce canal longitudinal 5 principal médian. [0039] Selon l'invention, l'ouverture de débouché du ou des canaux radiaux 6 comprend des moyens de pulvérisation 7, 8 de l'huile la faisant passer d'un état liquide à un état gazeux après l'avoir fractionnée en fines gouttelettes. Ce ne sont pas les moyens de pulvérisation 7, 8 qui font passer l'huile d'un état liquide à un état gazeux mais c'est le 15 fractionnement de l'huile en fines gouttelettes qui concourt à la vaporisation de l'huile du fait de la chaleur régnant à l'intérieur du carter 3 de la machine 1 électrique. [0040] Il entre dans les compétences communes de l'homme de l'art de sélectionner la taille des gouttelettes selon la température estimée être régnante dans le carter 3 de la machine 1 électrique, les gouttelettes devant être plus petites dans une machine 1 20 électrique avec un température interne moins élevée qu'une autre machine électrique à température interne plus élevée qui peut supporter des dimensions plus grandes de gouttelettes à vaporiser. [0041] La figure 2 montre un agrandissement de la machine 1 électrique au niveau du débouché d'un canal radial 6 avec les moyens de pulvérisation 7, 8 montés sur l'ouverture 25 de débouché du canal radial 6. L'ouverture du débouché d'un canal radial 6 peut porter une collerette 6a servant de support à un embout 7. [0042] La figure 3 montre un embout 7, avec un évidement le traversant de part et d'autre, cet embout 7 faisant partie des moyens de pulvérisation 7, 8 et la figure 4 montre une pastille 9 portant une grille 8 en nid d'abeille faisant partie des moyens de 30 pulvérisation 7, 8, l'embout 7 et la pastille 9 avec sa grille 8 en nid d'abeilles étant montrés isolément pour être mieux visibles à ces figures 3 et 4. 8 [0043] Une majeure partie de la grille 8 est laissée libre par l'évidement de l'embout 7, la pastille 9 étant insérée dans l'embout 7. Le jet d'huile passant par la grille 8 peut alors être fractionné pour être pulvérisé hors de l'embout 7 et de l'ouverture de débouché du canal radial 6. 5 [0044] En se référant plus particulièrement aux figures 2 à 4, les moyens de pulvérisation 7, 8 sont sous la forme d'un embout 7 vissé lequel porte une grille 8 en nid d'abeille s'étendant dans un plan de l'ouverture ou dans un plan parallèle à l'ouverture de débouché dudit au moins un canal radial 6. [0045] A la figure 2, l'embout 7 loge une pastille 9 avec le nid d'abeille en son intérieur 10 en l'entourant complètement. Le nid d'abeille de la grille 8 représenté forme un maillage avec des mailles carrées mais ces mailles pouvant être d'une autre forme comme par exemple hexagonales. [0046] Comme il peut être visible à la figure 1, il peut être prévu au moins deux zones périphériques 4c du rotor 4 portant chacune au moins une ouverture de débouché 15 respective, les deux zones périphériques 4c étant espacées l'une de l'autre. Il est possible que l'ouverture ou les ouvertures de débouché d'une zone périphérique 4c soient plus éloignées la tête 2 de bobinage 2, 2a associée et donc en vis-à-vis que l'ouverture ou les ouvertures de débouché de l'autre zone périphérique 4c. [0047] L'huile par force centrifuge pénètre dans le ou les canaux radiaux 6 du rotor 4. En 20 traversant la grille 8 en nid d'abeille de la pastille 9, l'huile est pulvérisée. L'huile pulvérisée en gouttelettes passe sous forme gazeuse du fait de la chaleur régnante à l'intérieur du carter 3 et se répartit dans tout l'environnement. Le refroidissement ainsi assuré sera optimal. [0048] Puis, l'huile redevient liquide, retombe par gravité naturelle en partie basse du 25 carter 3 de la machine 1 électrique, et est évacuée, avantageusement via une vidange ou continûment, une pompe étant alors avantageusement présente dans cette dernière forme de réalisation. [0049] Le rotor 4 peut comprendre au moins deux canaux radiaux 6 raccordés chacun au canal longitudinal 5 principal médian dans une desdites au moins deux zones 30 périphériques 4c du rotor 4. Ces canaux radiaux 6 peuvent former entre eux un angle de 180°. 9 [0050] Comme montré à la figure 1, chacune desdites au moins deux zones périphériques 4c du rotor 4 peuvent comprendre quatre canaux radiaux 6 disposés en s'étendant à 900 les uns des autres en partant dure même portion du canal longitudinal 5 principal. 5 [0051] L'invention concerne aussi un ensemble d'une machine 1 électrique et de son dispositif d'alimentation en huile. Pour une machine 1 électrique telle que précédemment décrite, le dispositif d'alimentation comporte une pompe de mise sous pression de l'huile et un circuit de circulation d'huile de refroidissement. Le dispositif d'alimentation en huile n'est pas représenté aux figures. 10 [0052] Le circuit d'huile comprend une branche d'alimentation sous pression du canal longitudinal 5 principal du rotor 4. Le circuit d'huile comprend une branche de retour de l'huile récoltée dans le carter 3 après refroidissement du bobinage 2, 2a. [0053] Le dispositif d'alimentation peut être associé à une boîte de vitesses électronique ou e-BV. L'huile dans le dispositif d'alimentation est liquide et avantageusement sous 15 pression. Dans la branche de retour vers une pompe à huile, l'huile peut être éventuellement refroidie par un échangeur huile/air ou huile/fluide de refroidissement. [0054] Compte tenu de la transition énergétique qui s'engage dans le monde automobile, au profit de chaînes de traction à énergie électrique avec des machines électriques de plus en plus puissantes, la présente invention trouvera une application de plus en plus 20 répandue. [0055] L'invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits et illustrés qui n'ont été donnés qu'à titre d'exemples. REVENDICATIONS1. Procédé de refroidissement par huile d'au moins un bobinage (2, 2a) de machine (1) électrique comprenant un stator portant au moins un bobinage (2, 2a) comprenant des têtes (2) de bobine, le stator étant délimité par un carter (3), un rotor (4) étant au moins partiellement logé dans le carter (3), au moins un jet d'huile sortant radialement du rotor (4) débouchant en vis-à-vis d'une tête (2) de bobine pour un refroidissement dudit au moins un bobinage (2, 2a), caractérisé en ce que l'huile du jet est pulvérisée en sortie radiale du rotor (4) pour passer d'un état liquide à un état gazeux, des vapeurs d'huile se répartissant sur au moins tout un pourtour de ladite au moins une tête (2) de bobine. 2. Procédé de refroidissement selon la revendication précédente, dans lequel les vapeurs d'huile, une fois refroidies, redeviennent liquides, tombent par gravité dans le carter (3) et sont récoltées et évacuées du carter (3). 3. Procédé de refroidissement selon l'une quelconque des deux revendications précédentes, dans lequel l'huile liquide est introduite sous pression dans un intérieur du rotor (4) par une extrémité longitudinale (4a) du rotor (4) et sort radialement du rotor (4) à l'état gazeux d'au moins une zone périphérique (4c) du rotor (4). 4. Procédé de refroidissement selon la revendication précédente, dans lequel l'huile sort de ladite au moins une zone périphérique (4c) du rotor (4) dans plusieurs directions radiales au rotor (4). 5. Machine (1) électrique pour la mise en oeuvre du procédé de refroidissement selon l'une quelconque des revendications précédentes, la machine (1) électrique comprenant un stator comportant au moins un bobinage (2, 2a) avec des têtes (2) de bobinage (2, 2a), le stator étant délimité par un carter (3), un rotor (4) étant logé au moins partiellement dans le carter (3), le rotor (4) comprenant au moins un canal longitudinal (5) principal médian d'alimentation en huile de refroidissement raccordé à au moins un canal radial (6) débouchant par une ouverture de débouché d'huile pratiquée à une périphérie (4c) du rotor (4) en vis-à-vis d'une tête (2) de bobinage (2, 2a) pour un refroidissement de la tête (2) de bobinage (2, 2a) par jet huile, caractérisé en ce que l'ouverture de débouché dudit au moins un canal radial (6) comprend des 11 moyens de pulvérisation (7, 8) de l'huile la faisant passer d'un état liquide à un état gazeux après l'avoir fractionnée en fines gouttelettes. 6. Machine (1) électrique selon la revendication précédente, dans laquelle les moyens de pulvérisation (7, 8) sont sous la forme d'un embout (7) vissé lequel porte une grille (8) 5 en nid d'abeille s'étendant dans un plan de l'ouverture ou dans un plan parallèle à l'ouverture de débouché dudit au moins un canal radial (6). 7. Machine (1) électrique selon l'une quelconque des deux revendications précédentes, dans laquelle il est prévu au moins deux zones périphériques (4c) du rotor (4) portant chacune au moins une ouverture de débouché respective, les deux zones 10 périphériques (4c) étant espacées l'une de l'autre. 8. Machine (1) électrique selon la revendication précédente, dans laquelle le rotor (4) comprend au moins deux canaux radiaux (6) raccordés chacun au canal longitudinal (5) principal médian. 9. Machine (1) électrique selon la revendication précédente, dans laquelle chacune 15 desdites au moins deux zones périphériques (4c) du rotor (4) comprennent quatre canaux radiaux (6) disposés en s'étendant à 90° les uns des autres en partant d'une portion du canal longitudinal (5) principal. 10. Ensemble d'une machine (1) électrique et de son dispositif d'alimentation en huile, caractérisé en ce que la machine (1) est conforme à l'une quelconque des 20 revendications 5 à 9, le dispositif d'alimentation comportant une pompe et un circuit comprenant, d'une part, une branche d'alimentation sous pression du canal longitudinal (5) principal du rotor (4) et, d'autre part, une branche de retour de l'huile récoltée dans le carter (3) après refroidissement du bobinage (2, 2a). 25