Brevet FR3076118A1 — publié le 20190628

ARBRE REFROIDI ET PROCEDE DE FABRICATION D'UN ARBRE [0001] L'invention porte sur un arbre comprenant un dispositif de refroidissement interne. [0002] L'invention vise notamment mais pas limitativement, des applications dans le domaine des machines électriques tournantes, ces machines électriques comprenant généralement un stator et un rotor, le rotor comprenant l'arbre de l'invention. [0003] L'invention vise en outre un procédé de fabrication de cet arbre. [0004] Les technologies actuelles permettent de compacter de telles machines électriques, tout en augmentant leur capacité en couple et/ou puissance. [0005] Ces machines électriques, soumises à des champs magnétiques variables, sont 10 le siège de pertes par courants de Foucault et de pertes par hystérésis, la somme de ces pertes étant appelée pertes fer. En outre, à ces pertes fer sont rajoutées des pertes par frottement mécanique au niveau des paliers du stator portant l'arbre du rotor. [0006] Ces pertes fer et ces pertes par frottement génèrent une quantité de chaleur d'autant plus grande que la capacité en couple et/ou puissance est élevée. Cette quantité 15 de chaleur doit alors être évacuée sous peine de constater un échauffement des machines électriques néfaste pour leur bon fonctionnement. [0007] Or, ces machines électriques étant compactées, c'est-à-dire d'encombrement réduit, les surfaces d'échange thermique avec l'environnement extérieur sont trop réduites et ne permettent plus un refroidissement suffisant. 20 [0008] Pour pallier à ce problème, des dispositifs de refroidissement comprennent des circuits de refroidissement véhiculant un fluide caloporteur au sein même des stators et des rotors. [0009] Par exemple, le document de brevet CN 206237252 divulgue un dispositif de refroidissement à fluide caloporteur comprenant un circuit de refroidissement, ce circuit 25 comprenant un tube de refroidissement dans un perçage axial d'un arbre d'un rotor d'un moteur électrique. [0010] Ce dispositif de refroidissement présente cependant l'inconvénient principal de ne pas pouvoir optimiser la forme du circuit de refroidissement vis-à-vis des échanges thermiques. En effet, les contraintes des procédés d'obtention de l'arbre par usinage, et en 2 particulier par perçage, ne permettent pas de réaliser des formes plus complexes qu'un trou de section constante. [0011] En outre, le tube étant une pièce rapportée, cela crée des interfaces de montage supplémentaires susceptibles d'être à la source de fuites du fluide caloporteur. 5 [0012] Le but de l'invention est de remédier à cet inconvénient principal, notamment en présentant un arbre permettant d'optimiser la forme du circuit-de refroidissement. [0013] A cet effet, l'invention a pour objet un arbre comprenant une enveloppe métallique autour de l'axe de l'arbre, et comprenant un dispositif de refroidissement à fluide caloporteur, ce dispositif de refroidissement comprenant une première surface d'échange thermique avec le fluide caloporteur, le dispositif de refroidissement étant un Insert à l'intérieur de l'enveloppe métallique et comprenant une deuxième surface d'échange thermique avec l'enveloppe métallique, les première et deuxième surfaces d'échange thermique étant disjointes. [0014] On comprendra par disjointes, dans tous le texte de ce document, le fait que la première surface d'échange thermique de l'insert n'est en contact qu'avec le fluide caloporteur, et la deuxième surface d'échange thermique n'est en contact qu'avec l'enveloppe métallique. Ainsi, l'enveloppe métallique n'a aucun contact direct avec le fluide caloporteur. [0015] On comprendra par enveloppe métallique de l'arbre, dans tous le texte de ce document, ce qui constituait l'arbre sans la présence-de l'insert. L'enveloppe impliquant un volume intérieur de l'arbre dans lequel est logé l'insert. [0016] Ainsi, l'insert étant une partie distincte de l'enveloppe métallique, il est fabriqué par un procédé indépendant de celui de l'enveloppe métallique et n'est donc pas lié aux contraintes de fabrication de l'enveloppe métallique. Ceci permet une plus grande liberté pour la réalisation de la forme de la première surface d'échange thermique, et donc permet d'optimiser cette forme vis-à-vis des échanges thermiques. [0017] En outre, l'insert contient à lui seul le fluide caloporteur circulant clans l'arbre, de sorte que l'étanchéité de ce fluide caloporteur pour l'arbre n'est assurée que par une pièce : l'insert. On limite ainsi le risque de fuites. 3 [0018] Selon un mode de réalisation de l'invention, la deuxième surface est concentrique à l'enveloppe métallique et surmoulée par l'enveloppe métallique. [0019] Selon une variante de réalisation de l'invention, la deuxième surface est concentrique à l'enveloppe métallique et l'insert est emmanché à force dans l'enveloppe 5 métallique. [0020] Selon un mode de réalisation de l'invention, la première surface d'échange thermique forme une conduite du fluide caloporteur, cette conduite ayant une première extrémité d'entrée du fluide et une deuxième extrémité de sortie du fluide, la section de la conduite étant évolutive de la première extrémité d'entrée à la deuxième extrémité de 10 sortie. [0021] On comprendra par extrémité d'entrée dans tout le texte de ce document, l'extrémité de la conduite par laquelle le fluide caloporteur rentre. Dans le cas du refroidissement de l'arbre, la température du fluide caloporteur à l'extrémité d'entrée sera inférieure à la température du fluide caloporteur à l'extrémité de sortie. 15 [0022] Ainsi, en jouant sur la section de la conduite, on joue sur la vitesse du fluide caloporteur et donc sur l'échange thermique par convection. [0023] Selon une variante de réalisation de l'invention, la section de la conduite est continument décroissante de la première extrémité d'entrée à la deuxième extrémité de sortie_ 20 [0024] Ainsi, on augmente progressivement la vitesse du fluide caloporteur en même temps qu'il se réchauffe. On compense donc la diminution de l'échange thermique à cause d'un écart en température entre l'insert et le fluide caloporteur qui se réduit, par une augmentation de la convection forcée du fluide caloporteur. [0025] Selon un mode de réalisation de l'invention, la première extrémité d'entrée et la 25 deuxième extrémité de sortie débouchent sur une même extrémité de l'insert. [0026] Ainsi, l'entrée et la sortie du fluide caloporteur sont regroupées, permettant de centraliser les problèmes d'étanchéité en un même endroit. [0027] Selon un mode de réalisation de l'invention, la conduite comprend une conduite d'entrée du fluide et une conduite de sortie du fluide, les conduites d'entrée et de sortie du fluide étant concentriques, la conduite d'entrée du fluide allant de la première extrémité 4 d'entrée vers un fond de l'insert, la conduite de sortie du fluide allant du fond à la deuxième extrémité de sortie. [0028] Selon un mode de réalisation de l'invention, l'insert est un corps creux dont la peau forme le fond et la conduite. 5 [0029] Selon un mode de réalisation de l'invention, la conduite d'entrée du fluide a une section en forme de demi-lune entourant partiellement la conduite de sortie du fluide à section circulaire. [0030] On comprendra par demi-lune, dans tout le texte de ce document, une section dont le contour comprend deux arcs de cercle entourant partiellement la conduite de sortie 10 du fluide, ces deux arcs de cercle étant contenus dans un même secteur angulaire ayant pour centre le centre de la section circulaire. [0031] Ainsi, un interstice est formé entre la conduite d'entrée du fluide et la conduite de sortie du fluide, et qui sera remplit par la matière de l'enveloppe métallique lorsque cette dernière sera surmoulée à l'insert. Ce remplissage est possible par la forme en demi-lune 15 laissant un passage de remplissage. [0032] Outre le fait d'améliorer la conduction de la chaleur vers le fluide caloporteur, le passage, une fois remplit par l'enveloppe métallique, permet de maintenir correctement la conduite de sortie du fluide caloporteur. [0033] L'invention a également pour objet une machine électrique comprenant un rotor, 20 le rotor comprenant un arbre tel que précédemment décrit et des masses d'équilibrage pour la rotation du rotor, ces masses d'équilibrage compensant le déséquilibre provoqué par la forme de demi-lune. [0034] En effet, la densité du fluide caloporteur étant différente de la densité de l'enveloppe métallique, la conduite d'entrée du fluide en forme de demi-lune crée un 25 balourd autour de l'axe de l'arbre. Ces masses d'équilibrage sont dimensionnée pour compenser ce balourd. [0035] L'invention a également pour objet un procédé de fabrication d'un arbre tel que succinctement décrit ci-dessus, ce procédé comprenant une première étape de réalisation de l'insert par un procédé d'impression en trois dimensions utilisant de la poudre 30 métallique, notamment de la poudre en acier inoxydable. 5 [0036] En effet, ce procédé permet avantageusement de réaliser des corps creux de formes complexes, tels que l'insert, indépendamment des contraintes de fabrication de l'enveloppe métallique. [0037] Selon un mode de réalisation du procédé de fabrication selon l'invention, ce 5 procédé comprend une deuxième étape de surmoulage de la deuxième surface par l'enveloppe métallique, et une troisième étape d'usinage de l'enveloppe métallique pour découvrir la première extrémité d'entrée et la deuxième extrémité de sortie. [0038] En effet, l'enveloppe métallique, par exemple en fonte, après la deuxième étape, recouvre la première extrémité d'entrée et la deuxième extrémité de sortie. Un premier 10 usinage, par exemple une opération de dressage, enlèvera une première partie de l'enveloppe métallique _obstruant la première extrémité d'entrée, alors qu'une deuxième opération d'usinage, par exemple une opération de perçage, enlèvera une deuxième partie de l'enveloppe métallique obstruant la deuxième extrémité de sortie. [0039] D'autres caractéristiques, buts et avantages de l'invention apparaîtront à la 15 lecture de la description de l'exemples de réalisation non limitatif qui va suivre, faite en référence aux figures 1 à 6 annexées, qui représentent : - figure 1 : une vue en coupe de l'arbre selon l'invention, l'arbre étant montré intégré dans une machine électrique. Y sont représentés les localisations de trois coupes de l'arbre, repérées Sec1, Sec2, Sec3 sur la figure 1, et qui sont représentées respectivement par les 20 figures 2, 3, et 4, - figures 2 à 4 : Représentent les coupes Sec1, Sec2, Sec3 de l'arbre intégré dans la machine électrique, - figure 5 : vue en perspective de l'arbre seul selon l'invention, - figure 6 : vue en perspective de l'insert seul selon l'invention. 25 [0040] L'ensemble représenté sur la figure 1 divulgue une coupe de l'arbre selon l'invention, l'arbre étant montré intégré dans une machine électrique. Cette machine électrique est ici un moteur électrique pour la propulsion d'un véhicule électrique ou hybride, ayant un mode de propulsion et un mode de récupération d'énergie au freinage du véhicule. Ce sont des machines électriques privilégiées pour l'invention, car elles sont 30 compactées et de forte puissance, par exemple entre 100 et 150 KW. 6 [0041] L'arbre comprend une enveloppe métallique 4 autour de l'axe de l'arbre. Cette enveloppe est la structure portante de l'arbre et c'est elle qui supporte les contraintes mécaniques de l'arbre. Cet arbre est ici l'arbre du rotor de la machine électrique. Cette enveloppe métallique 4 comprend des parties pleines formant des parties de l'arbre plein, 5 et une partie évidée dans laquelle un dispositif de refroidissement 3 à fluide caloporteur est logé. [0042] En ordre de grandeur, cet arbre a un diamètre extérieur d'environ 40 mm, pour une longueur d'environ 280 mm, ce qui, pour une machine électrique de 100 à 150 KW, illustre la compacité précitée. Le fluide caloporteur peut avoir un débit allant jusqu'à 10 10 litres par minute, préférentiellement 5 litres par minute. [0043] Ce dispositif de refroidissement 3 comprend une première surface d'échange thermique 1 avec le fluide caloporteur. Ce fluide caloporteur est avantageusement de l'eau, ou de l'eau glycolée, provenant d'un circuit de refroidissement du stator de la machine électrique, ou d'un autre organe du véhicule nécessitant le passage de ce fluide 15 caloporteur. Dans une variante, ce fluide peut être de l'huile, mais la capacité thermique de l'eau reste un avantage important. Ce dispositif de refroidissement 3 est un Insert à l'intérieur de ladite enveloppe métallique 4, dans la partie évidée de l'enveloppe métallique, et comprend une deuxième surface d'échange thermique 2 avec l'enveloppe métallique 4. 20 [0044] Les première et deuxième surfaces d'échange thermique 1, 2 sont disjointes : La figure 1 illustre un exemple de réalisation de cette disjonction, en présentant l'insert comme un corps creux dont la peau forme une conduite 5 du fluide caloporteur. Cette peau forme la conduite 5 par la surface intérieure de la peau, qui est alors commune à la première surface d'échange thermique 1, et forme la deuxième surface d'échange 25 thermique 2 par la surface extérieure de la peau. Ainsi, Les première et deuxième surfaces d'échange thermique 1, 2 sont toujours séparées par l'épaisseur de la peau du corps creux, ce corps creux étant l'insert. [0045] La deuxième surface 2 est en outre concentrique à l'enveloppe métallique 4 et est surmoulée par l'enveloppe métallique 4. La surface extérieure de la peau de l'insert est 30 donc en contact direct avec l'enveloppe métallique 4. L'insert est emprisonné dans l'enveloppe métallique 4, et la partie évidée est de la forme exacte de celle de la deuxième surface 2 de l'insert. 7 [0046] L'enveloppe métallique 4 et l'insert forment alors l'arbre, arbre sur lequel sont rajoutés les éléments nécessaires pour constituer le rotor de la machine électrique, par exemple des encoches, des bobinages, ou des aimants. [0047] La figure 1 illustre en outre la première surface d'échange thermique 1 formant la 5 conduite 5 du fluide caloporteur. Cette conduite 5 a une première extrémité d'entrée 6 du fluide et une deuxième extrémité de sortie 7 du fluide. La section de la conduite 5 est évolutive de la première extrémité d'entrée 6 à la deuxième extrémité de sortie 7. Elle est évolutive à la fois en forme et en surface. Avantageusement cette section de la conduite 5 a une surface continument décroissante, c'est-à-dire que cette section se réduit en taille 10 progressivement de la première extrémité d'entrée 6 à la deuxième extrémité de sortie 7. [0048] La première extrémité d'entrée 6 et la deuxième extrémité de sortie 7 débouchent sur une même extrémité d'insert, ce qui revient à dire d'un même coté de l'arbre. [0049] La figure 1 encore, illustre la conduite 5 comprenant une conduite d'entrée du fluide 61 et une conduite de sortie du fluide 71. Ces conduites d'entrée et de sortie du 15 fluide 61, 71 sont concentriques, c'est-à-dire que leurs sections respectives sont concentriques entre-elles, la conduite d'entrée du fluide 61 allant de la première extrémité d'entrée 6 vers un fond 8 de l'insert, la conduite de sortie du fluide 71 allant du fond 8 à la deuxième extrémité de sortie 7. La conduite 5 est donc une conduite en deux parties repliées l'une sur l'autre, la pliure étant réalisée par le fond 8. 20 [0050] On notera que le fond 8 est également réalisé par la peau de l'insert : La surface de la peau du fond 8 en contact avec le fluide caloporteur fait partie de la première surface d'échange thermique 1, alors que la surface de la peau du fond 8 en contact avec l'enveloppe métallique 4 fait partie de la deuxième surface d'échange thermique 2. [0051] Le fluide caloporteur est amené par une première chambre annulaire 9 dans 25 laquelle débouche la première extrémité d'entrée 6. Cette première chambre annulaire 9 est réalisée dans un palier de l'arbre, et se trouve en extrémité d'arbre en prolongement d'une face dressée de l'arbre, mais pourrait tout aussi bien être radiale à l'arbre, la condition étant que la première extrémité d'entrée 6 débouche dans cette première chambre annulaire 9. 8 [0052] Le fluide caloporteur est collecté par une deuxième chambre annulaire 10, elle aussi réalisée dans le palier de l'arbre, et dans laquelle débouche la deuxième extrémité de sortie 7. [0053] Il convient alors de décrire les étapes du procédé de fabrication d'un arbre selon 5 l'invention. Ce procédé comprend une première étape de réalisation de l'insert par un procédé d'impression en trois dimensions utilisant de la poudre métallique, notamment de la poudre en acier inoxydable. Ce procédé est particulièrement adapté pour la réalisation de corps creux, comme l'insert décrit précédemment. [0054] Ce procédé comprend une deuxième étape de surmoulage de la deuxième 10 surface 2 par l'enveloppe métallique 4: L'insert est donc noyé dans le métal de l'enveloppe métallique 4, par exemple de la fonte, et la première extrémité d'entrée 6 et la deuxième extrémité de sortie 7 sont alors obstruées par l'enveloppe métallique 4. [0055] Ce procédé comprend alors une troisième étape d'usinage de l'enveloppe métallique 4 pour découvrir la première extrémité d'entrée 6 et la deuxième extrémité de 15 sortie 7: l'extrémité de l'arbre est dressée au tour ou fraisée au centre d'usinage, libérant ainsi la première extrémité d'entrée 6, alors qu'un perçage radial à l'arbre formant un trou 11 fait communiquer la deuxième chambre annulaire 10 avec la deuxième extrémité de sortie 7. [0056] On notera qu'une étanchéité (non représentée) entre les première et deuxième 20 chambres annulaires 9, 10 est réalisée pour éviter des fuites internes du fluide caloporteur. Par exemple cette étanchéité est réalisée par simple ajustement entre l'arbre et son palier. En variante, un joint tournant sera inséré. [0057] On notera qu'une étanchéité (non représentée) entre la deuxième chambre annulaire 10 et l'espace interne de la machine électrique est réalisée par un autre joint 25 tournant entre Farbre et son palier. [0058] Sur la figure 1 sont localisées les coupes des figures 2, 3, et 4, respectivement signalées par Sec1, Sec 2, Sec3 sur la figure 1. [0059] La figure 2 est une vue coupe, Sec1, dans un plan contenant le perçage radial à l'arbre formant le trou 11, c'est-à-dire dans un plan contenant la deuxième chambre 30 annulaire 10, conformément à la localisation de Sec1 sur la figure 1. 9 [0060] Sur cette figure 2, est illustré une section de la conduite d'entrée du fluide 61 en forme de demi-lune, et entourant partiellement la conduite de sortie du fluide 71 à section circulaire et centrée sur l'axe de l'arbre. C'est un exemple d'évolution de la forme de la conduite 5, qui passe donc d'une forme en demi-lune dont la section se réduit, à une 5 forme circulaire dont la section se réduit également, en prenant le sens de circulation du fluide caloporteur comme référence temporelle. [0061] La figure 3 et la figure 4 sont respectivement les coupes signalées par Sec 2, Sec3 sur la figure 1. Elles ont pour but d'illustrer l'évolution de la section de la conduite d'entrée du fluide 61 et de la conduite de sortie du fluide 71, qui ne sont rien d'autre que 10 l'évolution de la section de la conduite 5 du fluide caloporteur. [0062] En outre, sur les figures 3 et 4, on voit qu'un interstice 12 annulaire est formé entre la conduite d'entrée du fluide 61 et la conduite de sortie du fluide 71, et qui est remplit par la matière de l'enveloppe métallique 4 pendant la deuxième étape de surmoulage de l'insert. Ce remplissage est possible par la forme en demi-lune laissant un 15 passage 13 de remplissage. [0063] Ces coupes des figures 2 à 4 montrent en outre un déséquilibre des masses provoqué par la forme de demi-lune : le fluide caloporteur n'étant pas de la densité du métal, la demi-lune crée un balourd néfaste lors de la rotation de l'arbre. Ainsi, l'invention a aussi pour objet (non représenté) la machine électrique comprenant le rotor, le rotor 20 comprenant l'arbre précédemment décrit et des masses d'équilibrage pour la rotation du rotor, ces masses d'équilibrage compensant le déséquilibre provoqué par la forme de demi-lune. Cet équilibrage est réalisé par exemple, en rajoutant des flasques 15, 16 sur l'arbre tels que illustrés sur la figure 1, ces flasques étant dotés de perçages enlevant judicieusement de la masse. On notera que ces flasques 15, 16 ont en outre une fonction 25 de maintien de composants magnétiques du rotor. [0064] La figure 5 est une vue en perspective de l'arbre seul selon l'invention. On y distingue l'enveloppe métallique 4 entourant l'insert, cet insert comprenant la conduite d'entrée du fluide 61 en forme de demi-lune dont la première extrémité d'entrée débouche sur l'extrémité de l'arbre dressée lors de la troisième étape d'usinage. Un chanfrein 14 30 d'entrée d'arbre est également réalisé sur cette extrémité de l'arbre dressée lors de cette même troisième étape. 10 [0065] La deuxième extrémité de sortie, tout comme la conduite de sortie du fluide 71 n'apparaissent pas sur cette figure, mais la conduite de sortie du fluide 71 est indiquée par une flèche signalant sa présence au fond du trou 11. La surface interne de ce trou 11, bien qu'en contact avec l'enveloppe métallique 4, ne fait pas partie de la première surface 5 d'échange thermique 1. Sa fonction est uniquement de permettre le passage du fluide de la conduite de sortie du fluide 71 vers la deuxième chambre annulaire 10. [0066] La figure 6 est une vue en perspective de l'insert seul selon l'invention. Elle permet de mieux visualiser la forme de l'insert, en particulier le fond 8, la deuxième surface d'échange thermique 2 qui sera entièrement recouverte par l'enveloppe métallique 10 4, la première extrémité d'entrée REVENDICATIONS1. Arbre comprenant une enveloppe métallique (4) autour de l'axe de l'arbre, et comprenant un dispositif de refroidissement (3) à fluide caloporteur, ledit dispositif de refroidissement (3) comprenant une première surface d'échange thermique (1) avec ledit fluide caloporteur, caractérisé en ce que ledit dispositif (3) est un Insert à l'intérieur de ladite enveloppe métallique (4) et comprend une deuxième surface d'échange thermique (2) avec ladite enveloppe métallique (4), lesdites première et deuxième surfaces d'échange thermique (1, 2) étant disjointes. 2. Arbre selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite deuxième surface (2) est concentrique à ladite enveloppe métallique (4) et surmoulée par ladite enveloppe métallique (4). 3. Arbre selon la revendication 2, ladite première surface d'échange thermique (1) formant une conduite (5) dudit fluide caloporteur, ladite conduite (5) ayant une première extrémité d'entrée (6) du fluide et une deuxième extrémité de sortie (7) du fluide, caractérisé en ce que la section de ladite conduite (5) est évolutive de ladite première extrémité d'entrée (6) à ladite deuxième extrémité de sortie (7), notamment continument décroissante. 4. Arbre selon la revendication 3, caractérisé en ce que ladite première extrémité d'entrée (6) et ladite deuxième extrémité de sortie (7) débouchent sur une même extrémité dudit insert. 5. Arbre selon la revendication 4, ladite conduite (5) comprenant une conduite d'entrée du fluide (61) et une conduite de sortie du fluide (71), caractérisé en ce que lesdites conduites d'entrée et de sortie du fluide (61, 71) sont concentriques, ladite conduite d'entrée du fluide (61) allant de ladite première extrémité d'entrée (6) vers un fond (8) dudit insert, ladite conduite de sortie du fluide (71) allant dudit fond (8) à ladite deuxième extrémité de sortie (7). 6. Arbre selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'insert est un corps creux dont la peau forme ledit fond et ladite conduite (5). 12 7. Arbre selon la revendication 6, caractérisé en ce que ladite conduite d'entrée du fluide (61) a une section en forme de demi-lune entourant partiellement ladite conduite de sortie du fluide (71) à section circulaire. 8. Machine électrique comprenant un rotor, ledit rotor comprenant un arbre selon la 5 revendication 7 et des masses d'équilibrage pour la rotation dudit rotor, caractérisé en ce que lesdites masses d'équilibrage compensent le déséquilibre provoqué par ladite forme de demi-lune. 9. Procédé de fabrication d'un arbre selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit procédé comprend une première étape de réalisation dudit insert par un procédé 10 d'impression en trois dimensions utilisant de la poudre métallique, notamment de la poudre en acier inoxydable. 10. Procédé de fabrication d'un arbre selon la revendication 9, ledit arbre étant conforme à l'une des revendications 3 à 7, caractérisé en ce que ledit procédé comprend une deuxième étape de surmoulage de ladite deuxième surface (2) par ladite enveloppe 15 métallique (4), et une troisième étape d'usinage de ladite enveloppe métallique (4) pour découvrir ladite première extrémité d'entrée (6) et ladite deuxième extrémité de sortie (7).