Brevet FR3092949A1 — publié le 20200821

Description Titre de l'invention : Machine électrique comportant une roue de ventilateur Domaine de l'invention [0001] La présente invention se rapporte à une machine électrique comportant un stator et un rotor avec un arbre de rotor, le rotor ayant une roue de ventilateur avec un corps central dont sont issues des pales à partir d'une ligne de base. Etat de la technique [0002] Les machines électfiques, notamment celles utilisées comme générateurs et en par- ticulier leur application à des véhicules automobiles, utilisent des ventilateurs pour les refroidir. Les ventilateurs se composent d'une roue ayant un ensemble de pales sur le rotor de la machine électrique. La vitesse de la roue de ventilateur est ainsi définie par son couplage au rotor de la machine électrique, ce rotor étant lui-même relié, par exemple, par une poulie, à la counoie trapézoïdale du véhicule. Pendant le fonctionnement de la machine électrique, le rotor peut parfois tourner à des vitesses de rotation très élevées se traduisant par des forces centrifuges importantes exercées sur les pales. Du fait des variations de régime, les forces centrifuges exercées sur les pales sont variables. Les forces centrifuges peuvent provoquer la casse des pales et ainsi la machine électrique n'est plus suffisamment refroidie, d'autant plus que la machine peut être abîmée par des pales. [0003] But de l'invention [0004] La présente invention a pour but de développer une machine électrique du type ci- dessus ayant un ventilateur plus résistant. [0005] Exposé et avantages de l'invention [0006] A cet effet, l'invention a pour objet une machine électrique comportant un stator et un rotor avec un arbre, le rotor portant une roue de ventilateur ayant un corps central et au moins une pale en relief de ce corps central à partir d'une ligne de base, la pale ayant un centre de gravité, et dans la coupe longitudinale par l'arbre de rotor passant par le centre de gravité de la pale, ce centre de gravité est. pratiquement à niveau du point d'intersection (le la fibre neutre du corps central et (le la ligne de base. [0007] En d'autres termes, la machine électrique comporte un stator et un rotor avec un arbre de rotor. Le rotor est équipé d'une roue de ventilateur composée d'un corps central avec au moins une pale. La pale est relevée du corps central à partir d'une ligne de base. La ligne de base constitue ainsi la ligne qui est la limite entre le corps central et la pale. Cette pale a un centre de gravité et en coupe longitudinale suivant l'axe du rotor et passant par le centre de gravité, le centre de gravité est pratiquement à niveau 2 du point d'intersection de la fibre neutre du corps central et de la ligne de base. [0008] Ainsi, la ligne qui passe par le centre de gravité et le point d'intersection est perpen- diculaire à l'arbre de rotor. [0009] Dans le domaine de la résistance des matériaux, la fibre neutre désigne la fibre ou la couche d'une section de poutre dont la longueur ne varie pas lorsque la poutre subit une torsion ou une flexion. Une force induite de manière colinéaire dans cette ligne ne produit aucune contrainte supplémentaire de flexion ou de torsion, mais seulement une contrainte de traction ou de compression. [0010] Le centre de gravité d'une pale est également le point d'application de la force centrifuge s'exerçant sur la pale. Comme le centre de gravité de la pale est sur la ligne commune avec le point d'intersection, la contrainte de flexion que génère cette force centrifuge et qui s'exerce sur la pale est très faible et en particulier pratiquement nulle car il n'y a pas de bras de levier. Ainsi, pratiquement seules s'exercent les forces de traction. Dans ces conditions les forces de déformation ou contraintes de déformation s'exerçant sur la pale sont considérablement réduites. Par comparaison, les forces de déformation dans le cas des ventilateurs selon l'état de la technique dont le centre de gravité des pales de ventilateur est significativement plus haut que la fibre neutre, s'exercent sur la pale et peuvent courber la pale, notamment au niveau de la ligne de hase. Cela se traduit à long terme par la fatigue de la matière et des dommages pouvant aller jusqu'à la défaillance de la machine électrique. [0011] De façon avantageuse, dans la coupe longitudinale suivant l'arbre de rotor, le centre de gravité du premier segment de la pale, partant du corps central s'étend dans un premier demi-espace séparé par le plan et dans lequel se trouve la fibre neutre. Un second segment adjacent au premier segment s'étend à partir de ce premier demi-espace dans l'autre demi-espace délimité par le plan. En coupe longitudinale, la pale tout d'abord s'écarte du plan d'un côté de la ligne passant par le centre de gravité de la pale et le point d'intersection pour ensuite traverser la ligne et arriver sur l'autre côté de la ligne. Ainsi, en réglant la forme du premier segment et du second segment de la pale, on règle le centre de gravité de la pale et ainsi le point d'application de la force centrifuge d'une manière très précise au niveau des fibres neutres du corps central. [0012] De façon avantageuse, le premier segment de la pale a une forme en U ou une forme en V. Une telle forme en U ou en V est simple à réaliser pour la fabrication de la roue de ventilateur. Du fait de cette forme, le centre de gravité de la pale se règle précisément. La courbure peut être plus courte ou plus grande. Toutefois, la forme du premier segment n'est pas limitée à une forme en U ou en V. [0013] De manière avantageuse, la ligne de base fait un angle pal- rapport au rayon de la roue de ventilateur. Cet angle est supérieur à 0° et inférieur à 90° et de préférence il est supérieur à 30° et inférieur à 60° et d'une manière particulièrement préférentielle, il est 3 de l'ordre de 45°. Cela permet de faire passer un flux suffisant d'air vers les composants à refroidir de la machine électrique. [0014] Dc manière avantageuse, le corps central et la pale sont en une seule pièce. Ainsi, la pale peut être formée facilement dans la matière de la roue de ventilateur au moment de la réalisation de cette roue, en particulier par emboutissage et pliage et ainsi elle n'a pas à être reliée de manière coûteuse au corps central de la roue de ventilateur, par exemple, par vissage ou soudage. [0015] Le rotor comporte avantageusement un premier pôle à griffes et un second pôle à griffes. La roue de ventilateur est fixée au premier ou au second pôle à griffes. On peut également prévoir deux roues de ventilateur avec à chaque fois, une roue de ventilateur fixée à un pôle à griffes. Ainsi, à titre d'exemple, la machine électrique peut être un générateur à pôle à griffes. La machine électrique peut être refroidie à partir d'un côté ou des deux côtés suivant que la température s'élève à l'intérieur de la machine électrique. Le premier segment des pales est prévu de préférence sur le pôle à griffes de façon que le premier segment soit positionné dans un intervalle entre deux doigts ou griffes polaires. [0016] Dc façon avantageuse, le nombre de pales correspondant au nombre de griffes du premier pôle à griffes ou du second pôle à griffes. Le nombre de pales est ainsi adapté de manière optimale au nombre d'intervalles disponibles entre les griffes polaires ce qui optimise la ventilation de la machine électrique. On peut toutefois prévoir en plus, également des pales usuelles sur les griffes polaires du pôle à griffes car, dans ce cas, les contraintes de flexion décrites ci-dessus ne se produisent pas. Brève description des figures [0017] Une machine électrique selon la présente invention sera décrite ci-après, de manière plus détaillée à l'aide d'un mode de réalisation représenté dans les dessins annexés dans lesquels : [0018] [fig.1] vue en coupe schématique d'une machine électrique comportant une roue de ventilateur selon l'invention, [0019] [fig.2] vue en perspective schématique de la roue de ventilateur selon l'invention, [0020] [fig.3] coupe longitudinale schématique d'un segment de roue de ventilateur selon l'invention. [0021] Description du mode de réalisation de l'invention [0022] Dans cette description on utilisera les mêmes références pour désigner les éléments identiques ou analogues dont la description ne sera pas systématiquement répétée. [0023] La figure 1 est une représentation en coupe longitudinale schématique et simplifiée d'une machine électrique 1 conespondant à un mode de réalisation préférentiel ; cette machine est sous la forme d'un alternateur synchrone comprenant un rotor 20 comme rotor à griffes (encore appelé générateur à pôles à griffes) avec une excitation électrique régulée de la roue polaire, pour une application aux véhicules automobiles. [0024] La machine électrique 1 comprend un boîtier en plusieurs parties, notamment un boîtier métallique formé d'un panneau de palier 2 et 3 respectif pour les deux faces frontales. Les panneaux de palier 2 et 3 sont en forme de pot, notamment avec des évidements dans la face frontale et le côté périphérique pour le passage de l'air de ventilation. Un stator 10 est fixé axialement entre les deux panneaux de palier 2 et 3. Dans l'exemple de réalisation présenté, le stator est formé d'un paquet de lamelles et d'un bobinage à plusieurs phases ou bobinage de stator 4. Le paquet de lamelles peut être réalisé de manière connue à partir d'un ensemble de lamelles de tôle. [0025] L'enroulement de stator 4 est subdivisé en cordons d'enroulement qui orientés axialement, parallèlement les uns aux autres et logés dans des rainures radiales ouvertes vers l'intérieur. Le paquet de lamelles mis sous une forme cylindrique reçoit le rotor 20 et les panneaux de palier 2, 3 portent à rotation, l'axe R. L'arbre de rotor 100 porte deux pôles à griffes 300, 400 en opposition. Chaque pôle à griffes est, de préférence, en fer ; il est massif et comporte le long de sa périphérie, un ensemble de doigts ou griffes polaires qui s'étendent dans la direction axiale et qui ont pratiquement une forme trapézoïdale avec la même répartition angulaire dans la direction périphérique. [0026] Les deux pôles à griffes 300, 400 sont montés sur l'arbre de rotor 100 pour se faire face et pour que les doigts polaires en forme de griffes s'interpénètrent comme des pôles nord et sud. Ils couvrent un enroulement d'excitation 6, de forme annulaire sur un noyau polaire 15 maintenu à distance des deux pôles à griffes 300, 400. [0027] Les surfaces d'extrémité, axiales des pôles à griffes 300, 400 portent des ventilateurs 200 fixés à ces pôles. Les flux d'air passent alors axialement à travers les ouvertures frontales des panneaux de palier en étant aspirés par les deux ventilateurs ; ces flux sortent radialement par les orifices à la périphérie des panneaux de palier de sorte que les têtes du bobinage de stator 4 sont exposées au flux radial d'air de refroidissement. Les ventilateurs de ce mode de réalisation comportent une roue de ventilateur 200 selon l'invention avec un corps central 210 et des pales 220. [0028] L'extrémité de l'arbre de rotor 100 à l'opposé du côté d'entraînement (à droite dans la figure) porte une paire de bagues de frottement 7 pour l'alimentation électrique de l'enroulement d'excitation 6. Le courant continu de l'enroulement d'excitation 6 génère un champ magnétique axial, fixe par rapport au rotor et dévié dans la direction radiale par les pôles à griffes 300, 400. La rotation du rotor génère un champ magnétique pour le stator 10. [0029] Ce champ, tourne avec une vitesse de rotation synchrone par rapport aux pôles à griffes 300, 400 et il induit une tension alternative dans chaque cordon ou chaque phase de l'enroulement de stator 4. Les différentes tensions alternatives dans les cordons sont déphasées les unes par rapport aux autres d'un angle (angle de déphasage). Par exemple, pour un enroulement à trois cordons, symétriques, les trois tensions de phase de forme sinusoïdale sont décalées de 120° dans le temps. La même remarque s'applique aux courants alternatifs. [0030] Les halais en carbone poussés contre la surface des bagues de frottement 7 sont tenus dans un carquois 8 qui, forme un ensemble avec un régulateur 9 qui régule sur une tension constante, les tensions alternatives induites dans les enroulements en fonction de la vitesse de rotation et de la charge. [0031] Le courant alternatif fourni par l'enroulement de stator 4 est transmis par un dispositif à redresseurs 11 au réseau embarqué du véhicule ; le dispositif à redresseurs 11 est, par exemple, sur le panneau de palier arrière extérieur 3. Le dispositif à redresseurs 11 et le régulateur 9 sont couverts par un capot protecteur 12 sur la face frontale arrière de la machine électrique 1. [0032] La figure 2 montre schématiquement une forme de réalisation préférentielle de la roue de rotor 200 selon l'invention, représentée en perspective. La roue de rotor 200 se compose d'un corps central 210 et de dix pales 220 réparties de manière égale à la périphérie de la roue dc rotor 200. De façon préférentielle, le nombre dc pales 220 de la roue de rotor 200 correspond au nombre de griffes polaires des pôles à griffes 300, 400 de sorte que dans chaque intervalle entre deux griffes polaires, on a une pale 220. Le corps central 210 de ce mode de réalisation est pratiquement plan mais cette forme plane n'est pas limitative. [0033] Chaque pale 220 est relevée à partir de la ligne de base 230 du corps central 210 de la roue de ventilateur 200. La ligne de base 230 fait un angle a par rapport au rayon 290 de la roue de ventilateur 200. L'angle a de ce mode de réalisation est égal à 45° sans que toutefois l'invention soit limitée à un tel angle de 45° ; l'angle a peut varier entre 0° et 90° ou entre 30° et 60°. [0034] Un premier segment 270 de chaque pale 220 s'étend à partir du corps central 210 dans un premier demi-espace (qui se trouve sous la pale de ventilateur 200 à la figure 2) délimité par le plan 235 dans lequel se trouve la phase neutre 250 (voir figure 3) du corps central 210 ; un second segment 280 adjacent à chaque premier segment 270 de chaque pale 220 est issu de ce premier demi-espace et passe dans le second demi-espace délimité par le plan 235 (ce demi-espace se trouve au-dessus de la pale de ventilateur 200 à la figure 2). Dans cette forme de réalisation, le centre de gravité 240 de la pale 220 se situe également dans le plan 235. Le point d'intersection 260 de la fibre neutre 250 du corps central 210 et de la ligne de base 230 se situe également dans le plan 235. Le premier segment 270 a une forme en V. [0035] La roue de ventilateur 200 est ici en métal, par exemple, une tôle de fer ou une tôle 6 d'aluminium ; le corps central 210 et les pales 220 sont en une seule pièce. Les pales 220 sont mises en forme à partir de la matière de la pale de ventilateur 200 pendant la fabrication, notamment par emboutissage et pliage ; cela permet de fabriquer facilement la roue de ventilateur 200. La roue de ventilateur 200 peut, par exemple, être soudée au pôle à griffes, adjacent. [0036] La figure 3 est le détail d'une coupe longitudinale le long de la ligne de coupe HI-III de la figure 2 par l'arbre de rotor 100 (non représenté) et la roue de ventilateur 200. La roue de ventilateur 200 est fixée à la première griffe polaire 300, par exemple, par une soudure. La fibre neutre 250 passe dans le plan 235 ou dans le corps central 210 de la roue de ventilateur jusqu'au point d'intersection 260 de la fihre neutre 250 du corps central 210 avec la ligne de hase 230. Le centre de gravité 240 de la pale 220 se situe pratiquement à niveau avec la fihre neutre 250. Une flèche 500 explicite la force centrifuge s'exerçant sur le centre de gravité 240 de la pale 220. Comme le centre de gravité 240 de la pale 220 est pratiquement à niveau avec la fihre neutre 250, seules une contrainte de traction et une contrainte de flexion très faibles pourront s'exercer sur la pale. [0037] La figure 3 montre également que le premier segment 270 de la pale 220, partant du corps central 210, s'étend dans le premier demi-espace (sous la fibre neutre 250 à la figure 3) qui est délimité par le plan 235 dans lequel se trouve la fibre neutre 250 du corps central 210 ; le second segment 280 de la pale 220 adjacent au premier segment 270 sort de ce premier demi-espace et s'étend dans l'autre demi-espace délimité par le plan 235 (au-dessus de la fibre neutre 250 à la figure 3). Dans ce mode de réalisation, le premier segment 270 a une forme en U. [0038] On peut également avoir en plus des pales, notamment qui se relèvent à partir de la ligne de base seulement dans le premier demi-espace adjacent à des positions ou qui sont prévus sur les griffes du pôle à griffes. Dans cette réalisation (non représentée) les différents inconvénients présentés dans le préambule n'interviennent plus de cette manière car les pales sont soutenues par les griffes polaires et ainsi elles ne peuvent pas se déformer trop fortement. [0039] NOMENCLATURE DES ELEMENTS PRINCIPAUX [0040] 1 Machine électrique [0041] 2, 3 Panneaux de palier [0042] 4 Enroulement de stator [0043] 6 Enroulement d'excitation [0044] 7 Paire de bagues de frottement [0045] 9 Régulateur [0046] 10 Stator [0047] 11 Dispositif à redresseurs 7 [0048] 12 Capot [0049] 15 Noyau polaire [0050] 20 Rotor [0051] 100 Arbre de rotor [0052] 200 Roue de ventilateur [0053] 210 Corps central [0054] 220 Pale [0055] 230 Ligne de hase [0056] 235 Plan du corps central [0057] 240 Centre de gravité de la pale [0058] 250 Fibre neutre [0059] 260 Point d'intersection de la fibre neutre et du corps central [0060] 270 Premier segment de la pale [0061] 280 Second segment de la pale [0062] 300 Pôle à griffes [0063] 400 Pôle à griffes [0064] 500 Flèche schématisant la force centrifuge s'exerçant sur le centre de gravité 8