Brevet FR3098057A1 — publié le 20210101

Description Titre de l'invention : MACHINE ELECTRIQUE TOURNANTE MUNIE D'UN ELEMENT DE CONDUCTION THERMIQUE [0001] La présente invention porte sur une machine électrique tournante munie d'un élément de conduction thermique. L'invention trouve une application particulièrement avantageuse, mais non exclusive, avec les machines électriques tournantes pour véhicules automobiles. [0002] De façon connue en soi, les machines électriques tournantes comportent un stator et un rotor solidaire d'un arbre. Le rotor pourra être solidaire d'un arbre menant et/ou mené et pourra appartenir à une machine électrique tournante sous la forme d'un alternateur, d'un moteur électrique, ou d'une machine réversible pouvant fonctionner dans les deux modes. [0003] Le stator est monté dans un carter configure pour porter à rotation l'arbre par exemple 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, tel que des rivets traversant axialement le corps du rotor de part en part. Le rotor comporte des pôles formés par exemple par des aimants permanents logés dans des cavités ménagées dans la niasse magnétique du rotor, comme cela est décrit par exemple dans le document EP0803962. Alternativement, dans une architecture dite à pôles "saillants", les pôles sont formés par des bobines enroulées autour de bras du rotor. [0004] Par ailleurs, le stator comporte un corps constitué par un empilage de tôles minces formant une couronne, dont la face interne est pourvue d'encoches ouvertes vers l'intérieur pour recevoir des enroulements de phases. Ces enroulements de phases traversent les encoches du corps du stator et forment des chignons faisant saillie de part et d'autre du corps du stator. Les enroulements de phases sont obtenus par exemple à partir d'un fil continu recouvert d'émail. Ces enroulements sont des enroulements polyphasés connectés en étoile ou en triangle dont les sorties sont reliées à un onduleur de puissance. [0005] Dans certains types de chaînes de traction de véhicule automobile, une machine électrique tournante réversible de forte puissance est accouplée à la boîte de vitesses du véhicule ou à un train du véhicule automobile. La machine électrique est alors apte à fonctionner dans un mode alternateur pour fournir notamment de l'énergie à la batterie et/ou au réseau de bord du véhicule, et dans un mode moteur, non seulement pour assurer le démarrage du moteur thermique, mais également pour participer à la traction du véhicule seule ou en combinaison avec le moteur thermique. Compte tenu des 2 courants importants circulant dans les enroulements de phases du bobinage, ces machines électriques tournantes de forte puissance génèrent des calories au niveau du stator qu'il est difficile d'évacuer. [0006] L'invention vise à remédier efficacement à cet inconvénient en proposant une machine électrique tournante, notamment pour véhicule automobile, comportant: - un stator comportant un corps de stator et un bobinage inséré dans des encoches du corps de stator, ledit bobinage étant muni de chignons s'étendant en saillie de part et d'autre du corps de stator, - un rotor monté sur un arbre, ledit rotor comportant un corps de rotor et des pôles formés par des aimants permanents, et - au moins un palier comportant des moyens de guidage pour guider en rotation l'arbre, ladite machine électrique tournante comportant en outre un élément de conduction thermique présentant un coefficient de conduction thermique supérieur à celui de l'air, ledit élément de conduction thermique étant disposé entre un chignon du bobinage et le palier de façon à favoriser une évacuation de calories du bobinage vers le palier de la machine électrique tournante. [0007] Selon une réalisation, l'élément de conduction thermique est rapporté par rapport au corps de stator. [0008] Selon une réalisation, l'élément de conduction thermique est un élément non conducteur électrique. L'élément de conduction thermique présente une mauvaise conductivité électrique, de sorte qu'il n'influe pas sur les parties fonctionnelles de la machine électrique. L'élément de conduction thermique peut être isolant. [0009] Selon une réalisation, l'élément de conduction thermique est un élément de type bi- phasique, comme par exemple un caloduc. [0010] Selon une réalisation, la machine électrique comprend un deuxième élément de conduction thermique. Chacun des deux éléments de conduction thermique étant disposé d'un côté du stator différent. Les éléments de conduction thermique peuvent encadrer axialement le stator. [0011] Selon une réalisation, le bobinage est formé par des éléments conducteurs en forme d'épingles. [0012] Selon une réalisation, ladite machine électrique tournante présente une puissance nominale allant de 10 kW à 25 kW, notamment sous 48V. [0013] Selon une réalisation, les aimants permanents sont des aimants en terres rares. [0014] Selon une réalisation, le corps de stator contient quatre conducteurs par encoche. [0015] Selon une réalisation, un nombre de paires de pôles est compris entre 4 et 8 et vaut de préférence 5. [0016] Selon une réalisation, ladite machine électrique tournante présente une puissance 3 transitoire mécanique en mode moteur pendant 30 secondes sous 36 Volts minimum qui est de 16 kW. [0017] Selon une réalisation, ladite machine électrique tournante présente une puissance transitoire mécanique en mode moteur pendant 30 secondes sous 48 Volts minimum qui est de 21 kW. [0018] Selon une réalisation, ladite machine électrique tournante présente une puissance transitoire mécanique en mode moteur pendant 30 secondes sous 52 Volts minimum qui est de 26 kW. [0019] 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 titre illustratif mais nullement limitatif de l'invention. [0020] [fig.1] La figure 1 est une vue en coupe longitudinale d'une machine électrique tournante selon l'invention comportant un élément de conduction thermique favorisant une évacuation de chaleur du bobinage vers un palier; [0021] [fig.2] La figure 2 est une vue en perspective de l'élément de conduction thermique rapporté utilisé avec la machine électrique tournante selon l'invention; [0022] [fig.3] La figure 3 est une vue en perspective éclatée d'un stator de la machine électrique tournante selon l'invention; [0023] [fig.4] La figure 4 est une vue en perspective éclatée du rotor de la machine électrique tournante selon la présente invention. [0024] Les éléments identiques, similaires, ou analogues conservent la même référence d'une figure à l'autre. [0025] La figure 1 montre une machine électrique tournante 10 comportant un stator 11 polyphasé entourant le rotor 12 d'axe X correspondant à l'axe de la machine électrique. Le rotor 12 est monté sur un arbre 13. Le stator 11 est monté à l'intérieur d'un palier avant 14 situé du côté d'une sortie de l'arbre 13 et d'un palier arrière 15 situé du côté opposé. Chaque palier 14, 15 est muni chacun de moyens de guidage 17 pour guider en rotation l'arbre 13, tels que des roulements à billes. Chaque palier 14, 15 est réalisé dans un matériau métallique, par exemple en acier. Le stator 11 entoure le rotor 12 avec présence d'un entrefer entre la périphérie interne du stator 11 et la périphérie externe du rotor 12. La machine électrique 10 pourra comporter une chambre de refroidissement 18 pour la circulation d'un liquide de refroidissement tel que de l'eau ou de l'huile. [0026] Comme on peut le voir sur la figure 3, le stator 11 comporte un corps 20 en forme de paquet de tôles doté d'encoches 21, par exemple du type semi-fermées, équipées d'isolants d'encoches 22 pour le montage d'un bobinage 24. Le bobinage 24 est muni de chignons 25 s'étendant en saillie de part et d'autre du corps de stator 20. Chaque chignon 25 présente une forme globalement annulaire. [0027] Afin de favoriser une évacuation des calories d'un chignon 25 du bobinage 24 vers un palier 14, 15 de la machine électrique tournante 10, on utilise au moins un élément de conduction thermique 27 présentant un coefficient de conduction thermique supérieur à celui de l'air. Un élément de conduction thermique 27 est disposé entre un chignon 25 du bobinage 24 et un palier 14, 15 correspondant. L'élément de conduction thermique 27 présente une forme annulaire d'axe X'. L'élément de conduction est destiné à être monté de façon coaxiale avec le stator 11 et le rotor 12, de sorte que les axes X et X' sont destinés à être confondus l'un avec l'autre. Une face interne 27.1 de l'élément de conduction thermique 27 est en contact avec une périphérie externe d'un chignon 25 et une face externe 27.2 de l'élément de conduction thermique 27 est en contact avec une face interne d'un palier 14, 15 correspondant. [0028] De préférence, l'élément de conduction thermique 27 est rapporté par rapport au corps de stator 20, c'est-à-dire qu'il n'est pas moulé avec le corps de stator 20 mais constitue une pièce distincte par rapport au corps de stator 20. L'élément de conduction thermique 27 pourra éventuellement être collé pour le maintenir en position à l'intérieur de la machine électrique 10. [0029] L'élément de conduction thermique 27 est un élément mauvais conducteur électrique. L'élément de conduction thermique 27 est un élément de type biphasique, comme par exemple un caloduc. [0030] L'élément de conduction thermique 27 contribue à augmenter le coefficient d'échange thermique entre les paliers 14, 15 et les chignons de bobinage 25. Le gain estimé pour une même température de liquide de refroidissement est directement proportionnel à ce coefficient d'échange thermique noté h. Pour une puissance P dissipée, on a l'expression suivante P=h*deltaT, delta T étant une variation de température. En conséquence, pour une même puissance P à dissiper, si on augmente le coefficient d'échange thermique h en ajoutant au moins un élément de conduction thermique 27, on diminue "deltaT". Donc une augmentation de 10 % du coefficient h permet une diminution de 10% du paramètre "deltaT". [0031] Suivant un exemple de réalisation, le bobinage 24 est formé à partir d'éléments conducteurs 28 en forme d'épingles reliées électriquement entre elles par exemple par soudage. Le stator 11 contient avantageusement quatre conducteurs par encoche 21, un conducteur correspondant à une branche d'une épingle 28 de bobinage. Le bobinage 24 est par exemple un bobinage de type triphasé ou double triphasé, dont les phases sont connectées en étoile ou en triangle. Le stator 11 pourra également présenter une configuration vrillée suivant laquelle des tôles du corps de stator 20 sont décalées angulairement les unes par rapport aux autres suivant leur circonférence. Les phases du bobinage 24 sont reliées à un onduleur de puissance comportant des composants électroniques, tels que des diodes ou des transistors par exemple de type MOSFET. [0032] Par ailleurs, comme on peut le voir sur la figure 4, le rotor 12 comporte un corps de rotor 30 sous la forme d'un paquet de tôles pour diminuer les courants de Foucault, ainsi que des pôles constitués par des aimants permanents 31 en terres rares disposés à l'intérieur de cavités 32 de forme correspondante. Un pôle est formé par des aimants 31 en terres rares implantés de préférence suivant une forme en Yen périphérie externe du rotor 12. Le nombre de paires de pôles est compris entre 4 et 8, et vaut de préférence 5. [0033] Le rotor 12 est maintenu par des tirants 33 en un même nombre que le nombre de pôles du rotor 12. Ces tirants 33 traversent deux pièces d'équilibrages 34 ainsi que l'ensemble des tôles magnétiques du corps de rotor 30. [0034] Des organes de maintien 36, tels que des ressorts ou des languettes ou tout autre moyen équivalent, sont disposés de façon à maintenir en position les aimants permanents 31 à l'intérieur des cavités 32. [0035] La forme des pôles du rotor 12 est définie de façon à obtenir un flux magnétique continu dans l'entrefer. Les pôles présentent avantageusement une forme arrondie avec un rayon minimum de 5 degrés. Cela permet de réduire les forces magnétiques dans l'entrefer ainsi que les bruits. [0036] La configuration des pôles permet d'avoir un effet de réluctance (Ld diffcrent de Lq) compris typiquement entre 5 et 10%, ce qui permet d'augmenter le couple nominal de la machine électrique 10 d'au moins 3%. [0037] Tl est possible de vriller le rotor 12, c'est-à-dire que des tôles du corps de rotor 30 pourront être décalées angulairement les unes par rapport aux autres suivant leur circonférence. Afin de réaliser ce décalage qui permet de décaler progressivement les pôles, on pourra utiliser des aimants permanents 31 fractionnés. Les différents aimants 31 d'un même pôle pourront ainsi être décalés angulairement les uns par rapport aux autres pour renforcer l'effet continu-des formes d'ondes des signaux dans l'entrefer (courants et tensions de phase). [0038] Dans un mode de réalisation particulier, les performances recherchées de la machine électrique 10 sont indiquées ci-après. La machine électrique 10 présente un couple de l'ordre de 82 N.m à faible vitesse. [0039] La machine électrique 10 présente une puissance transitoire mécanique en mode moteur pendant 30 secondes sous 36 Volts minimum qui est de 16 kW. La puissance en continue est de 14 kW en mode continu, c'est-à-dire pour un fonctionnement en mode moteur pour une durée supérieure à 1 minute. [0040] La machine électrique 10 présente une puissance transitoire mécanique en mode moteur pendant 30 secondes sous 48 Volts minimum qui est de 21 kW. La puissance en continue est de 18 kW en mode continu c'est-à-dire pour un fonctionnement en mode moteur pour une durée supérieure à 1 minute. [0041] La machine électrique 10 présente une puissance transitoire mécanique en mode 6 moteur pendant 30 secondes sous 52 Volts minimum qui est de 26 kW. La vitesse maximum est au minimum de 20000 tours/min en régime continu. [0042] Suivant un exemple de réalisation particulier, la machine électrique 10 est de type double triphasé avec une longueur axiale de fer dans le rotor 12 et le stator 11 de l'ordre de 66 mm, un diamètre de l'ordre dc 161 mm et un poids de l'ordre de 15 kg. Par "de l'ordre de", on entend une variation de plus ou moins 10% autour de la valeur. [0043] 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 en remplaçant les différents éléments par tous autres équivalents. 7 REVENDICATIONS[Revendication 1] Machine électrique tournante (10), notamment pour véhicule au- tomobile, comportant: - un stator (11) comportant un corps de stator (20) et un bobinage (24) inséré dans des encoches (21) du corps de stator (20), ledit bobinage (24) étant muni de chignons (25) s'étendant en saillie de part et d'autre du corps de stator (20), - un rotor (12) monté sur un arbre (13), ledit rotor (12) comportant un corps de rotor (30) et des pôles formés par des aimants permanents (31), et - au moins un palier (14, 15) comportant des moyens de guidage (17) pour guider en rotation l'arbre (13), caractérisée en ce que ladite machine électrique tournante (10) comporte en outre un élément de conduction thermique (27) présentant un coefficient de conduction thermique supérieur à celui de l'air, ledit élément de conduction thermique (27) étant disposé entre un chignon (25) du bobinage (24) et le palier (14, 15) de façon à favoriser une évacuation de calories du bobinage (24) vers le palier (14, 15) de la machine électrique tournante (10). [Revendication 2] Machine électrique tournante selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'élément de conduction thermique (27) est rapporté par rapport au corps de stator (20). [Revendication 3] Machine électrique tournante selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que l'élément de conduction thermique (27) est un élément non conducteur électrique. [Revendication 4] Machine électrique tournante selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que l'élément de conduction thermique (27) est un élément de type biphasique, comme par exemple un caloduc. [Revendication 5] Machine électrique tournante selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que le bobinage (24) est formé par des éléments conducteurs (28) en forme d'épingles. [Revendication 6] Machine électrique tournante selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce qu'elle présente une puissance nominale allant de 10 kW à 25 kW, notamment sous 48V [Revendication 7] Machine électrique tournante selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que les aimants permanents (31) sont des aimants en terres rares. 8 [Revendication 8] Machine électrique tournante selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que le corps de stator (20) contient quatre conducteurs par encoche (21). [Revendication 9] Machine électrique tournante selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisée en ce qu'un nombre de paires de pôles est compris entre 4 et 8 et vaut de préférence 5.