Brevet FR3098038A1 — publié le 20210101

Description Titre de l'invention : MACHINE ELECTRIQUE TOURNANTE À CONFIGURATION CO-AXIALE [0001] La présente invention porte sur une machine électrique tournante à configuration co- axiale. 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. La machine peut être asynchrone et synchro-rcluctante. [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 de l'espace disponible réduit au niveau du train ou de la boîte de vitesses, il peut être 2 difficile d'intégrer la machine électrique dans certaines configurations de véhicules automobiles. [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, - un rotor monté sur un arbre, ledit rotor comportant un corps de rotor et des pôles formés par des aimants permanents, caractérisée en ce que l'arbre de rotor est creux de façon à délimiter une ouverture traversant axialcment ledit arbre de rotor de part en part pour le passage d'un arbre appartenant à une architecture de véhicule automobile. [0007] La présente invention permet ainsi, en autorisant le passage d'un arbre de l'architecture de véhicule automobile, d'obtenir un ensemble compact donc facilement implantable dans un environnement du véhicule automobile, tel que sur un train du véhicule automobile ou à l'intérieur d'une boîte de vitesses. [0008] Selon une réalisation, l'arbre de l'architecture de véhicule est un arbre de transmission destiné à être relié à au moins une roue. [0009] Selon une réalisation l'arbre de l'architecture de véhicule automobile est un arbre de boîte de vitesses. [0010] Selon une réalisation, un onduleur de puissance est disposé suivant un côté radial de la machine électrique tournante. L'onduleur est disposé radialement au-dessus de la machine électrique. L'onduleur de puissance n'est pas dans l'espace dans lequel est disposé les arbres. En variante l'onduleur peut être disposé sur un côté axial de la machine. L'onduleur peut être troué et présenter une forme cylindrique creuse. [0011] Selon une réalisation, le bobinage est formé par des éléments conducteurs en forme d'épingles. [0012] Selon une réalisation, ladite machine électrique tournante comporte un circuit de re- froidissement par eau ou par huile. [0013] Selon une réalisation, la machine électrique tournante présente une puissance nominale de 25 kW. [0014] Selon une réalisation, les aimants permanents sont des aimants en terres rares. [0015] Selon une réalisation, le corps de stator contient quatre conducteurs par encoche. [0016] Selon une réalisation, un nombre de paires de pôles est compris entre 4 et 8 et vaut de préférence 5. [0017] Selon une réalisation, ladite machine électrique tournante présente une puissance transitoire mécanique en mode moteur pendant 30 secondes sous 36 Volts minimum qui est de 16 kW. [0018] Selon une réalisation, ladite machine électrique tournante présente une puissance 3 transitoire mécanique en mode moteur pendant 30 secondes sous 48 Volts minimum qui est de 21 kW. [0019] 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. [0020] 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. [0021] [fig.1] La figure 1 est une vue en perspective d'une machine électrique tournante selon l'invention connectée à un arbre de train de véhicule automobile par l'intermédiaire d'un différentiel; [0022] [fig.2a] La figure 2a est une vue en perspective du rotor de la machine électrique tournante selon la présente invention; [0023] [fig.2b] La figure 2b est une vue en perspective éclatée du rotor de la machine électrique tournante selon la présente invention; [0024] [fig.3] La figure 3 est une vue en perspective éclatée d'un stator de la machine électrique tournante selon l'invention; [0025] [fig.4] La figure 4 est une vue en perspective d'un onduleur de la machine électrique tournante selon l'invention. [0026] Les éléments identiques, similaires, ou analogues conservent la même référence d'une figure à l'autre. [0027] La figure 1 montre une machine électrique tournante 10 accouplée avec un dif- férentiel 11 connecté à un arbre de transmission 12. Cet arbre de transmission 12 est destiné à être relié à chacune de ses extrémités à une roue d'un train du véhicule automobile. [0028] A cet effet, comme on peut le voir sur la figure 2a, l'arbre 14 du rotor 15 de la machine électrique 10 est creux de façon à délimiter une ouverture 17 traversant axialement ledit arbre 14 de part en part pour le passage de l'arbre de transmission 12. L'arbre de rotor 14 et l'arbre de transmission 12 sont co-axiaux suivant l'axe X du rotor 15. [0029] Un diamètre de l'ouverture 17 traversante pourra être compris entre 30mm et 45mm et valoir par exemple de l'ordre de 40mm. Par "de l'ordre de", on entend une variation de plus ou moins 10% autour de cette valeur. [0030] En variante, l'arbre 12 traversant l'ouverture 17 de l'arbre de la machine électrique 10 pourra être un arbre de boîte de vitesses, ou tout autre arbre de l'architecture d'un véhicule automobile. Un onduleur de puissance 19 est disposé suivant un côté radial de la machine électrique. [0031] Plus précisément, la machine électrique 10 comporte un stator 18 polyphasé entourant le rotor 15 d'axe X correspondant à l'axe de la machine électrique 10. Le rotor 15 est monté sur l'arbre creux 14. Le stator 18 est monté à l'intérieur d'un carter 20 configure pour porter à rotation l'arbre creux 14 via des roulements à billes. Le stator 18 entoure le rotor 15 avec présence d'un entrefer entre la périphérie interne du stator 18 et la périphérie externe du rotor 15. La machine électrique 10 pourra comporter un circuit de refroidissement par eau ou par huile. [0032] Comme on peut le voir sur les figures 2a et 2b, le rotor 15 comporte un corps de rotor 23 sous la forme d'un paquet de tôles pour diminuer les courants de Foucault, ainsi que des pôles constitués par des aimants permanents 25 en terres rares disposés à l'intérieur de cavités 26 de forme correspondante. [0033] Un pôle est formé par des aimants 25 en terres rares implantés de préférence suivant une forme en V en périphérie externe du rotor 15. Le nombre de paires de pôles est compris entre 4 et 8, et vaut de préférence 5. [0034] Le rotor 15 est maintenu par des tirants 28 en un même nombre que le nombre de pôles du rotor 15. Ces tirants 28 traversent deux pièces d'équilibrages 29 ainsi que l'ensemble des tôles magnétiques du corps de rotor 23. [0035] Des organes de maintien 30, tels que des ressorts ou des languettes ou tout autre moyen équivalent, sont disposés de façon à maintenir en position les aimants permanents 25 à l'intérieur des cavités 26. [0036] La forme des pôles du rotor 15 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. [0037] La configuration des pôles permet d'avoir un effet de réluctance (Ld different de Lq) compris typiquement entre 5 et 10%, ce qui permet d'augmenter le couple nominal de la machine électrique d'au moins 3%. [0038] 11 est possible de vriller le rotor 15, c'est-à-dire que des tôles du corps de rotor 23 pourront être décalées angulairement les unes par rapport aux autres suivant leur circonférence. [0039] Par ailleurs, comme cela est montré sur la figure 3, le stator 18 comporte un corps 32 en forme de paquet de tôles doté d'encoches 33, par exemple du type semi-fermées, équipées d'isolants d'encoches 31 pour le montage d'un bobinage 34. Le bobinage 34 comporte un ensemble d'enroulements de phases 35 réalisés à partir d'éléments conducteurs 36 en forme d'épingles reliées entre elles par exemple par soudage. Le stator 18 contient avantageusement quatre conducteurs par encoche 33, un conducteur correspondant à une branche d'une épingle de bobinage 34. Ces enroulements 35 sont par exemple des enroulements triphasés connectés en étoile ou en triangle. Le stator 18 pourra également présenter une configuration vrillée suivant laquelle des tôles du corps de stator 32 sont décalées angulairement les unes par rapport aux autres suivant leur circonférence. [0040] Les enroulements de phases 35 sont reliés à l'onduleur de puissance 19 comportant des composants électroniques, tels que des diodes ou des transistors par exemple de type MOSFET. Comme on peut le voir sur la figure 4, l'onduleur 19 pourra comporter un circuit de refroidissement par eau ayant une entrée d'eau 38 et une sortie d'eau 39, de sorte que l'eau peut circuler dans l'onduleur 19 suivant les flèches FI. [0041] 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. [0042] 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. [0043] 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. [0044] La machine électrique 10 présente une puissance transitoire mécanique en mode 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. [0045] Suivant un exemple de réalisation particulier, la machine électrique 10 est de type double triphasé avec une longueur axiale de fer dans le rotor 15 et le stator 18 de l'ordre de 66 mm un diamètre de l'ordre de 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. [0046] 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. 6 REVENDICATIONS[Revendication 1] 1. Machine électrique tournante (10), notamment pour véhicule au- tomobile, comportant: - un stator (18) comportant un corps de stator (32) et un bobinage (34) inséré dans des encoches (33) du corps de stator (32), - un rotor (15) monté sur un arbre (14), ledit rotor (15) comportant un corps de rotor (23) et des pôles formés par des aimants permanents (25), caractérisée en ce que l'arbre de rotor (14) est creux de façon à délimiter une ouverture (17) traversant axialement ledit arbre de rotor (14) de part en part pour le passage d'un arbre (12) appartenant à une architecture de véhicule automobile. [Revendication 2] Machine électrique tournante selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'arbre (12) de l'architecture de véhicule est un arbre de transmission destiné à être relié à au moins une roue. [Revendication 3] Machine électrique tournante selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que l'arbre (12) de l'architecture de véhicule automobile est un arbre de boîte de vitesses. [Revendication 4] Machine électrique tournante selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce qu'un onduleur de puissance (19) est disposé suivant un côté radial de la machine électrique tournante (10). [Revendication 5] Machine électrique tournante selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que le bobinage (34) est formé par des éléments conducteurs (36) en forme d'épingles. [Revendication 6] Machine électrique tournante selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce qu'elle comporte un circuit de refroidissement par eau ou par huile. [Revendication 7] Machine électrique tourmuite selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que la machine électrique tournante (10) présente une puissance nominale de 25 kW. [Revendication 8] Machine électrique tournante selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que les aimants permanents (25) sont des aimants en terres rares. [Revendication 9] Machine électrique tournante selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisée en ce que le corps de stator (32) contient quatre conducteurs par encoche (33). [Revendication 10] Machine électrique tournante selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisée en ce qu'un nombre de paires de pôles est compris 7 entre 4 et 8 et vaut de préférence 5.