Brevet FR3093388A1 — publié le 20200904

Description Titre de l'invention : Machine électrique tournante ayant un refroidissement du stator amélioré Domaine technique de l'invention [0001] L'invention concerne une machine électrique tournante du type comportant un carter et un stator reçu serré dans le carter, ainsi qu'un moyen de refroidissement du stator. Technique antérieure [0002] Actuellement, une machine électrique tournante, comme un moteur électrique de forte puissance permettant de mouvoir un véhicule automobile, nécessite des moyens de refroidissement des différents composants qui la constituent et en particulier du stator du fait de la génération de chaleur importante de telles machines tournantes. Il est donc nécessaire de pouvoir refroidir efficacement le stator et en particulier le bobinage. Dans le document US 2006/0119196, il est décrit un tel moteur électrique qui comporte un corps de stator réalisé à partir d'un empilement de lames ou de plaques magnétiques dans lequel sont aménagées des encoches permettant de recevoir le bobinage du stator. Ces encoches sont orientées longitudinalement. De sorte à refroidir les têtes de bobine du bobinage, le document décrit la mise en place de chemises délimitant, avec les faces d'extrémité longitudinale du corps de stator, des chambres annulaires de refroidissement autour des têtes de bobine dans lesquelles un fluide de refroidissement circule entre les spires des têtes de bobine. Chacune des chambres ainsi formées comporte leurs propres entrée et sortie de fluide de refroidissement, cela permet d'assurer un refroidissement maitrisé des têtes de bobine. Toutefois, la partie du bobinage qui est dans le corps de stator n'est pas refroidie de manière correcte. Exposé de l'invention [0003] Un but de l'invention est de fournir une machine électrique tournante dont le bobinage du stator est refroidi de manière maitrisée et optimale. [0004] A cette fin, il est prévu, selon l'invention, une machine électrique tournante comportant un cartcr, un stator comprenant un corps de stator fixé dans le carter et comportant des première et deuxième faces d'extrémité longitudinale, des encoches ménagées et s'étendant longitudinalement dans le corps de stator entre les première et deuxième faces d'extrémité longitudinale, un bobinage traversant longitudinalement le corps de stator au travers les encoches et comportant des premier et deuxième ensembles de têtes de bobine s'étendant en saillie d'au moins l'une des première et deuxième faces d'extrémité longitudinale du corps de stator, une première chambre en forme de portion d'anneau agencée autour du premier ensemble de têtes de bobine et 2 une deuxième chambre en forme de portion d'anneau agencée autour du deuxième ensemble de têtes de bobine, les première et deuxième chambres étant en communication fluidique l'une avec l'autre par les encoches, l'une parmi les première et deuxième chambres étant une chambre d'admission en fluide de refroidissement et l'autre parmi les première et deuxième chambres étant une chambre d'évacuation en fluide de refroidissement de sorte qu'un flux de fluide de refroidissement entre les première et deuxième chambres annulaires soit forcé dans les encoches lors d'un fonctionnement de la machine électrique tournante. [0005] Avantageusement, mais facultativement, la machine électrique tournante selon l'invention présente au moins l'une des caractéristiques techniques suivantes : le premier ensemble de têtes de bobine s'étend en saillie de l'une des première et deuxième faces d'extrémité longitudinale et le deuxième ensemble de têtes de bobine s'étend en saillie de l'autre des première et deuxième faces d'extrémité longitudinale ; les première et deuxième chambres sont des chambres annulaires ; les premier et deuxième ensembles de têtes de bobines s'étendant en saillie dc l'une des première et deuxième faces d'extrémité longitudinale, le bobinage comporte un troisième ensemble de têtes de bobine s'étendant en saillie de l'autre des première et deuxième faces d'extrémité longitudinale et la machine comprend une troisième chambre en forme de portion d'anneau agencée autour du troisième ensemble de têtes de bobine et en communication fluidique avec les première et deuxième chambres par les encoches ; la troisième chambre est une chambre annulaire ; les portions d'anneau des première et deuxième chambres forment un anneau complet ; les première et deuxième chambres sont des chambres semi-annulaires ; la troisième chambre est délimitée par une chemise venue de matière avec une paroi du carter ; les première et deuxième chambres sont délimitées par une chemise venue de matière avec une paroi du carter ; le carter comportant des premier et deuxième paliers de serrage du corps de stator, la chemise est ménagée dans les premier et/ou deuxième paliers de serrage ; la machine comporte des moyens d'alimentation en fluide de refroidissement de la chambre d'admission ; les moyens d'alimentation en fluide de refroidissement sont positionnés en partie haute du carter ; la machine comporte des moyens d'évacuation en fluide de refroidissement de 3 la chambre d'évacuation ; les moyens d'évacuation en fluide de refroidissement sont positionnés en partie basse du carter ; des moyens d'étanchéité sont prévus au niveau d'une connexion entre les chambres et les encoches ; les moyens d'étanchéité comprennent un joint annulaire situé de manière centripète par rapport aux encoches ; les encoches présentent en section une forme fermée ; les encoches comportent une ouverture radialement centripète, la machine comportant en outre un manchon de fermeture de l'ouverture radialement centripète, coaxial du corps de stator ; le corps de stator comporte un empilement longitudinal de lames ou plaques de stator ; et, le bobinage comporte un ensemble d'épingles. Brève description des dessins [0006] D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront à la lecture de la description qui suit d'un mode dc réalisation de l'invention. Aux dessins annexés : [fig.1[ est une vue schématique en coupe d'une machine électrique tournante selon un mode de réalisation de l'invention ; [fig.2[ est une vue en coupe de détail d'une partie d'une des chambres annulaires dc la machine de la figure 1 ; [fig.3[ est une vue schématique de détail en coupe d'une encoche, selon un premier mode de réalisation, du corps de stator dc la machine de la figure 1 ; [fig.4[ est une vue tridimensionnelle d'un corps de stator comportant un deuxième mode de réalisation des encoches ; et, [fig.51 est une vue schématique de détail en coupe d'une encoche de la figure 4. description detaillee d'un mode de réalisation 100071 En référence aux figures 1 à 3, nous allons décrire un mode de réalisation d'une machine électrique tournante 1 selon l'invention. 100081 La machine électrique tournante 1 selon l'invention comporte un carter 10 formé, ici, d'un premier couvercle de carter 12, d'un corps de carter 11 et d'un deuxième couvercle de carter 13. La machine électrique tournante 1 selon l'invention comporte en outre, ménagé au sein du carter 10, un rotor 50 monté fixe sur un arbre de rotor 51. L'arbre de rotor 51 est maintenu dans le carter I. libre à rotation, par un palier 52 dans le couvercle de carter 12 et par un palier 53 dans le deuxième couvercle de carter 13. [0009] D'autre part, la machine électrique tournante 1 selon l'invention comporte un stator 40 monté fixe dans le corps de carter 12 de sorte à cntourcr complètement le rotor 50. Le stator 40 comprend, ici, un corps de stator 41 et un bobinage 45 reçu longitudinalement dans le corps de stator 41 et présentant des têtes de bobine 42,43 s'étendant en saillie longitudinalement de part et d'autre du corps de stator 41 depuis des faces d'extrémité longitudinale 411 et 412 du corps de stator 41. Le corps de stator 41 peut être soit monobloc, soit un empilement de lames, tôles ou plaques de stator. [0010] Le corps de stator 41 comporte une série d'encoches 44 s'étendant longitudinalement entre les deux faces d'extrémité longitudinale 411,412 dans lesquelles sont reçus les conducteurs du bobinage 45. Les conducteurs peuvent être éventuellement composés de multiples brins de matériau conducteur électriquement. Dans un mode de réalisation, le bobinage 45 est formé à partir d'un ensemble d'épingles en matériau conducteur électriquement. En section, comme illustré à la figure 3, chaque encoche 44 présente une forme fermée allongée radialement. Une fois, le bobinage 45 en place, il existe des interstices entre les différents conducteurs et/ou brins du bobinage 45 passant par l'encoche 44 et entre lesdits conducteurs et/ou brins et des parois latérales de l'encoche 44. [0011] Le corps de carter 11 est ici de forme cylindrique et présente une dimension longi- tudinale qui est similaire à une dimension longitudinale du corps de stator 41 qui est reçu, ici, serré dans le corps de carter 11. Le premier couvercle de carter 12 comporte une chemise 121,122,152 délimitant en partie une première chambre, ici annulaire, de refroidissement 15. La chemise comporte une paroi latérale 121 du premier couvercle de carter 12, une partie annulaire radialement externe d'une paroi de fond 122 du premier couvercle de carter 12 et une paroi 152 radialement interne s'étendant en saillie depuis la paroi de fond 122 et en regard et à distance de la paroi latérale 121. La paroi 152 est venue de matière avec le premier couvercle de carter 12. Ainsi la chemise formée est venue de matière avec le premier couvercle de carter 12. Lors d'un montage de la machine électrique tournante 1 selon l'invention, le premier couvercle de carter 12 vient en appui sur le corps de carter 11 et sur une partie radialement externe de la face d'extrémité longitudinale 411 du corps de stator 41 au niveau d'une extrémité libre de la paroi latérale 121 et sur une partie radialement interne de la face d'extrémité longitudinale 411 du corps de stator 41 au niveau d'une extrémité libre de la paroi 152 de la chemise Ainsi, la chemise du premier couvercle de carter 12 associée à la face d'extrémité longitudinale 411 du corps de stator 41 forment la première chambre, ici annulaire, de refroidissement 15 dans laquelle s'étendent les premières têtes de bobine 43 du bobinage 45. Les premières têtes de bobine 43 forment alors un premier ensemble de têtes de bobine. Par conséquent, les encoches 44 débouchent dans la première chambre annulaire 15 au niveau de la face d'extrémité longitudinale 411 du corps de stator 41. D'autre part, le premier couvercle de carter 12 comporte des moyens de communication fluidique 151 en fluide de refroidissement de la première chambre annulaire de refroidissement 15. Ici, les moyens de communication fluidique 151 sont une portion de conduit s'étendant longitudinalement à travers la paroi de fond 122 du premier couvercle de carter 12 et située en partie basse du carter 10. [0012] De manière similaire, le deuxième couvercle de carter 13 comporte une chemise 131,132,142 délimitant en partie une deuxième chambre, ici annulaire, de refroidissement 14. La chemise comporte une paroi latérale 131 du deuxième couvercle de carter 13, une partie annulaire radialemcnt externe d'une paroi de fond 132 du deuxième couvercle de carter 13 et une paroi 142 radialcment interne s'étendant en saillie depuis la paroi de fond 132 et en regard et à distance de la paroi latérale 131. La paroi 142 est venue de matière avec le deuxième couvercle de carter 13. Ainsi la chemise formée est venue de matière avec le deuxième couvercle de carter 13. Lors d'un montage de la machine électrique tournante 1 selon l'invention, le deuxième couvercle de carter 13 vient en appui sur le corps de carter 11 et sur une partie radialement externe de la face d'extrémité longitudinale 412 du corps de stator 41 au niveau d'une extrémité libre de la paroi latérale 131 et sur une partie radialcment interne de la face d'extrémité longitudinale 412 du corps de stator 41 au niveau d'une extrémité libre de la paroi 142 de la chemise. Ainsi, la chemise du deuxième couvercle de carter 13 associée à la face d'extrémité longitudinale 412 du corps de stator 41 forment la deuxième chambre, ici annulaire, de refroidissement 14 dans laquelle s'étendent les deuxièmes têtes de bobine 42 du bobinage 45. Les deuxièmes têtes de bobine 42 forment alors un deuxième ensemble de têtes de bobine. Par conséquent, les encoches 44 débouchent dans la deuxième chambre annulaire 14 au niveau de la face d'extrémité longitudinale 412 du corps de stator 41. D'autre part, le deuxième couvercle de carter 13 comporte des moyens de communication fluidique 141 en fluide de refroidissement de la deuxième chambre annulaire de refroidissement 14. Ici, les moyens de communication fluidique 141 sont une portion de conduit s'étendant radialement à travers la paroi latérale 131 du deuxième couvercle de carter 13 et située en partie haute du carter 10. [0013] 11 est à noter que lors d'un assemblage de machine électrique tournante 1 selon l'invention, les premier 12 et deuxième 13 couvercles de carter forment respectivement des premier et deuxième paliers de serrage du corps de stator 41. D'autre part pour éviter toutes fuites de fluide de refroidissement en dehors des première 15 et deuxième 14 chambres de refroidissement, des moyens d'étanchéité 60 sont prévus au niveau d'une connexion entre les première 15 et deuxième 14 chambres et les encoches. Plus particulièrement, les moyens d'étanchéité 60 sont ici un joint annulaire qui est pris en sandwich entre l'extrémité libre de la paroi 152, respectivement 142, de la chemise et la face d'extrémité longitudinale 411, respectivement 412, du corps de stator 41. Ainsi cela évite un écoulement de fluide de refroidissement des chambres de refroidissement 6 vers un entrefer présent entre le stator 40 et le rotor 50. [0014] Lors d'un fonctionnement, le fluide de refroidissement est par exemple introduit par les moyens de communication fluidique 141, qui deviennent alors des moyens d'admission en fluide de refroidissement, dans la deuxième chambre de refroidissement 14 qui forme alors une chambre d'admission en fluide de refroidissement. De préférence, le fluide de refroidissement est injecté sous pression de sorte à occuper de manière optimale un volume de la deuxième chambre de refroidissement 14 : ainsi le deuxième ensemble de têtes de bobines 42 baignent complètement dans le fluide de refroidissement. Ensuite, le fluide de refroidissement pénètre dans les encoches 44 et s'écoule autour et le long des conducteurs et/ou brins du bobinage 45 dans les interstices précédemment décrits. Cet écoulement du fluide de refroidissement est illustré par les flèches visibles sur la figure 2. Puis, le fluide de refroidissement ressort des encoches 44 vers la première chambre de refroidissement 15 qu'il remplit cornplétement, noyant ainsi le premier ensemble de têtes de bobine 43 pour les refroidir à leur tour de manière optimale. La première chambre de refroidissement 15 forme alors une chambre d'évacuation en fluide de refroidissement. Le fluide de refroidissement est évacué enfin par les moyens de communication fluidique 151, qui deviennent alors des moyens d'évacuation en fluide de refroidissement. [0015] En variante, la circulation du fluide de refroidissement peut s'effectuer de manière inverse. [0016] En référence aux figures 4 et 5, nous allons brièvement décrire une deuxième confi- guration de la machine électrique tournante 1 selon l'invention. Cette configuration se différencie du mode de réalisation précédent par le fait que les encoches 144 du corps de stator 146 recevant les conducteurs et/ou brins du bobinage 45 présentent, en section, une forme ouverte : les encoches 144 comportent une ouverture 145 radialement centripète débouchant au niveau d'une face radialement interne du corps de stator 146. Afin de fermer les encoches 144 pour permettre une circulation de fluide de refroidissement en leur sein, un manchon 160 de fermeture de l'ouverture 145 radialement centripète, coaxial du corps de stator 146. Le manchon 160 vient alors compléter les moyens d'étanchéité 60 décrit précédemment. [0017] Selon une variante de réalisation de la machine électrique tournante 1 selon l'invention, le premier ensemble de têtes de bobine est formé par une partie des premières têtes de bobine 43, par exemple et le deuxième ensemble de têtes de bobine par une autre partie des premières têtes de bobine 43. Ainsi, les premier et deuxième ensembles de têtes de bobine s'étendent en saillie depuis la même face d'extrémité longitudinale 411. Par conséquent, la première chambre de refroidissement agencée autour du premier ensemble de têtes de bobine n'est plus qu'en forme de portion d'anneau. De même, la deuxième chambre de refroidissement agencée autour du deuxième 7 ensemble de têtes de bobine n'est plus qu'en forme de portion d'anneau. Par exemple, les portions d'anneau des première et deuxième chambres forment un anneau complet. Par exemple encore, les première et deuxième chambres de refroidissements sont scmiannulaires. D'autres partitions et nombre de chambres de refroidissement sont possibles. [0018] Dans cette variante de réalisation de la machine électrique tournante 1 selon l'invention, le bobinage comporte un troisième ensemble de têtes de bobine formé par tout ou partie des deuxièmes têtes de bobine 42 s'étendant en saillie de l'autre 412 des première 411 et deuxième 412 faces d'extrémité longitudinale. En particulier, le troisième ensemble de têtes de bobine comprend les têtes de bobine 42 associées aux encoches 44 débouchant dans la première chambre de refroidissement, d'une part, et d'autre part, les têtes de bobine 42 associées aux encoches 44 débouchant dans la deuxième chambre de refroidissement. La machine électrique tournante 1 selon l'invention comprend alors une troisième chambre de refroidissement en forme de portion d'anneau agencée autour de ce troisième ensemble de têtes de bobine. Ainsi, cette troisième chambre de refroidissement est en communication fluidique avec les première et deuxième chambres de refroidissement par les encoches 44. Les première et deuxième chambres de refroidissement sont par conséquent en communication fluidique l'une avec l'autre via les encoches 44 précitées. Par exemple, si les portions d'anneau des première et deuxième chambres forment un anneau complet, la troisième chambre de refroidissement est une chambre annulaire. De plus, la troisième chambre de refroidissement est réalisée de la même manière que les première 14 et deuxième 15 chambres de refroidissement, comme décrit précédemment pour le mode de réalisation de la machine électrique tournante 1 selon l'invention illustrée aux figures annexées. [0019] Le fonctionnement de cette variante de réalisation de la machine électrique tournante selon l'invention est similaire à celui de la machine électrique tournante 1 selon l'invention décrit précédemment. Par exemple, le fluide de refroidissement est introduit par les moyens de communication fluidique, qui deviennent alors des moyens d'admission en fluide de refroidissement, dans la première chambre de refroidissement qui forme alors une chambre d'admission en fluide de refroidissement. De préférence, le fluide de refroidissement est injecté sous pression de sorte à occuper de manière optimale un volume de la première chambre de refroidissement : ainsi le premier ensemble de têtes de bobines baigne complètement dans le fluide de refroidissement. Ensuite, le fluide de refroidissement pénètre dans les encoches 44 associées débouchantes dans la première chambre de refroidissement et s'écoule autour et le long des conducteurs et/ou brins du bobinage 45 dans les interstices précédemment décrits. Puis, le fluide de refroidissement ressort de ces encoches 44 vers la troisième chambre de refroidissement qu'il remplit complétement, noyant ainsi le troisième ensemble de 8 têtes de bobine pour les refroidir à leur tour de manière optimale. Ensuite, le fluide de refroidissement pénètre dans les encoches 44 associées débouchantes dans la deuxième chambre de refroidissement et s'écoule autour et le long des conducteurs et/ou brins du bobinage 45 dans les interstices précédemment décrits. La troisième chambre de refroidissement forme une chambre de liaison. Puis, le fluide de refroidissement ressort de ces encoches 44 vers la deuxième chambre de refroidissement qu'il remplit cornplétement, noyant ainsi le deuxième ensemble de têtes de bobine pour les refroidir à leur tour de manière optimale. La deuxième chambre de refroidissement forme alors une chambre d'évacuation en fluide de refroidissement. Le fluide de refroidissement est évacué enfin par les moyens de communication fluidique, qui deviennent alors des moyens d'évacuation en fluide de refroidissement, associés à la deuxième chambre de refroidissement. [0020] D'autres agencements des chambres de refroidissement sont possibles. [0021] En variante de réalisation de la machine électrique tournante 1 selon l'invention, l'un parmi les premier 12 et deuxième 13 couvercles de carter est venu de matière avec le corps de carter 11. [0022] La machine électrique tournante 1 selon l'invention qui vient d'être décrite permet de réaliser un refroidissement du bobinage 45, et donc du stator 40, par un contact direct du fluide refroidissement avec les conducteurs et/ou brins dudit bobinage 45 qui est la source de calories à évacuer du stator 40 de la machine électrique tournante 1 selon l'invention. [0023] La machine électrique tournante 1 selon l'invention qui vient d'être décrite peut être une machine synchrone ou asynchrone. Elle est notamment une machine de traction ou de propulsion de véhicules automobiles électriques (Battery Electric Vehicle) et/ou hybrides (Hybrid Electric Vehicle - Plug-in Hybrid Electric Vehicle), telles que voitures individuelles, camionnettes, camions, bus, cars. La machine électrique tournante 1 selon l'invention peut être mise en oeuvre dans des applications industrielles et/ou de production d'énergie, telles qu'éolienne, bateau, sous-marin. [0024] Bien entendu, il est possible d'apporter à l'invention de nombreuses modifications sans pour autant sortir du cadre de celle-ci. 9