Brevet FR3093383A1 — publié le 20200904

Description Titre de l'invention : Machine électrique tournante ayant une chambre annulaire de refroidissement améliorée 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. Dans le document EP 1 109 298, 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. D'autre part, le corps de stator comporte des canaux orientés longitudinalement et un fluide de refroidissement circule au sein de ces canaux. Toutefois, dans certaines configurations de fixation du stator, et en particulier du corps de stator, dans un carter, un tel écoulement longitudinal du fluide de refroidissement au sein de canaux n'est pas compatible : c'est le cas lorsque le corps de stator est monté sen-é entre deux paliers du carter qui viennent en appui de sen-age sur les deux extrémités longitudinales du corps de stator et le refroidissement de la machine électrique tournante devient problématique. Exposé de l'invention [0003] Un but de l'invention est de fournir une machine électrique tournante dont le stator est monté serré dans le carter entre deux paliers qui ne présente pas les inconvénients précédents. [0004] A cette fin, il est prévu, selon l'invention, une machine électrique tournante comportant un carter comprenant des premier et deuxième paliers de serrage et une face interne, un stator comprenant un corps dc stator monté serré entre les premier et deuxième paliers dc serrage et présentant une face externe s'étendant en regard dc la face interne délimitant ensemble une chambre annulaire de refroidissement entourant le corps dc stator, le corps de stator comportant un empilement longitudinal de tôles de stator dont chaque tôle de stator comporte un noyau annulaire présentant une circonférence externe et au moins deux excroissances radialement centrifuges s'étendant en saillie depuis la circonférence externe du noyau annulaire, dans la chambre annulaire de refroidissement, et diamétralement opposées l'une par rapport à l'autre, 2 les tôles de stator de l'empilement longitudinal étant identiques et deux tôles de stator adjacentes de l'empilement longitudinal étant décalées angulairement l'une par rapport à l'autre de sorte que leurs excroissances respectives ne s'étendent pas l'une en regard de l'autre. [0005] Avantageusement, mais facultativement, la machine électrique tournante selon l'invention présente au moins l'une des caractéristiques techniques suivantes : [0006] chaque excroissance comporte des première et deuxième faces reliant la cir- conférence externe du noyau annulaire à une face radialemcnt externe formant un sommet de l'excroissance considérée, au moins l'une parmi les première et deuxième faces est tangente à la circonférence externe ; [0007] l'autre parmi les première et deuxième faces est tangente à la circonférence externe ; [0008] chaque tôle de stator de l'empilement est en outre montée serrée dans la chambre annulaire de refroidissement, les excroissances étant en appui sur la face interne du carter ; [0009] les excroissances comprennent une face radialcment externe formant un sommet de l'excroissance considérée, la face radialement externe étant en appui surfacique avec la face interne du corps de carter ; [0010] la machine comporte des moyens d'alimentation en fluide de refroidissement dc la chambre annulaire de refroidissement ; [0011] les moyens d'alimentation en fluide de refroidissement sont positionnés en partie haute du carter ; [0012] la machine comporte des moyens d'évacuation en fluide de refroidissement de la chambre annulaire de refroidissement ; [0013] les moyens d'évacuation en fluide de refroidissement sont positionnés en partie basse du carter ; et, [0014] les moyens d'évacuation en fluide de refroidissement comprennent un bac de récu- pération. Brève description des dessins [0015] D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront à la lecture de la description qui suit d'un mode de 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 tridimensionnelle en coupe de la machine de la figure 1 ; [fig.3] est une vue de détail tridimensionnelle en coupe illustrant l'agencement du corps de stator de la machine de la figure 1 ; [fig.4] est une vue de côté d'une tôle de stator pour une machine électrique tournante selon l'invention ; 3 Ifig.51 est une vue partielle en coupe selon V-V du carter et du corps de stator de la machine de la fleure 1; et, Ifig.61 est une vue de détail de la partie haute de la fleure 5. description detaillee d'un mode de réalisation 100161 En référence aux figures 1 et 2, nous allons décrire l'architecture générale d'un mode de réalisation d'une machine électrique tournante 1 selon l'invention. [0017] La machine électrique tournante 1 selon l'invention comporte un carter 10 formé, ici, d'un couvercle de carter 12 et d'un corps de carter 11 comprenant un fond 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 10, libre à rotation, par un palier 52 dans le couvercle de carter 12 et par un palier 53 dans le fond 13 du corps de carter 11. [0018] D'autre part, la machine électrique tournante 1 selon l'invention comporte un stator 40 monté fixe dans le corps de carter 11 de sorte à entourer complètement le rotor 50. Le stator 40 comprend, ici, un corps de stator 41 et un bobinage reçu longitudinalement dans le corps de stator 41 et présentant des têtes de bobine 42 s'étendant en saillie longitudinalement de part et d'autre du corps de stator 41. Le corps de stator 41 comporte une face externe 43, ici cylindrique. Le corps de stator 41 est maintenu en place, en premier lieu, entre des premier 14 et deuxième 15 paliers de serrage ménagés à cet effet dans le corps de carter 11. Par exemple, le premier palier 14 est venu de matière avec le corps de carter 11 alors que le deuxième palier de serrage 15 est rapporté lors d'un assemblage de la machine électrique tournante 1 selon l'invention. Ainsi, le corps de stator 41 est monté serré dans le carter 10 entre les premier 14 et deuxième 15 paliers de serrage. Positionnée entre les premier 14 et deuxième 15 paliers de serrage, le carter 10 comporte une face interne 17, globalement cylindrique. La face interne 17, une fois l'assemblage de la machine électrique tournante 1 selon l'invention effectué, s'étend en regard de la face externe 43 du corps de stator 41. [0019] Une fois le corps de stator 41 monté serré entres les premier 14 et deuxième 15 paliers de serrage dans le carter 10, les faces interne 17 et externe 43 ainsi que les premier 14 et deuxième 15 paliers de serrage délimitent une chambre annulaire de refroidissement 21 : les faces interne 17 et externe 43 délimitent radialement la chambre annulaire de refroidissement 21 et les premier 14 et deuxième 15 paliers de serrage la délimitent longitudinalement. Ainsi la machine électrique tournante 1 selon l'invention comprend une chambre annulaire de refroidissement 21 qui est continue et qui entoure complètement le corps de stator 41 de manière coaxiale. Longitudinalement, la chambre annulaire de refroidissement 21 s'étend sur quasiment une largeur du corps de stator 41. [0020] De sorte à alimenter la chambre annulaire de refroidissement 21, la machine électrique tournante 1 selon l'invention comporte des moyens d'alimentation en fluide de refroidissement 20.1-ci, les moyens d'alimentation en fluide de refroidissement 20 sont positionnés dans une partie haute du carter 10. Il se présente ici sous la forme d'au moins un orifice 20 traversant une paroi latérale du corps de carter 11, le au moins un orifice 20 débouchant dans la chambre annulaire de refroidissement 21 au niveau de la face interne 17 du corps de carter 11. Sur la figure 1 est illustrée une série de trois orifices 20 uniformément répartis sur une largeur de la chambre annulaire de refroidissement 21, selon une direction longitudinale de la machine électrique tournante 1 selon l'invention. [0021] D'autre part, la machine électrique tournante 1 selon l'invention comporte des moyens d'évacuation en fluide de refroidissement 16,30,118. Ici les moyens d'évacuation en fluide de refroidissement sont positionnés en partie basse du carter 10, par exemple à l'opposé diamétralement des moyens d'alimentation en fluide de refroidissement 20. Les moyens d'évacuation en fluide de refroidissement comprennent un bac de récupération 16 muni d'un orifice de sortie 30. Le bac de récupération 16 présente une largeur inférieure à la largeur de la chambre annulaire de refroidissement 21 selon une direction longitudinale de la machine électrique tournante 1 selon l'invention. D'autre part, la machine électrique tournante 1 selon l'invention comporte une paroi de séparation 117 entre la chambre annulaire de refroidissement 21 et le bac de récupération 16. Cette paroi de séparation 117 est ici une portion de cylindre venu de matière avec le corps de carter 11. Elle comporte un orifice de communication fluidique 118 entre la chambre annulaire de refroidissement 21 et le bac de récupération 16. [0022] Le corps de stator 41 de la machine électrique tournante 1 selon l'invention comporte un empilement longitudinal de tôles de stator 410 monté serré non seulement entre les premier 14 et deuxième 15 paliers de serrage, mais aussi dans la chambre annulaire de refroidissement 21 à l'encontre de la face interne 17 comme nous allons maintenant le décrire. [0023] En référence à la figure 4, la tôle de stator 410 comporte un noyau annulaire 433 présentant une circonférence radialement interne 431 qui, au montage de la machine électrique tournante 1 selon l'invention, vient entourer le rotor 50 de manière coaxiale, et une circonférence radialement externe 430 qui, au montage de la machine électrique tournante 1 selon l'invention, vient définir en partie la face externe 43 du corps de stator 41. D'autre part, la tôle de stator 410 comporte, ici, deux excroissances 432 radialement centrifuges s'étendant en saillie depuis la circonférence externe 430 du noyau annulaire 433. Chacune des excroissances 432 comportent une face radialement externe formant un sommet 435 de l'excroissance 432 considérée. De plus, chacune des excroissances 432 comportent des première 436 et deuxième 437 faces reliant la circonférence externe 430 du noyau annulaire 433 au sommet 435 de l'excroissance considérée. -Ici, les première 436 et deuxième 437 faces sont tangentes à la circonférence externe 430 du noyau annulaire 433 de la tôle de stator 410. Le sommet 435 de chaque excroissance 432 s'étend circonférentiellement sur un secteur angulaire compris entre 30' et 60', de préférence entre 45° et 60°, et encore plus préférentiellement de l'ordre de 50c. Il est à noter que la tôle de stator 410 ainsi réalisée présente une symétrie centrale de centre un centre géométrique C du noyau annulaire 433. Ainsi toutes les tôles de stator 410 de l'empilement sont identiques permettant de réduire les coûts de production du corps de stator 41 résultant. [0024] Bien que non représentés, le noyau annulaire 433 comporte des orifices traversants répartis sur une circonférence. Ces orifices traversant, une fois l'empilement réalisé vont définir des encoches de réception des brins du bobinage du stator 40. [0025] Lors d'une réalisation de l'empilement longitudinal pour former le corps de stator, les tôles de stator 410 sont empilées de sorte à cc que deux tôles de stator adjacentes 410a et 410b (figures 2,3,5,6) soient décalées angulairement l'une par rapport à l'autre de sorte que leurs excroissances respectives ne s'étendent pas l'une en regard de l'autre. Ici, illustré, le décalage angulaire et de l'ordre de 90°. Ainsi, comme cela est visible sur les figures 5 et 6, en vue de côté, la deuxième face 437 de l'excroissance 432 de la tôle de stator 410a est parallèle et alignée avec la première face 436 de l'excroissance 432 de la tôle de stator 410b adjacente à la tôle de stator 410a. Il en est de même pour la première face 436 de l'excroissance 432 de la tôle de stator 410a qui est parallèle et alignée avec la deuxième face 437 de l'excroissance 432 de la tôle de stator 410b adjacente à la tôle de stator 410a. [0026] Une fois le corps de stator 41 ainsi formé en place dans le carter 10, les sommets 435 de chacune de excroissances 432 de chaque tôle de stator 410 est en appui surfacique sur la face interne 17 du corps de stator 41 permettant ainsi un montage serré de chaque tôle de stator 410 dans le carter 10. Cela renforce le maintien final du corps de stator 41 dans le carter 10. [0027] D'autre part, la chambre annulaire de refroidissement 21 est délimitée par l'ensemble des faces 430.436,437 des tôles de stator 410 formant la face externe 43 du corps de stator 41 et la face interne 17 du corps de carter 11. Sur toute l'étendue angulaire des excroissances 432, la chambre annulaire de refroidissement 21 présente des portions circonférentielles de canaux de refroidissement 210 parallèles les uns aux autres sur une même étendue angulaire et décalés d'une épaisseur de tôle de stator 410 sur un étendue angulaire adjacente. Entre deux étendues angulaires adjacentes, un méplat étant formé par la succession des premières 436 et deuxièmes 437 faces des excroissances 432 lors de l'empilement, chaque canal 210 d'une étendue angulaire est en communication fluidique avec les canaux 210 de l'étendue angulaire adjacente. Cela 6 permet une répartition du fluide de refroidissement dans la chambre annulaire de refroidissement 21. [0028] Lors d'un fonctionnement, le fluide de refroidissement est introduit dans la chambre annulaire de refroidissement 21 via les orifices 20 des moyens d'alimentation 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 chambre annulaire de refroidissement 21 : ainsi le fluide de refroidissement s'écoule sur toute la face externe 43 du corps de stator 41, en particulier le long de l'ensemble des canaux circonférentiels 210 pour finir par s'écouler dans le bac de récupération 16 via l'orifice 118 et être extrait de la chambre annulaire de refroidissement par l'orifice de sortie 30. [0029] La machine électrique tournante 1 selon l'invention qui vient d'être décrite permet de réaliser un refroidissement du corps de stator 41, et donc du stator 40, par un contact direct du fluide refroidissement sur une face, la face externe 43 ici, dudit corps de stator. Cela permet d'avoir un contact sur toute une circonférence du corps de stator 41 de sorte à avoir une captation des calories à évacuer de manière optimale sur toute cette circonférence. Cette captation est d'autant plus efficace que le corps de stator 41 est un empilement longitudinal de tôles de stator 410 car le fluide de refroidissement est en contact avec les éléments de l'empilement par la tranche (circonférence externe 430, premières 436 et de deuxième 437 faces des excroissances 432), ces éléments présentant une meilleure conductivité thermique dans le sens radial que dans un sens longitudinal. [0030] 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. [0031] Bien entendu, il est possible d'apporter à l'invention de nombreuses modifications sans pour autant sortir du cadre de celle-ci. 7