Brevet FR3103332A1 — publié le 20210521

Machine à refroidissement par liquide L’invention concerne une machine électrique tournante à refroidissement par liquide, comportant un rotor à aimants permanents et un stator bobiné, le rotor comportant : (i) au moins un paquet de tôles rotoriques, (ii) des aimants logés dans ledit paquet de tôles, (iii) des flasques avant et arrière adjacents audit paquet de tôles, la machine étant configurée pour assurer une circulation croisée du liquide de refroidissement au sein du paquet de tôles rotoriques. Figure pour l’abrégé : Fig. 2 Machine à refroidissement par liquide La présente invention concerne les machines électriques tournantes, et plus particulièrement celles refroidies par une circulation d’un liquide, notamment de l’huile, circulant au moins partiellement le long de l’arbre de la machine. L’invention porte plus particulièrement sur les machines synchrones ou asynchrones, à courant alternatif. Elle concerne notamment les machines 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 ou bus. L’invention s’applique également à des machines électriques tournantes pour des applications industrielles et/ou de production d’énergie, notamment navales, aéronautiques ou éoliennes. Il est connu de refroidir les têtes de bobines du stator par un liquide de refroidissement éjecté par le rotor sur celles-ci au cours du fonctionnement de la machine. La demande JP2003324901 décrit une machine à rotor à aimants permanents dans laquelle le liquide de refroidissement est amené au rotor par un canal axial, centré sur l’axe de rotation, circule par des canaux radiaux jusqu’à d’autres canaux s’étendant axialement le long des aimants pour refroidir ces derniers. Le liquide quitte le rotor à l’extrémité de ces canaux de refroidissement des aimants, pour être projeté sur des têtes de bobines du stator. Le rotor présente un agencement particulier, avec une couronne périphérique se raccordant en son milieu à l’arbre. La demande US2010/0194220 divulgue une autre machine à refroidissement par liquide, faisant intervenir une circulation de liquide au sein du rotor pour refroidir les aimants. Cette demande mentionne un risque d’enlèvement de l’isolant des têtes de bobines par le liquide de refroidissement en cas de projection sur ces dernières. Pour diminuer ce risque, le rotor comporte des pièces d’extrémité rapportées sur le paquet de tôles rotoriques, formant ensemble un passage pour le liquide, ce passage débouchant vers l’extérieur par des sorties situées radialement en retrait de la surface radialement extérieure du rotor. Un tel agencement accroît le nombre de pièces constitutives de la machine et complexifie sa réalisation. De plus, un moindre refroidissement des têtes de bobines est pénalisant sur le plan des performances de celle-ci. US 2019/0068012 divulgue un rotor refroidi par une circulation de liquide. Ce dernier est déchargé par des ouvertures traversantes réalisées dans des flasques d’extrémité. L’invention vise à améliorer le refroidissement des machines électriques refroidies par une circulation de liquide. L’invention vise à répondre à ce besoin et elle y parvient grâce à une machine électrique tournante à refroidissement par liquide, comportant un rotor à aimants et un stator bobiné, le rotor comportant : (i) au moins un paquet de tôles rotoriques, (ii) des aimants logés dans ledit paquet de tôles, (iii) des flasques avant et arrière adjacents audit paquet de tôles, la machine étant configurée pour assurer une circulation croisée du liquide de refroidissement au sein du paquet de tôles rotoriques. En particulier, le liquide peut circuler dans des canaux de refroidissement du paquet de tôles rotoriques qui sont décalés angulairement autour de l’axe de rotation, les canaux de refroidissement dans lesquels le liquide circule vers l’arrière alternant de préférence avec ceux dans lesquels le liquide circule vers l’avant, ces canaux de refroidissement étant de préférence parallèles et associés à des pôles respectifs du rotor. De préférence, la machine comporte une alimentation en liquide de refroidissement des flasques avant et arrière, le liquide alimentant le flasque avant circulant depuis ce dernier à travers le paquet de tôles par au moins un canal de refroidissement vers le flasque arrière avant de quitter le rotor par au moins un canal d’évacuation délimité au moins partiellement par le flasque arrière, et le liquide alimentant le flasque arrière circulant depuis ce dernier vers le flasque avant par au moins un canal de refroidissement du paquet de tôles avant de quitter le rotor par au moins un canal d’évacuation délimité au moins partiellement par le flasque avant. Les canaux d’évacuation débouchent de préférence en regard de têtes de bobines du stator, afin de permettre au liquide projeté de les refroidir. L’invention permet de refroidir la machine tout en limitant la force avec laquelle le fluide de refroidissement impacte le stator. La fabrication de la machine reste simple, et les flasques peuvent être réalisés simplement, si cela est souhaité, d’une seule pièce. L’invention permet d’obtenir un refroidissement équilibré selon l’axe longitudinal de la machine. Le flasque avant peut être celui qui est situé du côté de l’arbre du rotor qui vient en prise mécaniquement avec les éléments entraînés, et ce côté de l’arbre peut comporter un pignon d’entraînement, par exemple usiné avec l’arbre. De préférence, les flasques avant et arrière viennent chacun axialement en appui contre ledit paquet de tôles rotoriques à une extrémité. Ainsi, les canaux d’évacuation précités peuvent être formés en creux sur la face du flasque tournée vers ledit paquet de tôles rotoriques. Chaque flasque peut comporter au moins un canal d’alimentation par lequel le liquide alimentant le flasque gagne au moins un canal de refroidissement. Ce canal d’alimentation peut être formé en creux sur la face du flasque tournée vers le paquet de tôles rotoriques. Les canaux d’alimentation peuvent avoir chacun une forme de Y ou de T, ou toute autre forme appropriée. De préférence, les flasques avant et arrière sont identiques et décalés angulairement de manière à alimenter des canaux de refroidissement différents, les canaux de refroidissement parcourus par le liquide circulant du flasque avant vers le flasque arrière étant de préférence réalisés au sein des pôles impairs, et ceux parcourus par le liquide en sens inverse, étant de préférence situés au sein des pôles pairs. De préférence les canaux de refroidissement sont formés par des logements recevant des aimants, par l’espace laissé libre par le ou les aimants dans ces logements. Cet espace laissé libre peut notamment servir à canaliser le flux magnétique dans les tôles du paquet. En variante, les canaux de refroidissement peuvent être autre que des logements recevant des aimants. Les canaux de refroidissement peuvent être par exemple formés dans des évidements utilisés uniquement pour le refroidissement, ou pour d’autres utilisations, par exemple pour le procédé de fabrication. De préférence, les canaux d’évacuation présentent une forme évasée vers l’extérieur. Les canaux d’évacuation peuvent être formés par des renfoncements dont la profondeur augmente en se rapprochant de la périphérie extérieure du flasque. Chaque canal d’évacuation peut avoir une forme sensiblement trapézoïdale. La forme des canaux d’évacuation peut limiter la vitesse d’éjection du liquide tout en permettant d’arroser une large étendue des têtes de bobines du stator. De préférence, les canaux d’alimentation et d’évacuation alternent dans la direction circonférentielle sur chaque flasque. L’alimentation des flasques peut s’effectuer par l’arbre du rotor, ce dernier pouvant comporter un canal central et des canaux radiaux débouchant sur les canaux d’alimentation précités des flasques avant et arrière. Les canaux radiaux alimentant le flasque avant peuvent être décalés angulairement par rapport à ceux alimentant le flasque arrière, pour tenir compte du décalage angulaire entre les flasques. De préférence, chaque flasque est une pièce de fonderie, étant notamment réalisé en aluminium ou alliage d’aluminium. La géométrie du flasque, avec les canaux d’alimentation ou d’évacuation formés à l’interface entre le flasque et le paquet de tôles rotoriques, permet une fabrication très simple sans reprise d’usinage ni perçage. D’autres matériaux que l’aluminium peuvent être utilisés, par exemple d’autres matériaux peu magnétiques. L’invention a encore pour objet un procédé de refroidissement d’une machine électrique tournante dont le rotor comporte un paquet de tôles et des aimants logés dans celui-ci, et dont le rotor tourne au sein d’un stator ayant des têtes de bobines, notamment une machine telle que définie ci-dessus, dans lequel on fait circuler le liquide dans des sens opposés au sein du rotor pour refroidir les aimants, puis l’on projette sur les têtes de bobines du stator le liquide après traversée du paquet de tôles du rotor. La circulation à travers le paquet de tôles peut notamment avoir lieu de manière croisée sur toute la longueur du paquet de tôles, cette circulation s’effectuant entre des flasques avant et arrière. L’invention permet de refroidir le stator tout en limitant la force avec laquelle le fluide de refroidissement impacte le stator. La section agrandie des sorties des canaux d’évacuation évite la formation d’un jet puissant dirigé vers le stator. De préférence, le liquide circule axialement au sein du paquet, puis est éjecté radialement. Le coude formé à la jonction entre le paquet de tôles rotoriques et les flasques casse l’écoulement, et diminue ainsi la vitesse avec laquelle le liquide impacte les bobines. De préférence, on fait circuler axialement le fluide de refroidissement au sein du paquet de tôles rotoriques à travers des évidements de celui-ci réalisés dans les logements des aimants. De préférence également, on refroidit tous les pôles impairs par une circulation dans un sens et tous les pôles pairs par une circulation dans le sens opposé. L’invention pourra être mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, d’un exemple de mise en œuvre non limitatif de celle-ci, et à l’examen du dessin annexé, sur lequel : la figure 1 représente de façon partielle et schématique, en coupe longitudinale, une machine selon l’invention, la figure 2 représente isolément le rotor de la figure 1, et illustre la circulation du fluide de refroidissement dans des sens opposés au sein du paquet de tôles rotoriques, la figure 3 représente de manière partielle et schématique le rotor en faisant apparaître un flasque en coupe transversale dans son épaisseur, la figure 4 représente un détail du paquet de tôles rotoriques, la figure 5 représente isolément un flasque, et la figure 6 illustre le refroidissement des têtes de bobine par le liquide projeté par les canaux d’évacuation des flasques sur celles-ci. Description détaillée La machine électrique 1 selon l’invention, partiellement représentée à la figure 1, comporte un rotor 10 tournant à l’intérieur d’un stator 20 autour d’un axe de rotation X. Le stator 20 comporte un paquet 21 de tôles statoriques ménageant des encoches pour des conducteurs électriques d’un bobinage. Ces conducteurs dépassent axialement du paquet de tôles 21 pour former des têtes de bobines 22, encore appelées chignons. Le rotor 10 comporte au moins un paquet 11 de tôles rotoriques porté par un arbre 40 qui est guidé par des roulements (non représentés). Cet arbre 40 porte à l’avant un pignon 48 qui engraine avec des éléments entrainés, non représentés. L’extrémité de l’arbre 40 portant le pignon 48 est encore appelée « drive end ». Le paquet 11 comporte, comme visible également sur la figure 4, des logements 13 dans lesquels sont disposés des aimants permanents 14, dont la magnétisation peut être effectuée le cas échéant après leur mise en place dans les logements 13. Le rotor 10 comporte deux flasques d’extrémité avant et arrière 30a et 30b disposés contre les extrémités correspondantes du paquet 11. Les deux flasques 30a et 30b sont identiques dans l’exemple considéré, et présentent comme illustré sur la figure 5 sur leur face 31 tournée vers le paquet 11 un ensemble de reliefs en creux définissant des passages de circulation d’un fluide de refroidissement. Ce fluide de refroidissement, qui est de préférence une huile, est amené par un canal central 41 de l’arbre 40, comme illustré sur la figure 2. Ce canal 41 communique avec le flasque avant 30a par des canaux radiaux 42 et avec le flasque arrière 30b par d’autres canaux radiaux 43 dont on ne voit sur la figure 2 que l’embouchure donnant dans le canal central 41, ces canaux 43 étant décalés angulairement par rapport aux canaux 42. Si l’on se réfère à la figure 5, on voit que chaque flasque 30a ou 30b comporte des canaux d’alimentation 32 en forme générale de Y et des canaux d’évacuation 33 qui alternent avec les canaux d’alimentation 33 et débouchent sur la périphérie extérieure du flasque. Comme on peut le voir sur la figure 3, les canaux d’alimentation 32 présentent chacun une branche radiale 32a qui est alignée avec un canal radial 42 de l’arbre 40 et débouche sur celui-ci, et deux branches obliques 32b dans lesquelles se répartit le flux de liquide circulant dans la branche 32a. Les branches 32b se superposent au moins partiellement à des évidements 16 réalisés dans les tôles du paquet 11, et formant des canaux de refroidissement longitudinaux 17 à travers le paquet 11, comme illustré sur les figures 1 et 6. Les évidements 16 sont réalisés par découpe des tôles avec les logements 13 des aimants 14, et servent sur le plan magnétique à canaliser le flux magnétique dans les tôles du paquet 11. Les canaux d’évacuation 33 se superposent aux évidements 16 des pôles situés entre ceux qui sont alimentés par les canaux d’alimentation 32. Dans l’exemple considéré, le rotor présente 8 pôles, et chaque flasque 30a ou 30b comporte quatre canaux d’alimentation 32 et quatre canaux d’évacuation 33. Les flasques 30a et 30b sont décalés angulairement de 45° dans l’exemple considéré. Ainsi, les canaux 17 formés au sein du paquet 11 par les évidements 16 des pôles impairs se superposent à une extrémité aux canaux d’alimentation 32 du flasque avant 30a et aux canaux d’évacuation 33 du flasque arrière 30b, et les canaux 17 formés par les évidements des pôles pairs se superposent à une extrémité aux canaux d’évacuation 33 du flasque avant 30a et à l’extrémité opposée aux canaux d’alimentation 32 du flasque arrière 30b. Cela permet de créer au sein du rotor des circulations du liquide de refroidissement en des sens opposés. Plus précisément, comme illustré sur les figures 2 et 3, le liquide arrivant par le canal central 41 peut gagner le flasque avant 30a par les canaux radiaux 42, puis atteindre par les canaux d’alimentation 32 les canaux 17 des pôles impairs et circuler de l’avant vers l’arrière au sein du paquet de tôles (circulation marquée 1 sur les figures 2 et 3), avant de gagner les canaux d’évacuation 33 du flasque arrière 30b. Le liquide qui ne passe pas dans les canaux 42 atteint les canaux 43 en circulant le long du passage central 41, puis gagne le flasque arrière 30b et les canaux d’alimentation 32 de ce dernier. Le liquide circule alors de l’arrière vers l’avant dans les canaux 17 des pôles pairs (circulation marquée 2 sur les figures 2 et 3), avant de gagner les canaux d’évacuation 33 du flasque avant 30a. Chaque canal d’évacuation 33 présente une forme générale sensiblement trapézoïdale, avec des bords latéraux opposés 36 qui divergent vers l’extérieur, comme illustré sur la figure 5. L’étendue angulaire occupée sur la périphérie du flasque par un canal d’évacuation 33 est par exemple supérieure ou égale à 30° autour de l’axe X. La profondeur du canal d’évacuation 33, c’est-à-dire sa distance de laquelle il vient en retrait par rapport au plan de la face 31 du flasque, peut augmenter comme illustré sur la figure 6 avec la distance au centre du flasque. Sur la figure 6, on voit que le fond 37 du canal d’évacuation 33 présente une forme plane inclinée obliquement en éloignement du paquet 11. La largeur angulaire de la sortie du canal d’évacuation 33, ainsi que la pente de son fond 37, permettent d’arroser avec le liquide de refroidissement une large portion des têtes de bobines 22, comme illustré sur la figure 6. Les flasques 30a et 30b sont de préférence réalisés par fonderie, en aluminium ou alliage d’aluminium, et peuvent être maintenus contre le paquet 11 par des tirants non représentés. Les faces 31 des flasques 30a et 30b viennent avantageusement recouvrir les aimants 14 et contribuent ainsi à leur immobilisation axiale au sein du paquet 31. Le fonctionnement de la machine est le suivant. Lors de la rotation du rotor 10, le liquide de refroidissement circule en sens contraire au sein du paquet de tôles, comme expliqué plus haut, et refroidit les aimants. Le liquide quittant les canaux 17 ménagés au sein du paquet 11 est pulvérisé par les canaux d’évacuation 33 sur les têtes de bobines 22 du fait de la force centrifuge. Compte-tenu de la section élargie des sorties des canaux d’évacuation 33, on évite la formation de jets fins sous haute pression dont l’impact sur les têtes de bobines serait susceptible de les endommager. Dans l’exemple considéré, la présence du virage formé à la jonction entre les canaux de refroidissement 17, axiaux, et les canaux d’évacuation 33, radiaux, freine le liquide et réduit encore la vitesse d’impact sur les têtes de bobines. Le fluide de refroidissement projeté sur le stator peut être récupéré et pompé à l’extérieur du stator pour être refroidi avant d’être réinjecté par l’arbre creux 40. Bien entendu, l’invention n’est pas limitée à l’exemple qui vient d’être décrit. Le rotor peut être vrillé ou non. On peut réaliser le rotor avec d’autres passages pour le fluide de refroidissement. Le décalage angulaire entre les flasques peut être différent de 45°, en fonction de la polarité de la machine. D’une façon générale, ce décalage peut être de 360°/n plus l’angle de vrillage éventuel du rotor, où n désigne le nombre de pôles du rotor. Il peut par exemple être de 60° pour une machine à 6 pôles. De préférence, tous les pôles sont refroidis, mais en variante seulement certains d’entre eux le sont, par exemple un pôle sur deux ou un sur quatre. Les flasques peuvent présenter une forme autre que celle illustrée. Machine électrique tournante (1) à refroidissement par liquide, comportant un rotor (10) à aimants (14) et un stator bobiné (20), le rotor comportant : (i) au moins un paquet (11) de tôles rotoriques, (ii) des aimants (14) logés dans ledit paquet de tôles, (iii) des flasques avant (30a) et arrière (30b) adjacents audit paquet (11) de tôles, la machine étant configurée pour assurer une circulation croisée du liquide de refroidissement au sein du paquet de tôles rotoriques la machine comportant une alimentation en liquide de refroidissement des flasques avant et arrière, le liquide alimentant le flasque avant (30a) circulant depuis ce dernier à travers le paquet de tôles (11) par au moins un canal de refroidissement (17) vers le flasque arrière (30b) avant de quitter le rotor par au moins un canal d’évacuation (33) délimité au moins partiellement par le flasque arrière (30b), et le liquide alimentant le flasque arrière (30b) circulant depuis ce dernier vers le flasque avant (30a) par au moins un canal de refroidissement (17) avant de quitter le rotor par au moins un canal d’évacuation (33) délimité au moins partiellement par le flasque avant (30a). Machine selon la revendication 1, les flasques avant et arrière venant chacun axialement en appui contre ledit paquet de tôles rotoriques (11) à une extrémité, et les canaux d’évacuation (33) étant formés en creux sur la face (31) du flasque tournée vers ledit paquet de tôles rotoriques. Machine selon l’une quelconque des revendications précédentes, chaque flasque comportant au moins un canal d’alimentation (32) par lequel le liquide alimentant le flasque gagne au moins un canal de refroidissement (17). Machine selon la revendication 3, le canal d’alimentation (32) étant formé en creux sur la face du flasque tournée vers le paquet (11) de tôles rotoriques. Machine selon l’une des revendications 3 et 4, les canaux d’alimentation (32) ayant chacun une forme de Y ou de T. Machine selon l’une quelconque des revendications précédentes, les flasques avant (30a) et arrière (30b) étant identiques et décalés angulairement de manière à alimenter des canaux de refroidissement (17) différents, les canaux de refroidissement (17) parcourus par le liquide circulant du flasque avant vers le flasque arrière étant de préférence réalisés au sein des pôles impairs, et ceux parcourus par le liquide en sens inverse, étant de préférence situés au sein des pôles pairs. Machine selon l’une quelconque des revendications précédentes, les canaux de refroidissement étant formés par des logements (13) recevant des aimants (14), par l’espace (16) laissé libre par le ou les aimants dans ces logements. Machine selon l’une quelconque des revendications précédentes, les canaux d’évacuation (33) étant formés par des renfoncements dont la profondeur augmente en se rapprochant de la périphérie extérieure du flasque. Machine selon l’une quelconque des revendications précédentes, les canaux d’alimentation (32) et d’évacuation (33) alternant dans la direction circonférentielle sur chaque flasque (30a ; 30b). Machine selon la revendication précédente, chaque canal d’évacuation (33) ayant une forme sensiblement trapézoïdale. Machine selon l’une quelconque des revendications précédentes, l’alimentation des flasques s’effectuant par un arbre (40) du rotor. Machine selon l’une quelconque des revendications précédentes, les canaux d’évacuation (33) débouchant en regard de têtes de bobines (22) du stator. Machine selon l’une quelconque des revendications précédentes, chaque flasque (30a ; 30b) étant une pièce de fonderie, étant notamment réalisé en aluminium ou alliage d’aluminium. Procédé de refroidissement d’une machine électrique tournante telle que définie dans l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel on fait circuler le liquide dans des sens opposés au sein du rotor pour refroidir les aimants, puis l’on projette sur les têtes de bobines du stator le liquide après traversée du paquet de tôles (11) du rotor.