Brevet FR3125368A1 — publié le 20230120

La présente invention concerne une machine électrique comprenant un rotor (2) et un stator, un carter et deux flasques (7). Les deux flasques (7) sont positionnés chacun à une extrémité longitudinale du carter (20) (aussi appelé boîtier) et forment, avec le carter, une enveloppe extérieure de la machine électrique. Le stator comprend un corps de stator (1) et des bobines (22) avec des têtes de bobines (3). Les têtes de bobines (3) sont enrobées d’un matériau d’enrobage (4), tel qu’une résine, remplissant un espace annulaire entre le corps de stator (1) et un des deux flasques (7). De plus, la machine électrique comprend un circuit de refroidissement du stator au moyen de la circulation d’un fluide de refroidissement (6). En outre, le circuit de refroidissement du stator comprend des tubes (5) traversant le corps de stator (1) et le matériau d’enrobage (4) des têtes de bobines (3), les tubes (5) étant reliés entre eux par des canaux de liaison (8) de manière à ce que le circuit de refroidissement forme un serpentin autour du stator et des têtes de bobines (3). Figure 1 à publier Machine électrique avec refroidissement des têtes de bobines La présente invention concerne le domaine des machines électriques et en particulier le refroidissement de ces machines électriques qui peuvent fonctionner en tant que moteur électrique ou en tant que générateur électrique. Les machines électriques de l’invention peuvent notamment être utilisées comme moteur électrique dans des applications de transport (automobile par exemple). L’invention peut notamment être utilisée pour une machine électrique synchro-réluctante, assistée ou non d’aimants permanents, mais peut également être appliquée à d’autres types de machines électriques, comme des machines synchrones ou asynchrones. Une machine électrique comporte classiquement une partie fixe, le stator, et une partie mobile en rotation, le rotor, disposées coaxialement l'une dans l'autre. Le rotor est généralement logé à l'intérieur du stator qui porte des bobinages électriques générant un champ magnétique permettant d'entraîner en rotation le rotor (fonctionnement en tant que moteur électrique). Le stator comprend généralement un corps de stator et des bobines qui entourent au moins partiellement le corps de stator. Lors de leur fonctionnement, les machines électriques s’échauffent du fait des pertes électromagnétiques (pertes par effet Joule et pertes fer) et mécaniques. Cet échauffement nuit à leur fonctionnement et conduit à la dégradation de leurs performances. Par exemple, si le stator n’est pas refroidi (ou pas suffisamment refroidi), la température du bobinage augmente, ce qui peut entraîner une baisse de la conductivité électrique du cuivre constituant les bobines et une diminution de la durée de vie du bobinage. La résistance électrique du cuivre augmentant, il y a également une perte de rendement. Les divers composants électromagnétiques d’une machine électrique, ainsi que certains matériaux isolants utilisés dans les pièces de la machine électrique, sont ainsi sensibles à l’échauffement produit en fonctionnement, et leur refroidissement est indispensable pour dissiper la chaleur produite, afin de conserver un bon rendement de la machine, d’assurer une répétabilité de ses performances, d’allonger sa durée de vie et de limiter la maintenance. La recherche d’un refroidissement performant est donc une préoccupation majeure pour les fabricants et les intégrateurs de machines électriques. Différents types de refroidissement existent, souvent adaptés à la puissance de la machine, parmi lesquels les systèmes de refroidissement par air, généralement d’efficacité moindre et parfois agressifs pour l’intérieur du moteur, les systèmes de refroidissement par liquide, par exemple par eau, notamment utilisés dès que les pertes sont importantes comme dans le cas des moteurs électriques, ou par huile. D’autres systèmes de refroidissement par hélium ou azote liquide peuvent être utilisés pour les machines électriques de centrales électriques. La demande de brevet FR 3 057 719 décrit notamment un système de refroidissement pour une machine électrique. Bien que le refroidissement par air constitue une solution intéressante économiquement, comparativement aux autres systèmes de refroidissement, il présente généralement une efficacité moindre, et est ainsi souvent cantonné au refroidissement de machines électriques peu puissantes. C’est le cas par exemple dans les applications où le refroidissement par air est typiquement utilisé pour des moteurs électriques d’une puissance inférieure à 20 kW, lorsque la surface d’échange disponible est suffisante et l’air non pollué. Au-delà, un système de refroidissement par liquide est souvent mis en œuvre. Dans le système de refroidissement conventionnel de moteurs électriques à liquide de refroidissement, le liquide de refroidissement est souvent inséré dans une « chemise » extérieure en contact avec le stator. Ainsi, le flux thermique transite par conduction du cuivre au stator puis par la chemise avant de terminer par convection dans le liquide de refroidissement. Cette solution refroidit bien le centre du stator et donc les encoches de cuivre mais a le désavantage que la source de refroidissement est assez éloignée des têtes de bobines situées aux extrémités du stator, les têtes de bobines étant libres dans l’air interne du moteur, l’air étant peu conducteur alors que les têtes de bobines sont le siège de l’échauffement le plus important du bobinage. On connaît également des solutions avec de la résine enrobant les têtes de bobines. Par exemple, la demande de brevet DE 10 2012 221 325 concerne un refroidissement du stator avec les têtes de résines enrobées dans une résine. Toutefois, ce circuit de refroidissement ne permet pas un refroidissement efficace des têtes de bobines car l’extrémité longitudinale des têtes de bobines n’est pas refroidie. De plus, ce système de refroidissement est relativement complexe à mettre en place autour du stator. La présente invention a pour objectif d’améliorer les performances de refroidissement du stator et notamment des têtes de bobines, tout en proposant un système de refroidissement simple à mettre en œuvre industriellement et à un coût réduit. Pour atteindre l’objectif, l’invention concerne une machine électrique comprenant un rotor et un stator coaxiaux autour d’un axe longitudinal, un carter et deux flasques. Les deux flasques sont positionnés chacun à une extrémité longitudinale du carter (aussi appelé boîtier) et forment, avec le carter, une enveloppe extérieure de la machine électrique. Le stator entoure le rotor et le stator comprend un corps de stator et des bobines avec des têtes de bobines. Les têtes de bobines sont enrobées d’un matériau d’enrobage, tel qu’une résine, remplissant un espace annulaire entre le corps de stator et un des deux flasques. De plus, la machine électrique comprend un circuit de refroidissement du stator au moyen de la circulation d’un fluide de refroidissement. En outre, le circuit de refroidissement du stator comprend des tubes traversant longitudinalement le corps de stator et le matériau d’enrobage des têtes de bobines, les tubes étant reliés entre eux par des canaux de liaison, de préférence situés dans les flasques, de manière à ce que le circuit de refroidissement forme un serpentin autour du stator et des têtes de bobines. Avantageusement, les tubes sont répartis régulièrement autour du stator, et de préférence le circuit de refroidissement du stator comprend entre 4 et 30 tubes dans le corps de stator. De manière préférée, le corps de stator comprend des bossages s’étendant dans la direction longitudinale pour le passage desdits tubes à travers ledit corps de stator. Selon un mode de réalisation de l’invention, les tubes sont frettés dans le corps de stator. Selon une variante avantageuse de l’invention, le circuit de refroidissement comprend une seule entrée de fluide de refroidissement et une seule sortie de fluide de refroidissement. De préférence, les canaux de liaison sont situés dans les flasques et la machine électrique comprend de préférence un moyen d’étanchéité au niveau de chaque liaison entre un tube et un canal de liaison dans les flasques, le moyen d’étanchéité comprenant de préférence un joint torique. Selon une configuration de l’invention, chaque canal de liaison dans un flasque pour la liaison entre deux tubes comprend deux trous longitudinaux dans le prolongement de chacun desdits deux tubes et un conduit rectiligne passant par les deux extrémités des trous longitudinaux, les deux trous longitudinaux étant non débouchant. De manière avantageuse, la machine électrique comprend un onduleur intégré et positionné sur le carter de la machine électrique. Selon une configuration de l’invention, le corps de stator comprend un empilement de tôles. De préférence, la machine électrique étant une machine synchro-réluctante, de préférence une machine synchro-réluctante assistée d’aimants permanents. Liste des figures D'autres caractéristiques et avantages de la machine électrique selon l'invention, apparaîtront à la lecture de la description ci-après d'exemples non limitatifs de réalisations, en se référant aux figures annexées et décrites ci-après. [Fig 1] La représente une vue en coupe d’un mode de réalisation de la machine électrique selon l’invention dans un plan comprenant l’axe longitudinal. [Fig 2] La représente une vue en coupe d’un mode de réalisation d’une portion du rotor et du stator d’une machine électrique selon l’invention dans un plan orthogonal à l’axe longitudinal. [Fig 3] La représente une vue en perspective d’un mode de réalisation de la machine électrique selon l’invention. [Fig 4] La représente une vue en perspective d’un flasque de la machine électrique selon un mode de réalisation de l’invention. [Fig 5] La représente une vue en transparence d’un flasque de la machine électrique selon un mode de réalisation de l’invention, dans un plan orthogonal à l’axe longitudinal. [Fig 6] La représente une vue en perspective d’une machine électrique avec un onduleur intégré selon l’invention. [Fig 7] La représente un exemple d’un circuit de refroidissement d’une machine électrique selon l’invention. [Fig 8] La illustre les courbes d’évolution de la température des têtes de bobines, du couple et de l’intensité du courant au cours du temps sur un point stabilisé au couple maximal pendant 30 secondes pour une machine électrique selon l’invention. [Fig 9] La illustre les courbes d’évolution de la température des têtes de bobines, de la puissance et de l’intensité du courant au cours du temps sur un point stabilisé à la puissance maximale pendant 30 secondes pour une machine électrique selon l’invention. Machine électrique comprenant un rotor (2) et un stator coaxiaux autour d’un axe longitudinal, un carter (20) et deux flasques (7), les deux flasques (7) étant positionnés chacun à une extrémité longitudinale du carter (20) et formant avec le carter une enveloppe extérieure de la machine électrique, le stator entourant le rotor (2), le stator comprenant un corps de stator (1) et des bobines (22) avec des têtes de bobines (3), les têtes de bobines (3) étant enrobées d’un matériau d’enrobage (4), tel qu’une résine, remplissant un espace annulaire entre le corps de stator (1) et un des deux flasques (7), la machine électrique comprenant un circuit de refroidissement du stator au moyen de la circulation d’un fluide de refroidissement (6), caractérisé en ce que le circuit de refroidissement du stator comprend des tubes (5) traversant longitudinalement le corps de stator (1) et le matériau d’enrobage (4) des têtes de bobines (3), les tubes (5) étant reliés entre eux par des canaux de liaison (8) de manière à ce que le circuit de refroidissement forme un serpentin autour du stator et des têtes de bobines (3). Machine électrique selon la revendication 1, pour lequel les tubes (5) sont répartis régulièrement autour du stator, et de préférence le circuit de refroidissement du stator comprend entre 4 et 30 tubes (5) dans le corps de stator (1). Machine électrique selon la revendication 1 ou 2, pour lequel le corps de stator (1) comprend des bossages (9) s’étendant dans la direction longitudinale pour le passage desdits tubes (5) à travers ledit corps de stator (1). Machine électrique selon l’une des revendications précédentes, pour lequel les tubes (5) sont frettés dans le corps de stator (1). Machine électrique selon l’une des revendications précédentes pour lequel le circuit de refroidissement comprend une seule entrée (24) de fluide de refroidissement et une seule sortie (25) de fluide de refroidissement. Machine électrique selon l’une des revendications précédentes, pour laquelle les canaux de liaison (8) sont situés dans les flasques (7) et pour laquelle la machine électrique comprend de préférence un moyen d’étanchéité au niveau de chaque liaison entre un tube (5) et un canal de liaison (8) dans les flasques (7), le moyen d’étanchéité comprenant de préférence un joint torique. Machine électrique selon la revendication 6, pour lequel chaque canal de liaison (8) dans un flasque (7) pour la liaison entre deux tubes (5) comprend deux trous longitudinaux (8a, 8b) dans le prolongement de chacun desdits deux tubes (5) et un conduit rectiligne (8c) passant par les deux extrémités des trous longitudinaux, les deux trous longitudinaux étant non débouchant. Machine électrique selon l’une des revendications précédentes comprenant un onduleur intégré (21) et positionné sur le carter (20) de la machine électrique. Machine électrique selon l’une des revendications précédentes, pour lequel le corps de stator (1) comprend un empilement de tôles. Machine électrique selon l’une des revendications précédentes, la machine électrique étant une machine synchro-réluctante, de préférence une machine synchro-réluctante assistée d’aimants permanents (12).