Brevet FR3146248A1 — publié le 20240830

Machine électrique à flux magnétique axial à 2 stators 10,20 identiques assemblés sur une entretoise 30 montée à l’intérieur d’un carter 70 fermé par un couvercle 80, refroidie à l’aide de 2 dispositifs distincts : le premier est un circuit de refroidissement des stators 10,20 par un liquide en contact avec les bobines 13 et les culasses 14 dans les chambres 15a,25a; Le second est un circuit de refroidissement du disque rotor 41a par air pulsé par une turbine 60 portée par le rotor 40, circulant dans la chambre constituée par le carter 70 et le couvercle 80. Figure pour l’abrégé : Fig. 6 Machine électrique à flux magnétique axial équipée d'un double dispositif de refroidissement. DOMAINE TECHNIQUE DE L’INVENTION La présente invention concerne un moteur ou une génératrice électrique dite à flux magnétique axial comportant au moins un rotor discoïde à plusieurs plots d’aimants permanents et au moins un stator plat de forme annulaire à plusieurs bobines réparties radialement de manière régulière et dont l’axe est orienté parallèlement à celui du rotor. ETAT DE LA TECHNIQUE On connait deux concepts principaux : celui comportant un stator central et deux rotors latéraux, illustré par la publication GB2482928, et à l’inverse celui comportant un rotor central agencé entre deux stators, illustré par la publication FR3064422. Précisément, l’invention se rapporte au deuxième type. Dans ce concept, le rotor est confiné entre les stators, il ne peut être refroidi. S’il y a un échauffement excessif généré principalement par les courants de Foucault, les aimants peuvent perdre leurs caractéristiques magnétiques lorsque la température dépasse une valeur critique. De plus, l’échauffement par rayonnement des stators peut encore augmenter la température du rotor. La solution proposée dans la publication FR3110767 pour atténuer l’échauffement est la très forte segmentation des blocs d’aimants. Les courants de Foucault sont alors drastiquement réduits. Concernant les stators, Dans la publication GB2482928, la solution proposée pour atténuer les pertes énergétiques est de remplacer l’empilage des tôles par un «Soft Magnetic Composites – SMC». Le plot statorique est réalisé à partir d’une poudre de fer doux, dont les particules sont enrobées d’un isolant électrique. La poudre est compressée dans un moule pour obtenir la forme voulue, puis subit un traitement thermique afin d’assurer cohésion et résistance mécanique. Dans la publication FR3046888 le moyen de refroidissement déployé est un échange par conduction entre le liquide de refroidissement, circulant dans une chambre dans chaque carter, et le plot statorique, et cela à travers la tôle support des plots et la toile de carter. Or, la capacité de refroidissement détermine la puissance maximale de la machine. Pour améliorer le refroidissement, il faut faire en sorte que les sources de chaleur, l’effet Joules dans les bobinages, les courants de foucault entraînant des pertes fer dans le stator et le rotor, soient en contact direct avec le flux d’un fluide de refroidissement, qu’il soit liquide ou gazeux. PRESENTATION DE L’INVENTION l’objet de cette invention est de proposer un double dispositif de refroidissement : circulation d’un fluide liquide pour les stators, au contacts des bobinages et de la culasse ; circulation d’air sur les surfaces du disque rotor. Selon une première caractéristique, les 2 stators identiques, assemblés en miroir sur une entretoise, possèdent une carcasse en matériau composite comprenant une plaque annulaire radiale, qui porte des plots statoriques et deux prolongements axiaux plus ou moins cylindriques entourant intérieurement et extérieurement les bobinages et la culasse , et ceux-ci étant reliés par un couvercle annulaire, l’ensemble constitue une chambre de circulation d’un liquide de refroidissement en contact direct avec les bobinages. Selon une seconde caractéristique, le liquide de refroidissement parvient aux chambres de refroidissement via un conduit unique, situé dans la zone la plus haute de la machine, porté par l’entretoise séparant les deux stators, et qui communique avec un conduit radial réalisé dans cette entretoise; puis, dans chaque carcasse de stator, circule dans un conduit axial interne au prolongement extérieur; enfin, par un évidement à l’extrémité du conduit axial parvient à la chambre de refroidissement. Selon une autre caractéristique, le liquide de refroidissement, parvenu en partie basse de la machine : sort de la chambre de refroidissement par un évidement en communication avec un second conduit axial interne au prolongement axial extérieur de la carcasse ; puis, se déverse dans une chambre radiale dans l’entretoise ; enfin, par un conduit similaire à celui de l’alimentation, et porté par l’entretoise, est évacué hors de la machine. Selon une première caractéristique relative au refroidissement du rotor, l’entretoise portant les deux stators : est agencée à l’intérieur d’un carter fermé par un couvercle afin de créer une chambre isolée de circulation de l’air; possède en périphérie extérieure plusieurs oreilles de fixation; permet la circulation de l’air entre les stators et le carter. Selon une seconde caractéristique, la bague extérieure tournante du roulement de guidage du rotor est aménagée pour porter une turbine, forçant la circulation de l’air. Selon une autre caractéristique, le circuit parcouru par l’air est celui-ci, ou son inverse selon la conception de la turbine et le sens de rotation: expulsion de l’air entre le palier central du carter, portant l’axe support du roulement du rotor, et l’ouverture centrale du stator gauche; cheminement radial de l’air réchauffé entre les faces du carter et du couvercle du stator gauche qui jouent le rôle d’échangeur; contournement du stator gauche, passage par les ouvertures laissées par l’entretoise, contournement du stator droit; par la poussée exercée par la turbine, cheminement radial de l’air vers le centre entre les couvercles de la machine et du stator droit (second rôle d’échangeur); poursuite du cheminement entre le moyeu du rotor et l’ouverture centrale du stator droit; pénétration, par le centre, dans l’entrefer séparant le disque rotor et le stator droit; contournement du rotor; pénétration, dans l’entrefer séparant le rotor et le stator gauche; évacuation par le centre, par aspiration par la turbine. DESCRIPTION DETAILLEE DE L’INVENTION Ces caractéristiques, buts et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui va suivre et au regard des dessins annexés donnés à titre d'exemples non limitatifs et sur lesquels : est une première vue en coupe de la machine complète, montrant différents dispositifs de fixation : stator sur entretoise; entretoise sur carter; disque rotor sur son moyeu; roulement sur son axe; turbine sur le roulement. est une seconde vue en coupe de la machine complète, montrant la traversée des busbars: de la paroi des carcasses des stators; de la toile de carter. est une troisième vue en coupe de la machine complète, montrant les conduits d’alimentation et d’évacuation du liquide de refroidissement des stators. est une vue en coupe du montage de l’ensemble stator gauche et entretoise dans le carter. est une vue en coupe de la mise en place du rotor. est une vue en coupe de la phase finale d’assemblage : montage du stator droit de la plaque de traversée les busbars et couvercle. est une vue en coupe de la circulation du liquide de refroidissement des stators. est une vue en coupe de la circulation de l’air dans les entrefers. La machine électrique 1 présentée selon une première coupe sur la est composée d’un bloc moteur agencé dans un carter enveloppe 70 et une plaque de fermeture 80. Le bloc moteur est essentiellement constitué: du stator gauche 10 lié à l’entretoise 30 à l’aide des vis 16 traversant le prolongement extérieur 11e de la carcasse 11; du stator droit 20, miroir du gauche, lié de la même manière à l’entretoise 30 par les vis 16 traversant le prolongement extérieur 21e de la carcasse 21; de la plaque entretoise centrale 30, comportant plusieurs excroissances périphérique 30a, pour être fixée par les vis 31 au carter 70; du rotor discoïde 40 soutenu par un roulement unique à double rangée de billes 50, porté par l’axe 52, emmanché dans le carter 70. les stators 10,20 comprennent une carcasse 11,21 en matériau amagnétique, de préférence en composite et constituée: d’une partie radiale 11r,21r qui supporte les plots statoriques 12; une extension axiale extérieure 11e,21e plus ou moins annulaire, comprenant une première zone plane F b d’appui sur l’entretoise 30, une seconde zone plane à extrémité opposée, d’accueil du couvercle 15,25 et des zones épaissies pour le passage des vis 16 de fixation commune de la carcasse et du couvercle sur l’entretoise; une extension axiale intérieure 11i,21i plus ou moins annulaire, plane à son extrémité pour l’accueil du couvercle 15, fixé à l’aide des boulons 18,19. Les extensions axiales extérieures 11e,21e et intérieures 11i,21i forment avec le couvercle 15,25 une chambre de circulation du liquide de refroidissement. les ouvertures dans les parties radiales 11r,21r sont fermées par les plots statoriques 12, fixés par un cordon de colle et d’étanchéité 12a. Ces plots 12 sont, de préférence, en poudre composite magnétique douce «Soft Magnetic Composites». Ce matériau offre des performances satisfaisantes et surtout de faibles pertes énergétiques par courant de Foucault. La forme, obtenue par moulage, et le montage des plots permettent de réaliser de manière simple l’isthme entre deux plots consécutifs. La face (fonctionnelle) des plots statoriques 12 en vis-à-vis du disque rotor 41, est unique pour l’ensemble des plots et est désignée par F c . Par un outil de montage, ou un moyen d’usinage les faces F c et F b sont rendues communes et contribuent à une grande précision des espaces entrefers. Après cet assemblage précis des plots statoriques 12 avec les carcasses 11,21: les bobines 13 sont posées; les carcasses 14, en tôles enroulées, sont rapportées, de préférence par collage; les couvercles 15,25 peuvent alors être posés. L’élément complémentaire aux stators pour former la machine électrique est le rotor 40. Il est constitué: du disque 41, comprenant 3 parties distinctes : une structure porteuse 41,a en forme de «soleil» car composée d’une partie centrale cylindrique, d’où partent plusieurs branches radiales. Cette structure peut être en matériau amagnétique ou composite de résine chargée en fibres; de plusieurs secteurs d’aimants 41,b chacun pouvant être monobloc ou segmenté. Ils sont collés à la structure «soleil» 41a; d’un «cerclage» 41,c appelé aussi frette pour contrer la centrifugation des aimants; du moyeu 42; du roulement 50, muni d’une collerette 50a. Le moyeu 42 et le disque 41 sont centrés sur la bague extérieure du roulement 50 et ces trois éléments sont solidarisés par les vis 51. Le roulement 50 est : porté par l’axe 52, emmanché dans le carter 70; positionné axialement par la rondelle 53 d’équilibrage des entrefers, dont la détermination de l’épaisseur est simple, mais pas exposée ici; bloqué axialement par la rondelle 54 et la vis 55; monté, grâce au préréglage du contact des bagues intérieures, sans jeu dans les corps roulants et en légère précharge. La rondelle d’équilibrage des entrefers 53, est en appui sur le carter 70 sur la face F d . Par une opération d’usinage du carter, cette face et la face F a d’appui de l’entretoise 30 sont positionnées dans le même plan. Ainsi les faces F a , F b , F c et F d se trouvent, après montage, dans le même plan, ce qui facilite la détermination de l’épaisseur de la rondelle 53 et la précision des entrefers. Au cours de cette opération d’usinage du carter 70, l’alésage d’accueil de l’axe 52 supportant le roulement 50 est réalisé et donne à son axe G une bonne perpendicularité à F d , ce qui procure une constance de l’épaisseur des entrefers 40a. Le moyeu 42 transmet à un réducteur ou une transmission le mouvement de rotation et le couple. Il peut en retour, par l’intermédiaire des cannelures, si elles sont taillées directement dans sa masse, subir des influences extérieures, c’est-à-dire mouvement et effort axiaux risquant de perturber l’équilibre des entrefers 40a, préjudiciables au fonctionnement de la machine et à la fiabilité du disque rotor 41. En effet, Les stators et le rotor, ne sont pas directement solidaires et ne forment pas un bloc qui serait insensible aux influences extérieures. Pour obtenir un découplage axial, il faut un très faible coefficient de frottement. Cela est obtenu en intercalant entre le corps de moyeu 42 et les cannelures une coulisse à billes 43 . Cette coulisse à billes 43 est constituée de plusieurs rangées de billes, par exemple 8, répartie régulièrement radialement. Les billes sont positionnées axialement par la douille 44. Les pistes extérieures 42a des billes sont taillées dans le moyeu 42. Les pistes intérieures 45a, sont taillées extérieurement au manchon 45 munis intérieurement des cannelures 45b. La douille 44 de maintien des billes est arrêtée axialement à gauche par le flasque 46 et à droite par la rondelle 47 et l’anneau d’arrêt 48. Le moyeu porte également la cible 93 du resolver, bloquée axialement par la rondelle 94, montée serrée. Le resolver proprement dit 91 est porté par le couvercle 80 auquel il est fixé par les vis 92. Une mise à la masse 56, montée dans le moyeu et en contact avec la rondelle 54, protège d’éventuels courants parisites pouvant endommager le roulement 50, les billes 43 et les pistes 42a, 45a de la coulisse. une turbine à air 60 est emmanchée sur une excroissance 50b du roulement 50. Le couvercle 80 est fixé sur le carter 70 à l’aide des vis 81. L’ensemble de la machine est fixé à une transmission (réducteur ou boîte de vitesses) à l’aide des vis 82. La coupe de la machine électrique présentée sur la présente la sortie des conducteurs électriques 12a associés aux trois phases et 12b associé au neutre. Les bobines 12 étant confinées dans les chambres 15a, 25a de circulation du fluide de refroidissement, les conducteurs doivent d’abord réaliser une traversée de la carcasse 11,21. Dans cette carcasse une ouverture est pratiquée pour recevoir une plaque 11a,21a traversée par les quatre conducteurs. Le passage des conducteurs est étanché par rapport à la plaque, par exemple par de la résine, et la plaque est étanchée par rapport à la carcasse, par exemple par un joint. les conducteurs doivent ensuite réaliser une traversée de la toile du carter 70. Une ouverture 70a est pratiquée pour recevoir une plaque 71 traversée par les deux groupes de quatre conducteurs. Cette plaque est définitivement maintenue après de la mise en place du couvercle 80. L’étanchéité, ici, n’est pas nécessaire. La coupe de la machine électrique présentée sur la , selon une troisième coupe que nous qualifierons de verticale, montre les tuyaux d’alimentation et évacuation du fluide de refroidissement. Le conduit d’alimentation 31, porté par la plaque entretoise centrale 30, est agencé en partie haute de la machine. Il est coudé et traverse un pavé 73 en élastomère agencé dans une échancrure 70b du carter 70. le tuyau 32, également porté par la plaque entretoise 30, est agencé en partie basse de la machine. Il recueille le fluide de refroidissement après sa traversée des stators. De la même manière, Il traverse un pavé 73 en élastomère agencé dans une échancrure 70b du carter 70. La est une vue en coupe de la première étape d’assemblage de la machine , c’est-à-dire mise en place dans le carter 70, du stator gauche 10 préalablement assemblé avec l’entretoise 30 La est une vue en coupe d’une seconde étape d’assemblage, c’est-à-dire la mise en place du rotor 40 préassemblé. Après la détermination de son épaisseur, la rondelle 53 d’équilibrage des entrefers est engagée sur l’axe 52, puis le rotor 40, la rondelle 54 et pour terminer la vis 55. La est une vue en coupe d’une dernière étape d’assemblage, c’est-à-dire d’abord la mise en place du stator droit préassemblé 20, puis la plaque de traversée 71 des conducteurs et pour achever le montage, la mise en place de la plaque de fermeture 80. La présente en coupe le circuit de refroidissement des stators 10,20. A la plaque entretoise 30 sont rapportés les conduits 31 d’alimentation et 32 d’évacuation du fluide de refroidissement. Les tuyaux communiquent avec les conduits radiaux 33, étanchés par les opercules 36. L’étanchéité à la sortie des conduits dans l’entretoise 30 vers les carcasses 11 et 21 est assurée par les joints toriques 37. Les conduits radiaux 33 débouchent sur des conduits axiaux 34 des carcasses qui alimentent les chambres 15a et 25a des stators par les communications 35 réalisées à l’extrémité des extensions axiales 11e, 21e. La vidange des chambres 15a et 25a est réalisée de manière similaire à l’alimentation par les ouvertures de communication 35, puis les conduits axiaux 34, les conduits radiaux 33 et enfin le tuyau 32. La présente le dispositif de refroidissement à air du disque rotor. La turbine met l’air en mouvement dans un sens ou l’autre selon la conception des pales et le sens de rotation autour de la machine et du disque. Selon une des représentations, la turbine 60 aspire l’air en prévenance du disque par le bord 60a, et l’éjecte par le bord 60b. L’air circule dans la turbine selon le sens 61a. L’air emprunte le circuit 61 : d’abord, dans le passage 61b entre le carter et le couvercle du stator de gauche (zone de refroidissement par contact); puis contourne la machine selon le parcours 61c; retourne vers le centre de la machine selon le parcours 61d en longeant le couvercle du stator droit (zone de refroidissement par contact); ensuite pénètre entre le moyeu du rotor et le stator droit selon le parcours 61e; pénètre dans l’entrefer entre le disque et le stator droit et réalise le parcours 61f; contourne le disque selon le parcours 61g; retourne vers la turbine selon le parcours 61h. L’air circule en circuit fermé, se réchauffe dans les entrefers et se refroidit en contournant les stators. Machine électrique à flux magnétique axial caractérisée en ce que les stators 10,20 sont identiques et assemblés en miroir sur une entretoise 30. Machine électrique à flux magnétique axial, selon la revendication 1 caractérisée en ce que les stators 10,20 possèdent une carcasse en matériau composite 11,21 comprenant une plaque annulaire radiale 11r,21r qui supporte des plots statoriques 12 et deux prolongements axiaux plus ou moins cylindriques entourant intérieurement 11i,21i et extérieurement 11e,21e les bobinages 13 et la culasse 14 , et ces prolongements étant reliés par un couvercle annulaire 15,25, l’ensemble constitue une chambre 15a,25a de circulation d’un liquide de refroidissement en contact direct avec les bobinages. Machine électrique à flux magnétique axial, selon les revendications 1 ou 2 caractérisée en ce que le liquide de refroidissement parvient aux chambres de refroidissement, via: un conduit unique 31, situé dans la zone la plus haute de la machine, porté par l’entretoise 30 séparant les deux stators 10,20, et qui communique avec un conduit radial 33 réalisé dans cette entretoise; puis, un conduit axial interne 34 dans le prolongement extérieur 11e,21e dans chaque carcasse 11a,21a des stators; enfin, un évidement 35, à l’extrémité du conduit axial 34, de communication avec la chambre de refroidissement 15a,25a. Machine électrique à flux magnétique axial, selon l’une quelconques des revendications, caractérisée en ce que le liquide de refroidissement, parvenu en partie basse de la machine: sort de la chambre de refroidissement par un évidement 35 en communication avec un second conduit axial 34 interne au prolongement axial extérieur 11e,21e de la carcasse; puis, se déverse dans une chambre radiale 33 dans l’entretoise 30; enfin, par un conduit 32 similaire à celui de l’alimentation, et porté par l’entretoise 30, est évacué hors de la machine. Machine électrique à flux magnétique axial, selon la revendication 1 caractérisée en ce que l’entretoise 30 portant les deux stators 10,20: est agencée à l’intérieur d’un carter 70 fermé par un couvercle 80 afin de créer une chambre isolée de circulation de l’air; possède en périphérie extérieure plusieurs oreilles 30a de fixation; permet la circulation de l’air entre les stators 10,20 et le carter 70; Machine électrique à flux magnétique axial, selon les revendications 1 ou 5 caractérisée en ce que la bague extérieure tournante du roulement 50 de guidage du rotor a un aménagement 50b pour porter une turbine 60 forçant la circulation de l’air. Machine électrique à flux magnétique axial, selon la revendication 6 caractérisée en ce que le circuit parcouru par l’air est celui-ci, ou son inverse selon la conception de la turbine et le sens de rotation du rotor: expulsion de l’air par le bord 60b de la turbine entre le palier central du carter 70, portant l’axe support du roulement 50 du rotor 40, et l’ouverture centrale du stator gauche 10; cheminement radial de l’air réchauffé entre les faces du carter 70 et du couvercle 15 du stator gauche selon le parcours 61b, en jouant un rôle d’échangeur; contournement du stator gauche 10, passage par les ouvertures laissées par l’entretoise 30 , contournement du stator droit 20 selon le parcours 61c; par la poussée exercée par la turbine 60, cheminement radial de l’air vers le centre entre les couvercles 80 de la machine 25 et du stator droit 20 (second rôle d’échangeur) selon le parcours 61d; poursuite du cheminement entre le moyeu du rotor et l’ouverture centrale du stator droit selon le parcours 61e; pénétration, par le centre, dans l’entrefer 40a séparant le disque 41 du rotor, du stator droit 20 selon le parcours 61f; contournement du disque 41 du rotor 40, selon le parcours 61g; pénétration, dans l’entrefer 40a séparant le disque 41 du rotor du stator gauche 10 selon le parcours 61h; évacuation par le centre, par aspiration par la turbine 60, selon le parcours 61a.