Brevet FR3149445A1 — publié le 20241206

Machine électrique présentant un axe de rotation, comportant au moins un empilage de tôles métalliques magnétiques (2) pour le rotor ou le stator, présentant des conduits axiaux (20) de passage de fluide de refroidissement formés par des perçages superposés (12, 14) des tôles empilées, comprenant pour un même conduit axial (20) des perçages (12, 14) qui sont différents, les tôles de l’empilage (2) comprenant toutes des formes identiques, et des perçages (12, 14) présentant uniquement deux diamètres différents, comportant des positions angulaires autour de l’axe qui sont décalées pour obtenir sur un même conduit axial (20) une succession de perçages (12, 14) avec les deux diamètres présentant leurs axes alignés. Figure 1 MACHINE ELECTRIQUE AVEC PASSAGES DE FLUIDE DANS LES EMPILAGES DE TOLES La présente invention concerne une machine électrique comportant des passages de fluide dans les empilages de tôles, ainsi qu’un véhicule automobile électrique ou hybride équipé d’une telle machine électrique. Un type de machine électrique connu, présenté notamment par le document EP-A2-1515417, comporte un rotor et un stator comprenant un empilage de tôles fines réalisées dans des feuilles d’acier magnétique, qui assure la conduction du champ magnétique des pôles tout en évitant une circulation interne de courant électrique. Le document présente sur les empilages de tôles du rotor et du stator une répartition de perçages axiaux permettant une circulation d’huile afin de réaliser des échanges thermiques de refroidissement au cœur de ces empilages. De cette manière on uniformise la température interne du stator et du rotor et on les refroidit, ce qui permet d’augmenter les performances de cette machine pour un volume équivalent. De plus pour les rotors équipés d’aimants permanents, une diminution de la température de ces aimants permet d’améliorer leurs performances et de réduire la quantité de matière utilisée, ce qui est important dans le cas d’aimants comportant des terres rares qui présentent des coûts élevés. Un autre type de machine électrique connu, utilisé pour des véhicules de chantier, présenté notamment par le document WO-A1-2012118140, comporte des perçages axiaux réalisés dans les tôles du rotor formant des conduits reliés entre eux à leurs extrémités de manière à assurer, à partir d’une alimentation par le centre de l’arbre, un circuit qui parcourt successivement ces différents perçages. Toutefois les découpes des tôles empilées du stator et du rotor doivent permettre à la fois la meilleure conduction magnétique avec un minimum de perçages dans les tôles qui retirent du métal et réduisent la capacité de conduction du champ magnétique, et une optimisation des échanges thermiques obtenus par le débit de fluide et par les surfaces en contact entre ce fluide et les tôles. Pour améliorer les échanges thermiques à partir d’un même débit de fluide on peut augmenter les diamètres des perçages donnant aux conduits une plus grande surface de contact, mais posant des problèmes de diminution de la conduction magnétique. En particulier pour les véhicules automobiles qui nécessitent des groupes motopropulseurs compacts, disposant d’une densité de puissance élevée afin de limiter la masse et les coûts, il est important d’optimiser le refroidissement interne des machines électriques de traction et d’améliorer les rendements pour augmenter l’autonomie de ces véhicules. Un autre type de machine électrique connue, présenté notamment par le document EP-A1-3793063, comporte sur les tôles des perçages avec des formes ou des positions angulaires différentes, ou dans certains perçages de tôles des éléments d’impact disposés au milieu du perçage formant une butée frontale imposant un contournement du flux, de manière à obtenir des turbulences de ce flux le long du conduit pour augmenter le brassage du fluide. Toutefois ces turbulences créées le long du conduit freinent le passage du flux, on obtient un débit de fluide réduit qui diminue l’échange thermique. La présente invention a notamment pour but d’éviter ces problèmes de l’art antérieur. Elle propose à cet effet une machine électrique disposée suivant un axe de rotation, comportant au moins un empilage de tôles métalliques magnétiques pour le rotor ou le stator, présentant des conduits axiaux de passage de fluide de refroidissement formés par des perçages superposés des tôles empilées, comprenant pour un même conduit axial des perçages qui sont différents, cette machine étant remarquable en ce que ce que les tôles de l’empilage comprenant toutes des formes identiques, et des perçages présentant uniquement deux diamètres différents, comportent des positions angulaires autour de l’axe qui sont décalées pour obtenir sur un même conduit axial une succession de perçages avec les deux diamètres présentant leurs axes alignés. Un avantage de cette machine électrique est qu’en utilisant les mêmes tôles et en les positionnant suivant des positions angulaires différentes on obtient sur un même conduit axial une succession de seulement deux dimensions de perçages, de petits et de grands diamètres, qui donnent une surface d’échange thermique entre le fluide et le métal comprenant la surface périphérique de ces perçages formés dans l’épaisseur des tôles, à laquelle s’ajoute pour chaque changement de diamètre la surface des contours annulaires formés sur les faces plates des tôles présentant le petit perçage disposé face à un grand perçage, surface qui est limitée par ces deux diamètres de perçage. De plus l’alignement des perçages sur un même conduit présentant leurs axes alignés, comprenant uniquement des changements successifs entre deux diamètres de perçages qui restent assez proche, apporte une augmentation notable de la surface d’échange thermique avec une surface suffisamment libre donnant peu de turbulences, et une faible perturbation de l’écoulement de ce fluide qui permet de garder un débit élevé. La machine électrique selon l’invention peut comporter de plus une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, qui peuvent être combinées entre elles. Avantageusement, chaque tôle de l’empilage comporte des répartitions des perçages disposés suivant des secteurs angulaires égaux, comprenant pour tous les secteurs des axes de ces perçages qui sont positionnés de manière identique. Suivant un mode de réalisation, entre deux secteurs angulaires consécutifs on a à chaque fois un échange entre des petits perçages et des grands perçages. Suivant un autre mode de réalisation, on a successivement au moins une fois pour deux secteurs angulaires proches un changement entre des petits perçages et des grands perçages, puis plusieurs secteurs angulaires qui sont identiques. En particulier, dans l’empilage les tôles peuvent être successivement d’une tôle à l’autre décalées angulairement d’un secteur. Avantageusement, les petits perçages présentent un diamètre inférieur à 1,75mm et les grands perçages un diamètre supérieur à 1,75mm. Selon un mode de réalisation, les tôles du rotor comportent sur chaque secteur des perçages formant des motifs identiques qui sont décalés à chaque fois d’un petit angle de décalage, l’empilage des tôles comprenant des sous-ensembles présentant entre deux sous-ensembles contigus un décalage égal à ce petit angle. Avantageusement, les tôles comportent entre six et dix-huit secteurs. L’empilage des tôles peut comporter certaines tôles qui sont retournées. L’invention a aussi pour objet un véhicule automobile électrique ou hybride comportant une machine électrique de traction comprenant l’une quelconque des caractéristiques précédentes. L’invention sera mieux comprise et d’autres caractéristiques et avantages apparaîtront plus clairement à la lecture de la description ci-après donnée à titre d’exemple, en référence aux dessins annexés dans lesquels : présente une vue de face d'une tôle de rotor d'une machine électrique selon l'invention, et une vue en coupe axiale du conduit formé avec un empilage de ces tôles ; est une vue en coupe axiale des surfaces d’échanges thermique de deux perçages différents voisins ; présente une vue de face d'une tôle de rotor selon une première variante, et une vue en coupe axiale du conduit formé avec un empilage de ces tôles ; présente une vue de face d’une tôle de rotor selon une deuxième variante, dans deux positions retournées, et une vue en coupe axiale du conduit formé avec un empilage de ces tôles ; présente une vue de face d'une tôle de rotor selon une troisième variante, dans deux positions retournées, et une vue en coupe axiale du conduit formé avec un empilage de ces tôles ; présente une vue de face d’une tôle de stator d’une machine électrique selon l’invention, dans deux positions angulairement décalées, et une vue en coupe axiale du conduit formé avec un empilage de ces tôles ; et présente une vue de face d’une tôle de stator selon une variante, dans deux positions angulairement décalées, et une vue en coupe axiale du conduit formé avec un empilage de ces tôles ; La présente une tôle d'un empilage de rotor 2 d’une machine électrique, comportant un perçage central 18 de rayon, recevant un arbre de rotation disposé suivant l’axe principal de la machine. Un premier cercle de perçages de passage de fluide 6 présente un premier rayon R1 un peu supérieur au rayon du perçage central, un deuxième cercle de perçages 8 disposé autour du premier cercle présente un deuxième rayon R2 légèrement plus grand que le premier rayon. Chaque cercle 6, 8 reçoit le même nombre de perçages 12, 14, régulièrement répartis sur le contour, qui entre ces deux cercles sont alignés suivant un même rayon. Des encoches 16 disposées autour du deuxième cercle de perçages 8 reçoivent des aimants permanents. La tôle de rotor 2 présente un diamètre de symétrie A1 qui sépare deux côtés comportant chacun trois secteurs identiques 10. Chaque secteur 10 comporte sur le premier cercle 6 successivement cinq petits perçages 12 puis cinq grands perçages 14, et sur le deuxième cercle 8 successivement cinq grands perçages puis cinq petits perçages. De cette manière chaque petit perçage 12 est sur un même rayon aligné avec un grand perçage 14, avec pour chaque secteur 10 une inversion de l’ordre au milieu de ce secteur. Le conduit axial du rotor 20, présenté en coupe , est réalisé avec un empilage de tôles 2 qui sont à chaque tôle décalées angulairement d’un secteur 10 par rapport à la précédente. Pour le premier cercle 6 et le deuxième cercle 8, on obtient avec ce décalage à chaque tôle 2 une alternance d’un petit perçage 12 puis d’un grand perçage 14 qui donne un conduit présentant une variation de diamètre pour chaque longueur égale à l’épaisseur d’une tôle. La présente pour deux tôles superposées 2 une surface totale d’échange thermique comprenant la surface périphérique S1 d'un petit perçage 12 et la surface périphérique S2 d’un grand perçage 14 formées dans l’épaisseur des tôles, plus deux fois la surface annulaire S3 formée sur les faces plates des tôles comprenant le petit perçage 12, qui est délimitée entre le petit et le grand perçage. De cette manière on ajoute aux surfaces périphériques S1, S2 de l’épaisseur des tôles 2, deux surfaces annulaires S3 qui apportent un complément de surface d’échange important, tout en maintenant ces perçages alignés sur un même axe, avec des diamètres assez proches pour éviter des turbulences dans le conduit 20 et favoriser la circulation du fluide afin de maintenir son débit. En pratique avec des tôles 2 présentant une épaisseur de 0,27mm, des petits perçages 12 présentant un diamètre de 1,5mm et des grands perçages 14 un diamètre de 2mm, on obtient une majoration de la surface d’échange thermique de 69% par rapport à un conduit comprenant uniquement des petits diamètres de 1,5mm. On constate une amélioration importante de la surface d’échange qui permet avec un même débit d’obtenir une meilleure transmission des calories au fluide. La présente sur les deux mêmes cercles 6, 8, pour un premier secteur 10a uniquement des petits perçages 12, et pour les cinq autres secteurs 10b uniquement des grands perçages 14. A chaque tôle 2 successive de l’empilage, on la tourne suivant un angle correspondant à un secteur 10. On obtient pour chaque conduit axial 20 une succession de cinq tôles 2 comprenant des grands perçages 14, puis une unique tôle comprenant un petit perçage 12. On ajoute dans ce cas pour chaque lot de six tôles 2, deux surfaces annulaires S3 qui augmentent la surface d’échange entre le fluide et le rotor. Le conduit 20 présente dans cette variante une forme plus lisse qui favorise l’écoulement du fluide. La présente un disque 2 avec six secteurs 10 comprenant des perçages de passage de fluide 12, 14 qui pour chaque secteur sont ajustés entre des encoches recevant les aimants 16. De manière alternative un secteur 10c comporte uniquement des grands perçages 14 et le secteur suivant 10d uniquement des petits perçages 12. Sur chaque secteur 10 les perçages 12, 14 forment un ensemble 34 de trois motifs superposés 36, centré sur un axe radial A3 qui sur le premier dessin de la figure est décalé dans le sens horaire par rapport à l’axe de symétrie de ce secteur A2, suivant un petit angle de décalage 32. On obtient avec chaque ensemble 34 les perçages 12, 14 d’un même secteur 10, trois motifs 36 qui sont décalés à chaque fois de l’angle de décalage 32. Sur le deuxième dessin de la la tôle 2 est retournée R suivant un axe intermédiaire A4 entre deux secteurs 10, ce qui dispose les ensembles 34 de perçages avec un décalage dans le sens anti horaire par rapport à l’axe de symétrie de chaque secteur A2. Le conduit 20 est formé dans cette variante par des sous-ensembles 30 comprenant chacun un empilage de six tôles 2, recevant un aimant dans chaque encoche 16, chaque tôle étant à chaque fois décalée d’un secteur 10 pour obtenir une alternance de petits perçages 12 et de grands perçages 14. Le sous-ensemble suivant 30 est alors décalé angulairement suivant le petit angle de décalage 32 de manière à obtenir un décalage des aimants entre ces deux sous-ensembles successifs avec ce même angle, qui est favorable pour réduire les oscillations de couple entraînant des effets acoustiques. On peut ainsi entre les sous-ensembles 30 réaliser deux décalages successifs de l’angle de décalage 32 dans un sens, et, avec un retournement R des tôles 2 deux décalages dans l’autre sens, avec toujours un alignement d’un seul motif de perçages 36 qui est continu sur la longueur du rotor, formant les conduit axiaux 20. On obtient avec les mêmes tôles 2 en tout cinq positions de décalage entre les sous-ensembles 30. La présente en variante un disque 2 avec six secteurs 10 comprenant sur chaque secteur la disposition des ensembles de perçages 34 présentée , avec sur un seul secteur 10d des petits perçages 12 et sur les cinq autres secteurs 10c des grands perçages 14. On réalise la même manière des sous-ensembles 30 comprenant pour chacun, pour chaque tôle successive 2 un décalage d’un secteur complet 10 qui donne des conduits axiaux 20 comprenant dans chaque sous-ensemble 30 de six tôles 2 cinq grands perçages 14 puis un petit perçage 12. Ensuite entre deux sous-ensembles 30 on réalise un petit décalage angulaire suivant l’angle de décalage 32 afin de désaligner les aimants de ces sous-ensembles. La présente une tôle de stator 40 comprenant un alésage central 42 qui dispose d’encoches non représentées recevant le bobinage de fils de cuivre. La partie radialement extérieure de la tôle 40 comporte une succession de perçages répartis sur le contour qui est divisé en quatorze secteurs identiques 10, comprenant chacun quatre perçages 12, 14 disposés suivant les mêmes positions axiales. On a alternativement un secteur 10a uniquement à petits perçages 12 et un secteur 10b uniquement à grands perçages 14. En décalant à chaque tôle successive 40 la tôle suivante d’un secteur 10, comme présenté entre le premier et le deuxième dessin, on obtient des conduits axiaux 20 présentant successivement pour chaque tôle un petit perçage 12 ou un grand perçage 14, donnant une surface d’échange thermique beaucoup plus importante. La présente une tôle de stator 40 comprenant sur chaque demi-tôle, d’abord un secteur 10a avec uniquement des petits perçages 12, et ensuite six secteurs 10b comprenant uniquement des grands perçages 14. En décalant à chaque tôle successive 40 la tôle suivante d’un secteur 10, comme présenté entre le premier et le deuxième dessin, on obtient des conduits axiaux 20 présentant successivement six grands perçages 14 puis un petit perçage 12. On obtient moins de surface d’échange thermique mais un passage de fluide plus rectiligne qui favorise le débit. Machine électrique présentant un axe de rotation, comportant au moins un empilage de tôles métalliques magnétiques (2, 40) pour le rotor ou le stator, présentant des conduits axiaux (20) de passage de fluide de refroidissement formés par des perçages superposés (12, 14) des tôles empilées, comprenant pour un même conduit axial (20) des perçages (12, 14) qui sont différents, caractérisée en ce que les tôles de l’empilage (2, 40) comprenant toutes des formes identiques, et des perçages (12, 14) présentant uniquement deux diamètres différents, comportent des positions angulaires autour de l’axe qui sont décalées pour obtenir sur un même conduit axial (20) une succession de perçages (12, 14) avec les deux diamètres présentant leurs axes alignés. Machine électrique selon la revendication 1, caractérisée en ce que chaque tôle de l’empilage (2, 40) comporte des répartitions des perçages (12, 14) disposés suivant des secteurs angulaires égaux (10), comprenant pour tous les secteurs (10) des axes de ces perçages (12, 14) qui sont positionnés de manière identique. Machine électrique selon la revendication 2, caractérisée en ce qu’entre deux secteurs angulaires consécutifs (10) on a à chaque fois un échange entre des petits perçages (12) et des grands perçages (14). Machine électrique selon la revendication 2, caractérisée en ce qu’on a successivement au moins une fois pour deux secteurs angulaires proches (30) un changement entre des petits perçages (12) et des grands perçages (14), puis plusieurs secteurs angulaires (30) qui sont identiques. Machine électrique selon la revendication 2, 3 ou 4, caractérisée en ce que dans l’empilage les tôles (2, 40) sont successivement d’une tôle à l’autre décalées angulairement d’un secteur (10). Machine électrique selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que les petits perçages (12) présentent un diamètre inférieur à 1,75mm et les grands perçages (14) un diamètre supérieur à 1,75mm. Machine électrique selon l’une quelconque des revendications 2 à 6, caractérisée en ce que les tôles du rotor (2) comportent sur chaque secteur (10) des perçages (12, 14) formant des motifs identiques (36) qui sont décalés à chaque fois d’un petit angle de décalage (32), l’empilage des tôles (2) comprenant des sous-ensembles (30) présentant entre deux sous-ensembles contigus un décalage égal à ce petit angle (32). Machine électrique selon l'une quelconque des revendications 2 à 7, caractérisée en ce que les tôles (2, 40) comportent entre six et dix-huit secteurs (30). Machine électrique selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que l’empilage des tôles (2, 40) comporte certaines tôles (2) qui sont retournées (R). Véhicule automobile électrique ou hybride comportant une machine électrique de traction, caractérisé en ce que cette machine est selon l’une quelconque des revendications précédentes.