Brevet FR3159483A1 — publié le 20250822

L’invention concerne une machine électrique comprenant un carter (2), une chemise (1) montée à l'intérieur du carter et comprenant des passages pour une circulation de fluide de refroidissement, un stator (3) monté à l'intérieur de la chemise, un rotor monté à l'intérieur du stator et monté de façon pivotante par rapport au carter autour d'un axe de machine, un couvercle de fermeture (4) agencé à l'opposé d'un fond de carter, caractérisé en ce que la chemise est formée en acier, et le couvercle de fermeture (4) exerce une compression axiale sur la chemise de manière à générer une expansion de la chemise selon une direction radiale perpendiculaire à l’axe. Figure 3 MACHINE ELECTRIQUE AVEC CHEMISE A EAU AUTOSERRANTE COMPRESSEE AXIALEMENT L’invention concerne une machine électrique avec chemise à eau, permettant une circulation de fluide de refroidissement apte à refroidir ladite machine électrique. Dans un véhicule à traction ou propulsion électrique, il est prévu une machine électrique d’une puissance généralement conséquente qui fonctionne en moteur pour des phases de motricité et qui fonctionne en génératrice lors de phases de récupération d'énergie (freinage, décélération, parcours en descente). Dans de nombreux cas, ladite machine électrique doit être refroidie efficacement et un refroidissement par air n'est pas suffisant, il est nécessaire d'utiliser un refroidissement par circulation d'un liquide de refroidissement. On s'intéresse ici en particulier à un refroidissement par un liquide à base d'eau qui circule dans une chemise interposée/intercalée entre le stator et le carter de la machine. On peut parler ici de refroidissement périphérique pour distinguer ces solutions d’un refroidissement par huile diélectrique circulant dans la machine elle-même. Dans la grande majorité des réalisations connues, la chemise à eau est fabriquée en alliage d'aluminium. Le carter est fabriqué en alliage d'aluminium. Dans d’autres réalisations connues, on ménage des passages pour une circulation de fluide de refroidissement dans la fonderie du carter sans interposition d’une chemise à eau distincte. Dans les machines électriques, le couple généré au cœur de la machine induit un couple de réaction dans le stator qui doit être transféré au carter. Cette exigence s’applique notamment aux configurations de refroidissement périphérique par eau, notamment à une configuration avec une chemise à eau intercalée. Pour répondre à cette exigence, on procède à un assemblage par frettage, d’une part de la chemise dans le carter et d'autre part du stator dans la chemise. Pour procéder à cet assemblage par frettage, on chauffe la pièce extérieure qui se dilate sous l'effet de l'augmentation de température, on insère la pièce intérieure et on attend que la pièce extérieure refroidisse. Le jeu d’insertion minime est supprimé par le refroidissement et on obtient un serrage significatif, suffisant pour reprendre le couple machine décrit plus haut. Le procédé d’assemblage par frettage nécessite des moyens de fabrication spécifiques et requiert un temps de process important. Les inventeurs ont donc cherché à proposer de nouvelles solutions pour concevoir et mettre en œuvre une chemise à eau sans nécessité de faire appel à un procédé d'assemblage par frettage. A cet effet, la présente invention propose une machine électrique comprenant un carter, une chemise montée à l'intérieur du carter et comprenant des passages pour une circulation de fluide de refroidissement, un stator monté à l'intérieur de la chemise, un rotor monté à l'intérieur du stator et monté de façon pivotante par rapport au carter autour d'un axe de machine, un couvercle de fermeture agencé à l'opposé d'un fond de carter, caractérisé en ce que la chemise est formée en acier, et le couvercle de fermeture exerce une compression axiale sur la chemise de manière à générer une expansion d’au moins une partie de la chemise selon une direction radiale perpendiculaire à l’axe. L’expansion radiale ainsi produite crée une contrainte radiale, c'est-à-dire un serrage propre à reprendre le couple machine. On remarque que l'expansion radiale se produit à la fois radialement vers l'intérieur et radialement vers l'extérieur. Avantageusement, un serrage existe à l'interface entre le stator et la chemise et un serrage existe à l'interface entre la chemise et le carter. Le choix de l'acier permet de tirer profit de la grande plage élastique disponible pour les aciers, la compression axiale se traduisant par une déformation dans le domaine élastique, propre à l'établissement de contraintes résiduelles qui vont perdurer le long de la vie de la machine électrique assemblée. Grâce aux dispositions promues ci-dessus, on peut réaliser un assemblage équivalent aux assemblages par frettage mais sans utiliser de machine de chauffe et plus rapidement. Grâce à la présente invention, on évite notamment d'avoir à faire une opération de frettage entre la chemise et le stator. On remarque que le fluide de refroidissement circule à l'extérieur de la paroi de chemise. On remarque que la chemise présente une forme générale cylindrique. Il faut noter que les dimensions diamétrales de la machine sont plus faibles qu'avec les configurations connues pour un diamètre de stator donné ; en effet l'épaisseur radiale de la chemise est particulièrement petite. Ainsi, la compacité de la machine est améliorée ainsi que sa facilité d’intégration dans l’architecture du véhicule. Selon une réalisation, la chemise comprend : - une portion centrale formant un siège d’échanges thermiques avec le stator via le fluide de refroidissement, - une première portion d'extrémité destinée à être agencée dans le fond du carter, et - une deuxième portion d'extrémité destinée à être agencée dans une portion d'embouchure du carter. Selon une réalisation avantageuse, le couvercle de fermeture ferme l’embouchure du carter. Selon une réalisation avantageuse, le couvercle de fermeture porte un palier de roulement de rotor. Selon une réalisation, la portion centrale de la chemise comprend, en coupe axiale, des zones de base destinées à venir en contact avec la paroi périphérique extérieure du stator, et des zones de sommet destinées à venir en contact avec la paroi intérieure du carter. Selon une réalisation, la portion centrale forme des canaux annulaires de passage d’eau et la portion centrale de la chemise comprend des digues annulaires, chaque paire de digues annulaires adjacentes délimitant un canal annulaire de passage d’eau. Les canaux annulaires de passage d’eau sont délimités du coté radialement intérieur par les zones de base en appui contraint sur le corps stator. Les zones de sommets digues annulaires sont en appui contraint sur le carter. Cette disposition permet de gérer la circulation du fluide de refroidissement et en même temps de transférer un couple subi par le stator vers le carter réalisant ainsi la reprise de couple nécessaire. On remarque que cette reprise de couple transite par la chemise. Selon une réalisation, il n’y a pas de contact direct entre le stator et le carter, la chemise forme l’intégralité de l’interface mécanique entre le stator et le carter. Selon une réalisation, la première portion d'extrémité et la deuxième portion d'extrémité comportent des nervures longitudinales. Moyennant quoi, la première portion d'extrémité et la deuxième portion d'extrémité ne subissent quasiment pas réduction de longueur, car elles présentent une rigidité axiale très supérieure à la rigidité axiale de la portion centrale, ladite portion centrale fonctionnant à la manière d’un accordéon, et présentant un module d’Young équivalent dans la direction axiale plus faible que les portions d’extrémité. Selon une réalisation, il est prévu au moins un bossage d’indexage, radialement intérieur, configuré pour coopérer avec une rainure ménagée dans le stator. Selon une réalisation, chaque digue annulaire comprend au moins une dépression dans une zone de sommet, en retrait intérieur d’un cercle circonscrit délimitant la digue annulaire. Selon une réalisation, la chemise est obtenue par un procédé d'hydroformage. Selon une réalisation, la chemise présente une épaisseur de paroi comprise entre 0,5 mm et 1,5 mm. Selon une réalisation, l’encombrement radial de la chemise est compris entre 3 mm et 6 mm. On peut choisir un acier inoxydable ou un acier standard pour fabriquer la chemise. Selon une réalisation, la première portion d'extrémité comprend un épaulement formant butée pour le positionnement axial du stator. La première portion d'extrémité fait fonction d’entretoise. La chemise comprend un bord libre avant en butée sur le fond du carter. La chemise comprend un bord libre arrière mis en pression axiale par la jante du couvercle de fermeture. L'invention concerne en outre un véhicule comprenant une machine électrique telle que décrite précédemment. L’invention sera davantage détaillée par la description de modes de réalisation non limitatifs, et sur la base des figures annexées illustrant des variantes de l’invention, dans lesquelles : FIG. 1 est une représentation en vue de perspective éclatée d'un exemple de réalisation de l'invention sur une machine électrique ; FIG. 2 est une représentation en vue de perspective d'un exemple de réalisation de chemise à eau selon la présente invention ; FIG. 3 illustre en vue de coupe axiale partielle l’agencement des différentes pièces impliquées ; FIG. 4 illustre un exemple de parcours de fluide de refroidissement dans la chemise ; FIG. 5 illustre schématiquement en coupe axiale de détail les effets de la compression axiale sur la portion centrale de la chemise ; FIG. 6 illustre en vue de perspective partielle une fonction d’indexage par rapport au stator ; FIG. 7 illustre schématiquement en section transversale les dépressions formant des passages entre les canaux annulaires ; FIG. 8 illustre schématiquement un exemple de succession d’opérations de montage. Sur les différentes figures, les mêmes références désignent des éléments identiques ou similaires. Pour des raisons de clarté de l'exposé, certains éléments ne sont pas nécessairement représentés à l'échelle. Ceci s’applique notamment au jeu de montage de la chemise (intérieur et extérieur) avant sa mise en compression axiale. On s’intéresse ici à une machine électrique. Sont d’un intérêt particulier ici les machines électriques pour les véhicules automobiles électriques ou hybrides, à savoir les véhicules dotés d’une chaîne de traction électrique. En pratique, le véhicule électrique ou hybride comprend au moins un groupe électromoteur avec une machine électrique, agencé sur le train avant et/ou le train arrière. Selon les circonstances de conduite, la machine électrique est utilisée en moteur ou en génératrice. On s’intéresse ici à une machine électrique de type à flux radial. Carter La machine électrique ME comprend un carter 2. Le carter 2 héberge les composants interne de la machine électrique. En outre, le carter 2 peut héberger tout ou partie de la transmission, en particulier par exemple un étage de réduction de vitesse. Le carter 2 est fabriqué en alliage d’aluminium. Plus précisément, il s’agit d’une pièce obtenue de fonderie d’aluminium avec reprise d’usinage, en particulier il est prévu un alésage usiné principal destiné à recevoir la chemise à eau, comme il sera décrit plus en détail plus loin. Comme connu ensoi, le carter 2 est muni de nervures de renfort et divers éléments de fixation pour permettre la fixation du carter dans le groupe électromoteur, qui lui-même peut être monté élastiquement par rapport à la caisse du véhicule. Le carter 2 comprend un fond de carter noté 2B du côté de l’arbre de sortie et une embouchure de carter notée 2C par laquelle les composants que sont la chemise, le stator et le rotor sont insérés. Le fond du carter peut être formé comme une pièce distincte du corps cylindrique. Dans l’exemple illustré, le fond du carter est formé intégralement avec le corps. Chemise La machine électrique ME comprend une chemise 1 montée à l'intérieur du carter 2. La chemise comprend des passages pour une circulation de fluide de refroidissement. Ces passages prennent la forme de canaux annulaires 7. La chemise 1 est formée en acier. L’acier présente une large plage de comportement élastique qui sera mise à profit comme discuté plus bas. La chemise 1 présente une forme générale cylindrique centrée sur l’axe de machine noté A. Avantageusement, la chemise 1 est obtenue par un procédé d'hydroformage. La chemise est fabriquée à partir d’un tronçon cylindrique d’acier brut, qui dans l’exemple illustré est ensuite déformé par une presse à hydroformage. Ceci permet d’obtenir des déformations prononcées sans risque d’amorcer des fissures. Les multiples formes obtenues sont discutées ci-après. La chemise 1 présente une épaisseur de paroi comprise entre 0,5 mm et 1,5 mm. De préférence, la chemise 1 peut présenter une épaisseur de paroi comprise entre 0,7 mm et 0,9 mm. Comme illustré aux figures 1, 2 et 8, la chemise 1 comprend, en référence à la direction axiale A : - une portion centrale 1A formant un siège d’échanges thermiques avec le stator via le fluide de refroidissement, - une première portion d'extrémité 1B destinée à être agencée dans le fond du carter 2B, et - une deuxième portion d'extrémité 1C destinée à être agencée dans l'embouchure du carter 2C. La longueur de la portion centrale 1A le long de l’axe A est plus grande que la longueur des portions d'extrémité 1B,1C qui sont de longueur voisine. Selon un exemple non limitatif, la longueur de la portion centrale 1A peut être comprise entre 10 cm et 50 cm, la longueur des portions d'extrémité peut être comprise entre 4 cm et 10 cm, ces dimensions étant à adapter à la configuration de la machine. Dans l’exemple non limitatif illustré à la FIG. 4 , le fluide de refroidissement entre dans la machine à l’endroit de la première portion d'extrémité 1B (parcours PF1), puis circule dans les canaux annulaires 7 (parcours PF2), puis ressort de la machine à l’endroit de deuxième portion d'extrémité 1C (parcours PF3). La première portion d'extrémité 1B et la deuxième portion d'extrémité 1C comportent des nervures longitudinales 16, qui réduisent fortement la réduction de longueur de ces portions d'extrémité sous compression axiale. La première portion d'extrémité 1B comprend un épaulement 17 formant une butée pour le positionnement axial du stator. Dit autrement, la première portion d'extrémité 1B fait fonction d’entretoise entre le fond du carter 2B et la portion centrale 1A. La portion centrale 1A de la chemise comprend, en coupe axiale, comme notamment visible aux figures 3 et 5, des zones de base 10 destinées à venir en contact avec la paroi périphérique extérieure du stator, et des zones de sommet 11 destinées à venir en contact avec la paroi intérieure du carter La portion centrale 1A forme des canaux annulaires de passage d’eau repérés 7. De plus, la portion centrale 1A de la chemise comprend des digues annulaires 11. Chaque paire de digues annulaires adjacentes délimite un canal annulaire 7. Comme illustré à la FIG. 7 , chaque digue annulaire 11 comprend au moins une dépression 12 dans une zone de sommet, en retrait intérieur d’un cercle circonscrit CC qui délimite la périphérie de la digue annulaire. Dans l’exemple illustré, il y a 6 dépressions réparties de manière équilibrée sur le pourtour de la circonférence. Selon des solutions alternatives, il peut être prévu une ou deux dépressions ou plus. Le rayon R1 coïncidant avec la surface cylindrique extérieure du stator peut être compris entre 15 cm et 25 cm. Le rayon R2 coïncidant avec la surface cylindrique intérieure du carter peut être compris entre 15 cm et 25 cm. L’écart entre R1 et R2 correspond à l’encombrement radial de la chemise. Selon un exemple non limitatif, cet encombrement radial de la chemise est compris entre 3 mm et 6 mm, ce qui est plus mince que l’art connu et qui permet de rendre radialement compacte l’architecture de la machine. La chemise 1 comprend un bord libre avant 18 en butée sur le fond du carter. Ce bord libre avant forme une collerette qui s’étend dans un plan perpendiculaire à l'axe. La chemise 1 comprend un bord libre arrière 19 mis en pression axiale par la jante du couvercle de fermeture. Ce bord libre arrière 19 forme une collerette qui s’étend dans un plan perpendiculaire à l'axe. Dans l'exemple illustré il y a sept canaux annulaires et huit digues, mais le nombre de canaux annulaires et de digues peut être bien entendu quelconque. Stator / Rotor La machine électrique ME comprend un stator 3 monté à l'intérieur de la chemise. La machine électrique comprend un rotor 5 monté à l'intérieur du stator. Le rotor 5 est monté de façon pivotante par rapport au carter autour d'un axe de machine. Il est prévu un palier à roulement du côté de la zone de fond de carter et il est prévu un palier à roulement au niveau de la zone d'embouchure du carter. Le rotor 5 peut être de type à aimants permanents ou de type bobiné, il n'est pas décrit plus en détail ici, car connu en soi. Le rotor 5 tourne autour de l’axe A. Le stator 3 comprend un empilage de tôles ferromagnétiques et des enroulements de conducteurs électriques. Le stator n'est pas décrit plus en détail ici, car connu en soi. On remarque des rainures longitudinales 33 dans stator. Il est prévu dans la chemise au moins un bossage d’indexage 31, radialement intérieur, configuré pour coopérer avec (être reçu dans) une rainure 33 ménagée dans le stator. Couvercle / Compression / auto-serrage La machine électrique ME comprend un couvercle de fermeture 4 agencé dans la zone d’embouchure du carter. Le couvercle de fermeture 4 comprend une portée pour recevoir un palier de roulement du rotor. Le couvercle de fermeture 4 ferme et délimite une zone intérieure électromagnétique de la machine de manière à ne pas laisser entrer de corps étranger ou d’élément fluide, notamment dans la zone d’entrefer. Le couvercle de fermeture 4 est fixé par des moyens de fixation, par exemple des vis, qui poussent le couvercle en direction du fond du carter. La chaîne de cotes est telle que, en conséquence, le couvercle de fermeture 4 pousse le bord libre arrière 19 de la chemise 1 en direction du fond du carter. Plus précisément, le couvercle de fermeture 4 comprend une jante notée 41 qui vient porter circulairement sur la collerette du bord arrière 19 pour pousser la chemise 1 en direction du fond de carter. La chemise 1 subit ainsi une compression axiale. Comme déjà mentionné, la première portion d'extrémité 1B et la deuxième portion d'extrémité 1C sont munies de nervures axiales et présentent un module d'Young équivalent dans le sens axial très supérieur au module d'Young de la portion centrale 1A. C'est ainsi la portion centrale qui subit la diminution de longueur. La longueur de la chemise peut être réduite de quelques dixièmes de millimètre voire de quelques millimètres, c'est la portion centrale qui voit la réduction de longueur se produire, de quelques pourcents en diminution relative. La FIG. 5 illustre le phénomène de dilatation radiale sous l’effet de la compression axiale. Le contour non hachuré noté P1 correspond à la position des zones de base 10 et des zones de sommet 11 avant pose du couvercle, c'est-à-dire en l'absence de compression axiale exercée sur la chemise. Le contour hachuré noté P2 correspond à la position des zones de base 10 et des zones de sommet 11 après pose du couvercle, c'est-à-dire en présence de la compression axiale exercée sur la chemise. La portion centrale fonctionne à la manière d’un accordéon. Les zones de base 10 sont déplacées radialement vers l'intérieur et exercent une pression contre la surface extérieure cylindrique 30 du stator. Simultanément, les zones de sommet 11 sont déplacées radialement vers l'extérieur et exercent une pression contre la surface intérieure cylindrique 20 du carter. En fonction de la position de chaque digue 11, il peut y avoir un déplacement de la crête de sommet dans le sens axial. Au fur et à mesure de la compression, les jeux (extérieur J1 et intérieur J2) nécessaires au montage sont annulés, et au surplus au-delà, une contrainte radiale est générée. Cette contrainte radiale permet la transmission d'un couple, notamment le couple machine mentionné en début d'exposé. On remarque que la somme des jeux, J1 + J2, peut être généralement comprise entre 50 centièmes et quelques dixièmes de millimètres. Montage Comme illustré à la FIG. 8 , au cours d'une opération notée OP01, on insère la chemise 1 dans le carter 2, selon la direction axiale et en direction du fond du carter. Ensuite, on insère le stator 3 de la machine selon la même direction, au cours d'une opération notée OP02. Ensuite, on insère le rotor 5 de la machine selon la même direction, au cours d'une opération notée OP03. Ensuite, on insère le Couvercle de fermeture 4, au cours d'une opération notée OP04. Selon une variante du procédé de montage, on peut pré-assembler le stator 3 dans la chemise 1 comme un macro-composant. Le vissage du couvercle de fermeture 4 provoque la compression axiale de la chemise décrite plus haut et l'expansion radiale de la chemise décrite plus haut. Machine électrique (ME) comprenant : un carter (2), une chemise (1) montée à l'intérieur du carter et comprenant des passages pour une circulation de fluide de refroidissement, un stator (3) monté à l'intérieur de la chemise, un rotor (5) monté à l'intérieur du stator et monté de façon pivotante par rapport au carter autour d'un axe de machine (A), un couvercle de fermeture (4) agencé à l'opposé d'un fond de carter, caractérisé en ce que la chemise est formée en acier, et le couvercle de fermeture exerce une compression axiale sur la chemise de manière à générer une expansion d’au moins une partie de la chemise selon une direction radiale perpendiculaire à l’axe. Machine électrique selon la revendication 1, caractérisé en ce que la chemise comprend : - une portion centrale (1A) formant un siège d’échanges thermiques avec le stator via le fluide de refroidissement, - une première portion d'extrémité (1B) destinée à être agencée dans le fond du carter, et - une deuxième portion d'extrémité (1C) destinée à être agencée dans une portion d'embouchure du carter. Machine électrique selon la revendication 2, caractérisé en ce que la portion centrale de la chemise comprend, en coupe axiale, des zones de base (10) destinées à venir en contact avec la paroi périphérique extérieure du stator, et des zones de sommet (11) destinées à venir en contact avec la paroi intérieure du carter. Machine électrique selon la revendication 2, caractérisé en ce que la portion centrale forme des canaux annulaires de passage d’eau et la portion centrale de la chemise comprend des digues annulaires, chaque paire de digues annulaires adjacentes délimitant un canal annulaire de passage d’eau. Machine électrique selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que la première portion d'extrémité (1B) et la deuxième portion d'extrémité (1C) comportent des nervures longitudinales (16). Machine électrique selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu’il est prévu au moins un bossage d’indexage (31), radialement intérieur, configuré pour coopérer avec une rainure (33) ménagée dans le stator. Machine électrique selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que chaque digue annulaire comprend au moins une dépression (12) dans une zone de sommet, en retrait intérieur d’un cercle circonscrit (CC) délimitant la digue annulaire. Machine électrique selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la chemise (1) est obtenue par un procédé d'hydroformage. Machine électrique selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que la première portion d'extrémité (1B) comprend un épaulement (17) formant butée pour le positionnement axial du stator. Véhicule automobile électrique comprenant une machine électrique selon l'une quelconque des revendications 1 à 9.