Titre : Machine à refroidissement par liquide Domaine technique

La présente invention revendique la priorité de la demande française 1913557 déposée le 29 novembre 2019 dont le contenu (texte, dessins et revendications) est ici incorporé par référence.

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.

Technique antérieure

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.

Exposé de l’invention

L’invention vise à améliorer le refroidissement des machines électriques refroidies par une circulation de liquide.

Résumé de l’invention

L’invention vise à répondre à ce besoin et a pour objet, selon un premier de ses aspects, 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 permanents logés dans ledit paquet de tôles, iii. au moins un flasque adjacent audit paquet de tôles, la machine comportant un passage de circulation du liquide de refroidissement formé au moins partiellement dans l’épaisseur du flasque, ce passage débouchant sur des sorties disposées à sa périphérie, par lesquelles le liquide est projeté sur le stator, chaque sortie étant alimentée par au moins un canal d’alimentation respectif et chaque sortie présentant une section offerte à l’écoulement du liquide qui est supérieure à celle d’au moins une portion dudit canal, située en amont.

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 évite la formation d’un jet puissant dirigé vers le stator. La fabrication de la machine reste simple, et les flasques peuvent être réalisés simplement, si cela est souhaité, d’une seule pièce.

De préférence, le flasque vient axialement en appui contre ledit paquet de tôles rotoriques à une extrémité.

De préférence, les sorties et les canaux d’alimentation sont formés en creux sur une face du flasque tournée vers ledit paquet de tôles rotoriques.

De préférence, les canaux d’alimentation sont orientés radialement.

Les canaux d’alimentation sont de préférence reliés entre eux à une extrémité radialement intérieure par un évidement annulaire. Cet évidement peut servir à collecter le fluide de refroidissement gagnant le flasque en circulant dans un espace ménagé entre G arbre et le paquet de tôles.

La machine comporte de préférence au moins un canal intermédiaire au moins partiellement formé en creux sur le flasque, s’étendant dans la direction circonférentielle à distance des bords radialement intérieur et extérieur du flasque, alimenté en liquide de refroidissement. La présence d’un ou plusieurs canaux intermédiaires améliore le refroidissement du rotor et en particulier celui des aimants.

La largeur du canal intermédiaire peut être inférieure à 50% du rayon du flasque, mieux inférieure à 40%, mieux inférieur à 30%, encore mieux inférieur à 20%, par exemple de l'ordre de 10% du rayon du flasque. Une telle largeur permet d'avoir assez de volume pour laisser passer le liquide de refroidissement tout en gardant une certaine pression afin de faire en sorte que le canal intermédiaire soit suffisamment rempli à toutes les vitesses de fonctionnement.

La largeur du canal intermédiaire est comprise entre 1 mm et 40 mm, mieux entre 2 mm et 30 mm, mieux entre 3 mm et 20 mm, par exemple de l'ordre de 4 mm ou de l'ordre de 10 mm.

Le canal intermédiaire peut être disposé à une distance supérieure à 2 mm, mieux supérieure à 3 mm, par exemple de l'ordre de 5 mm ou de l'ordre de 11 mm du bord radialement intérieur du flasque. Le canal intermédiaire peut être disposé à une distance supérieure à 5 mm, mieux supérieure à 10 mm, par exemple de l'ordre de 12 mm ou 14 mm du bord radialement extérieur du flasque.

De préférence, le ou chaque canal intermédiaire s’étend selon un cercle centré sur l’axe de rotation, et relie avantageusement deux canaux d’alimentation adjacents.

De préférence, le ou chaque canal intermédiaire fait face à au moins un évidement du paquet de tôles rotoriques, cet évidement traversant axialement au moins une partie des tôles du paquet de tôles rotoriques. Cela permet un échange de fluide de refroidissement avec le paquet de tôles rotoriques, le fluide pouvant circuler dans le passage défini par les évidements du paquet et les canaux intermédiaires.

De préférence, le ou les évidements sont formés au sein d’au moins un logement de réception d’au moins un aimant permanent, par l’espace laissé libre par le ou les aimants dans ce logement. Le canal intermédiaire peut faire face à au moins un logement de réception d’au moins un aimant permanent.

De préférence, les canaux d’alimentation présentent une forme évasée débouchant sur lesdites sorties.

La section d’au moins un canal d’alimentation peut augmenter d’un facteur d’au moins 5 avant d’atteindre la sortie correspondante. Cette augmentation se fait de préférence entre une zone de jonction avec le ou les canaux intermédiaires et les sorties.

L’alimentation en fluide de refroidissement se fait de préférence depuis l’arbre du rotor. Ce dernier peut ainsi comporter un arbre parcouru sur au moins une partie de sa longueur par un canal interne de fourniture du liquide de refroidissement. Au moins un canal axial de distribution du liquide de refroidissement vers le flasque peut être formé entre le paquet de tôles rotoriques et l’arbre, le long de celui-ci.

De préférence, les sorties sont orientées radialement vers l’extérieur.

Le flasque peut comporter un évidement périphérique reliant les sorties. Cet évidement peut être ouvert sur des évidements du paquet de tôles rotoriques, et permettre de ne pas gêner la sortie du fluide de refroidissement circulant par ces évidements. Le fluide peut notamment entrer dans le paquet de tôles rotoriques par les évidements situés en regard du ou des canaux intermédiaires, et sortir du paquet par les évidements situés en regard de l’évidement périphérique.

De préférence, le flasque est une pièce de fonderie, étant notamment réalisé en aluminium ou alliage d’aluminium. La géométrie du flasque, avec les canaux 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.

L’invention a encore pour objet un procédé de refroidissement d’une machine électrique tournante, notamment selon le premier aspect de l’invention défini ci-dessus, dans lequel on projette sur le stator, notamment sur les têtes de bobines de celui-ci, un liquide de refroidissement à partir de sorties disposées en périphérie du rotor, ces sorties étant définies au moins partiellement par un flasque rapporté sur un paquet de tôles rotoriques, les sorties étant alimentées en liquide de refroidissement par des canaux d’alimentation présentant au moins sur une portion de leur longueur une section plus petite que celle de la sortie correspondante. De préférence, on fait circuler le liquide de refroidissement entre le flasque et le paquet de tôles rotoriques par un ou plusieurs canaux intermédiaires formés au moins partiellement en creux sur le flasque, orientés circonférentiellement et situés à une distance non nulle des bords radialement intérieur et extérieur du flasque.

De préférence également, on fait circuler axialement le fluide de refroidissement au sein du paquet de tôles rotoriques à travers des évidements de celui-ci débouchant sur les canaux d’alimentation et/ou le ou les canaux intermédiaires.

L’invention a encore pour objet, selon un autre de ses aspects, indépendamment ou en combinaison avec ce qui précède, 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 permanents logés dans ledit paquet de tôles, iii. au moins un flasque adjacent audit paquet de tôles, la machine comportant un passage de circulation du liquide de refroidissement formé au moins partiellement dans l’épaisseur du flasque, ce passage débouchant sur des sorties disposées à sa périphérie, par lesquelles le liquide est projeté sur le stator, chaque sortie étant alimentée par au moins un canal d’alimentation respectif, au moins un canal intermédiaire étant au moins partiellement formé en creux sur le flasque, s’étendant dans la direction circonférentielle à distance des bords radialement intérieur et extérieur du flasque, et étant alimenté en liquide de refroidissement.

La présence de ce canal intermédiaire améliore le refroidissement du rotor et en particulier des aimants, en permettant une circulation additionnelle de liquide à proximité des aimants.

Ce deuxième aspect de l’invention se combine avantageusement au premier, mais présente des avantages indépendamment de la forme des canaux d’alimentation des sorties.

Il est avantageux que le ou chaque canal intermédiaire débouche en regard d’au moins un évidement formé dans le paquet de tôles rotoriques, de façon à permettre une circulation du fluide de refroidissement entre cet évidement et le canal intermédiaire. L’évidement est de préférence formé par découpe des tôles du paquet pour réaliser un logement de réception d’au moins un aimant permanent, et permet au fluide de circuler au contact de cet aimant. Cela améliore les échanges thermiques avec cet aimant. L’évidement peut être formé par une portion du logement de réception de l’aimant dont la forme est choisie pour constituer un obstacle aux lignes de champ magnétique reliant les pôles magnétiques opposés du ou des aimants reçus dans ce logement.

Le cas échéant, l’évidement communique avec au moins un passage formé au sein du paquet entre deux sous-ensembles de tôles.

L’évidement peut être parcouru par une circulation axiale du fluide de refroidissement.

Toutes les caractéristiques présentées plus haut, en liaison avec le premier aspect de l’invention, trouvent à s’appliquer à ce deuxième aspect de l’invention.

Brève description des dessins

L’invention pourra être mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, d’exemples de mise en œuvre non limitatifs de celle-ci, et à l’examen du dessin annexé, sur lequel : la figure 1 représente de façon partielle et schématique, en coupe longitudinale, le rotor d’une machine selon l’invention, la figure 2 représente un détail du rotor de la figure 1, une portion du stator de la machine étant représentée schématiquement, la figure 3 représente isolément, en vue de face, un flasque d’extrémité, la figure 4 représente le flasque de la figure 3 en coupe selon IV-IV, la figure 5 est une vue analogue à la figure 4, la figure 6 est une vue illustrant le positionnement relatif des logements de réception des aimants du paquet de tôles et du flasque, la figure 7 représente isolément, en perspective, une variante de flasque, la figure 8 est une vue de face du flasque de la figure 7, la figure 9 est une coupe selon IX-IX de la figure 8, la figure 10 est une vue de côté du flasque de la figure 7, la figure 11 est une vue en coupe selon XI-XI de la figure 7, et la figure 12 est une vue en coupe selon XII-XII de la figure 7.

Description détaillée

La machine électrique selon l’invention, partiellement représentée à la figure 1, comporte un rotor 10 tournant à l’intérieur d’un stator (non représenté sur cette figure) autour d’un axe de rotation X. Le stator 20, partiellement représenté à la figure 2, 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 pour former des têtes de bobines 22, encore appelées chignons.

Le rotor 10 comporte au moins un paquet 11 de tôles ro toriques porté par un arbre 40 qui est guidé par des roulements 46.

Le paquet 11 comporte, comme visible sur la figure 6, des logements 13 dans lesquels sont disposés des aimants permanents 14.

Le rotor 10 comporte deux flasques d’extrémité 30 disposés contre les extrémités respectives du paquet 11.

Les deux flasques 30 sont identiques dans l’exemple considéré, et présentent sur leur face 31 tournée vers le paquet 11 un ensemble de reliefs en creux définissant un passage 32 de circulation d’un fluide de refroidissement. Les deux flasques 30 sont par exemple décalés angulairement de 45° l’un par rapport à l’autre, comme illustré.

Ce fluide de refroidissement, qui est de préférence une huile, est amené par un canal central 41 de l’arbre 40, qui communique avec des canaux radiaux 42.

Un espace 16 est ménagé entre le paquet 11 et l’arbre 40 pour permettre la circulation du fluide de refroidissement jusque dans la région centrale des flasques 30.

Si l’on se réfère aux figures 3 à 5, on voit que le flasque 30 présente une ouverture centrale 33 pour son montage sur l’arbre, bordée par un évidement annulaire 39.

Le flasque 30 présente à sa périphérie des sorties 34 orientées radialement, par lesquelles le fluide de refroidissement est éjecté vers le stator 20.

Ces sorties 34 sont alimentées par des canaux d’alimentation respectifs 35, orientés radialement dans l’exemple illustré, et débouchant intérieurement sur l’ouverture 33.

Le flasque 30 présente également, sur sa face 31, des canaux intermédiaires 36, en forme d’arcs de cercle centrés sur l’axe de rotation X, qui relient chacun deux canaux d’alimentation 35.

Un évidement annulaire 38 relie les sorties 34. Cet évidement 38 s’étend à partir de la face 31 du flasque 30. Dans l’exemple considéré, le flasque 30 présente quatre sorties 34, équiréparties autour de l’axe de rotation X, quatre canaux d’alimentation respectifs 35, et quatre canaux intermédiaires 36, mais l’invention n’est pas limitée à ce nombre de sorties et canaux.

Les canaux intermédiaires 36 présentent de préférence, comme illustré, une section hémicirculaire, constante jusqu’à une zone 37 de jonction avec les canaux d’alimentation 35, où la section s’élargit.

La face 31 présente, hormis les reliefs en creux décrits ci-dessus, une surface plane et perpendiculaire à l’axe de rotation X.

Les canaux d’alimentation 35 présentent une forme évasée en direction des sorties correspondantes 34, comme on peut le voir sur les figures 3 et 4 notamment.

Depuis la zone 37 de jonction avec les canaux intermédiaires 36, la section du canal 35 s’élargit pour augmenter de préférence d’un facteur compris entre 2 et 50 jusqu’à la sortie 34.

Le canal d’alimentation 35 peut notamment, comme illustré à la figure 4, présenter un fond qui suit une ligne infléchie, avec une première portion 51 sensiblement rectiligne inclinée d’un angle compris entre 1 et 10° avec le plan de la face 31, puis une deuxième portion 52 plus pentue qui présente une inflexion en 53 pour s’orienter, sur sa portion d’extrémité 54, sensiblement parallèlement à un rayon et au plan de la face 31.

La largeur du canal d’alimentation 35 est sensiblement constante sur la portion 35a s’étendant entre l’évidement 39 et la zone de jonction 37, et augmente sur la portion 35b s’étendant entre cette zone de jonction 37 et la sortie correspondante 34, comme illustré à la figure 3. La portion 35b peut être délimitée latéralement par des lignes infléchies 57, comme visible sur la figure 3.

La profondeur du canal d’alimentation 35 au niveau de la sortie 34 est supérieure à celle de l’évidement périphérique 38, comme on peut le voir sur la figure 4. La profondeur est également supérieure à celle des canaux intermédiaires 36. La profondeur de l’évidement annulaire 39 adjacent à l’ouverture 33 est supérieure à celle des canaux d’alimentation au niveau de leur raccordement à cet évidement 39.

Les flasques 30 sont de préférence réalisés par fonderie, en aluminium ou alliage d’aluminium.

Les flasques 30 peuvent être maintenus contre le paquet 11 par des tirants non représentés. Comme visible sur la figure 6, les canaux intermédiaires 36 sont situés sur le flasque 30 de manière à s’étendre en regard d’évidements 16 définis par les logements 13 de réception des aimants 14.

L’évidement périphérique 38 s’étend en regard d’évidements 17 formés par lesdits logements 13.

La face 31 du flasque 30 vient recouvrir les aimants 14 et contribue ainsi à leur immobilisation axiale au sein du paquet 31.

Durant le fonctionnement de la machine, la rotation du rotor 10 crée une circulation du fluide de refroidissement depuis l’arbre 40 vers l’évidement annulaire 39, dans l’espace entre l’arbre et le paquet, comme illustré à la figure 1.

Le fluide gagnant l’évidement 39 est distribué dans les canaux d’alimentation 35 et guidé vers les sorties 34. Du fluide de refroidissement peut également s’écouler par les canaux intermédiaires 36.

Une circulation axiale de fluide peut s’opérer au sein du rotor, dans les passages définis par les évidements 16 et 17, ce qui contribue également à refroidir les aimants 14.

Le fluide est éjecté par les sorties 34 vers les têtes de bobines 22 du stator 20. Compte-tenu de la section élargie des sorties 34, on évite la formation de jets fins sous haute pression dont l’impact sur les têtes de bobines serait susceptible de les endommager.

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.

Les figures 7 à 12 représentent une variante de flasque 30, qui diffère principalement de celle précédemment décrite par le fait que les canaux d’alimentation 35 s’étendent à partir d’un unique canal intermédiaire 36, lequel est ici défini par une gorge annulaire de section constante. Deux canaux de liaison radiaux 70 diamétralement opposés raccordent le canal intermédiaire 36 à l’évidement annulaire 39 et permettent ainsi l’alimentation en fluide des canaux 35 et 36.

Ces deux canaux de liaison 70 sont situés chacun dans le prolongement d’un canal d’alimentation 35, comme on peut le voir sur la figure 8.

A titre d’exemple, la largeur d’un canal d’alimentation 35 passe dans cet exemple de wi=3 mm là où il débouche sur le canal intermédiaire 36 à W ₂ =10 au niveau de la sortie, comme illustré à la figure 10. La profondeur passe quant à elle de di=2,7mm à d ₂ =8mm, comme illustré à la figure 11. Le changement de section du canal d’alimentation peut se faire sur une distance de 8mm par exemple.

Bien entendu, l’invention n’est pas limitée aux exemples qui viennent d’être décrits. Par exemple, on peut réaliser le rotor avec d’autres passages de fluide de refroidissement, par exemple orientés radialement à mi-longueur environ du paquet 11.

Les canaux radiaux 42 peut être positionnés axialement à mi-longueur du paquet 11.

Le passage 32 de circulation du fluide de refroidissement dans le flasque peut être crée non plus à l’interface paquet/ flasque mais entièrement au sein du flasque, par exemple directement au milieu du flasque. Dans ce cas, les sorties 34 sont réalisées entièrement dans l’épaisseur du flasque, à distance des faces principales de celui-ci, de même que les canaux d’alimentation 35 correspondants. En variante, les sorties 34 sont réalisées entièrement au sein du flasque entre les faces principales de celui-ci, mais le flasque comporte en outre au moins un canal intermédiaire formé à l’interface avec le paquet de tôles rotoriques, pour refroidir les aimants et/ou permettre une circulation du fluide dans les évidements formés dans le paquet de tôles rotoriques.