T ITRE DE L’INVENTION : CIRCUIT DE REFROIDISSEMENT A BASSE PRESSION

DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION

[0001] La présente invention concerne de manière générale le refroidissement des machines électriques ou thermiques.

[0002] Elle concerne plus particulièrement un vase d’expansion pour circuit de refroidissement, comportant un récipient adapté à contenir un liquide de refroidissement.

[0003] L’invention trouve une application particulièrement avantageuse dans le refroidissement des machines électriques, et notamment dans celui des machines électriques à flux axial.

[0004] Elle concerne également un groupe-moteur comportant un moteur électrique et un circuit de refroidissement du moteur électrique, dont les entrée et sortie sont branchées sur le moteur électrique et qui comprend une pompe de liquide de refroidissement, un échangeur thermique, et un vase d’expansion.

ETAT DE LA TECHNIQUE

[0005] Un véhicule automobile électrique ou hybride comporte pour sa propulsion une machine électrique.

[0006] A titre d’exemple, la machine électrique peut être du type à flux axial et comporter un carter qui loge un rotor en forme de disque flanqué d’un ou de deux stators.

[0007] Chaque stator comporte un châssis en forme de disque sur une face duquel s’élèvent des dents, et des bobines de fils électriques enroulées autour des dents.

[0008] Lors de son fonctionnement, un tel moteur électrique émet beaucoup de chaleur, qu’il est nécessaire d’évacuer.

[0009] Il est alors connu du document FR2823382 d’employer de l’huile pour refroidir le moteur en la faisant circuler entre les bobines du moteur (dans des espaces appelés « encoches statoriques »). Cette solution est assez efficace puisque l’huile présente des propriétés diélectriques et peut donc entrer en contact direct avec les bobines pour les refroidir.

[0010] Du fait de l’augmentation de sa température lors du fonctionnement du moteur électrique, l’huile, qui n’est pas compressible, augmente de volume. Il est alors connu d’utiliser un vase d’expansion pour absorber les différences de volume d’huile lorsque la température du moteur électrique varie.

[0011] Un tel vase d’expansion comporte généralement un récipient rigide, fermé par un bouchon équipé d’un clapet de surpression, permettant d’évacuer l’air contenu dans le vase lorsque sa pression dépasse un seuil, et d’un clapet de dépression permettant de faire entrer de l’air dans le vase lorsque la pression y est inférieure à un autre seuil.

[0012] La pression dans un tel vase peut alors varier entre les deux seuils, si bien que la pression du liquide de refroidissement dans le circuit varie également.

[0013] L’inconvénient est qu’il est alors difficile de trouver une solution permettant, lorsque la pression augmente, de garantir une bonne étanchéité dans le moteur électrique (pour éviter que l’huile ne s’échappe du chemin prévu) et un débit homogène au travers des différentes encoches statoriques (pour obtenir un refroidissement homogène des différentes bobines du moteur).

PRESENTATION DE L'INVENTION

[0014] Afin de remédier à l’inconvénient précité de l’état de la technique, la présente invention propose une solution dans laquelle la pression du liquide de refroidissement reste peu élevée, ce qui réduit les problèmes d’étanchéité.

[0015] Plus particulièrement, on propose selon l’invention un vase d’expansion tel que défini dans l’introduction, dans lequel il est prévu une membrane déformable qui est adaptée à épouser la forme de la surface du liquide de refroidissement.

[0016] Cette membrane déformable sépare le liquide de refroidissement de l’air extérieur. [0017] Elle est conçue pour se déformer de manière à absorber à elle seule les variations de volume du liquide de refroidissement dans le circuit de refroidissement.

[0018] Elle est en outre conçue pour se déformer sans nécessiter une augmentation importante de la pression du liquide de refroidissement.

[0019] Ainsi, grâce à l’invention, la pression de l’huile au niveau du vase d’expansion reste sensiblement égale à la pression atmosphérique. Or la pression en chaque point du circuit de refroidissement dépend de cette pression. Par conséquent, la pression du liquide de refroidissement en tout point du moteur électrique reste limitée et ne varie pas d’un instant à l’autre. De ce fait, l’étanchéité du circuit de refroidissement est plus facile à garantir.

[0020] D’autres caractéristiques avantageuses et non limitatives du vase d’expansion conforme à l’invention, prises individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles, sont les suivantes :

- ladite membrane déformable délimite deux compartiments dans le récipient, dont un compartiment adapté à contenir le liquide de refroidissement, et un compartiment qui présente une ouverture de mise à l’air libre ;

- ladite membrane est étirable élastiquement ;

- ladite membrane est réalisée dans une matière souple et présente des replis ou des ondulations.

[0021] L’invention porte aussi sur un groupe moteur tel que défini en introduction, dont le vase d’expansion est tel que précité. [0022] Des caractéristiques avantageuses et non limitatives du groupe moteur conforme à l’invention, prises individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles, sont les suivantes :

- le moteur électrique comporte un carter, un rotor et un stator qui est équipé de bobines délimitant entre elles des encoches statoriques ;

- le carter délimite un collecteur annulaire dont l’entrée est branchée à la sortie du circuit de refroidissement et qui débouche dans chacune des encoches statoriques via des ouvertures distinctes ;

- le liquide de refroidissement subit entre la sortie du collecteur annulaire et la sortie desdites ouvertures une perte de charge qui est strictement supérieure à celle subie par le liquide de refroidissement lors de son passage dans les encoches statoriques ;

- le liquide de refroidissement subit entre la sortie du collecteur annulaire et la sortie desdites ouvertures une perte de charge qui est strictement supérieure à celle subie par le liquide de refroidissement entre la sortie des ouvertures et l’entrée du circuit de refroidissement ;

- il est prévu des moyens de séparation permettant d’isoler des chemins de circulation du liquide de refroidissement entre chaque ouverture et chaque encoche statorique ;

- il est prévu une chicane entre chaque ouverture et chaque encoche statorique, forçant le liquide de refroidissement à changer au moins deux fois de direction ;

- le liquide de refroidissement est une huile.

[0023] Bien entendu, les différentes caractéristiques, variantes et formes de réalisation de l'invention peuvent être associées les unes avec les autres selon diverses combinaisons dans la mesure où elles ne sont pas incompatibles ou exclusives les unes des autres.

DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION

[0024] La description qui va suivre en regard des dessins annexés, donnés à titre d’exemples non limitatifs, fera bien comprendre en quoi consiste l’invention et comment elle peut être réalisée.

[0025] Sur les dessins annexés :

[0026] - la figure 1 est une vue schématique d’un groupe moteur selon l’invention ;

[0027] - la figure 2 est une vue schématique du vase d’expansion du groupe moteur de la figure 1 ;

[0028] - la figure 3 est une vue schématique du moteur électrique du groupe moteur de la figure 1 ; et

[0029] - la figure 4 est un graphique illustrant la variation de pression du liquide de refroidissement le long du circuit de refroidissement et du moteur électrique du groupe moteur de la figure 1. [0030] Sur la figure 1 , on a représenté un groupe moteur 10 qui comprend un moteur électrique 200 et un circuit de refroidissement 100 du moteur électrique 200.

[0031] Le circuit de refroidissement 100 comporte principalement une pompe 110 et un échangeur de chaleur 120 qui sont connectés en série avec le moteur électrique 200 au moyen de conduites, ainsi qu’un vase d’expansion 150 qui est branché sur l’une des conduites précitées.

[0032] La pompe 110 pourrait se présenter sous diverses formes. Il s’agit ici d’une pompe de type à engrenage, dont l’entrée est directement connectée au moteur électrique 200 par une première conduite 131 et dont la sortie est directement connectée à l’échangeur de chaleur 120 par une deuxième conduite 132.

[0033] L’échangeur de chaleur 120 présente quant à lui une sortie directement connectée au moteur électrique 200 par une troisième conduite 133. Il pourrait s’agir d’un échangeur à air ou à eau, dans lequel le refroidissement du liquide de refroidissement circulant dans le circuit de refroidissement 100 se ferait donc par air ou par eau.

[0034] Cet échangeur de chaleur 120 et la pompe 110 étant bien connus de l’Homme du métier, ils ne seront pas ici davantage décrits.

[0035] Le vase d’expansion 150 est quant à lui connecté par une quatrième conduite 134 à la première conduite 131.

[0036] Un mode de réalisation de ce vase d’expansion 150 est plus précisément représenté sur la figure 2.

[0037] Dans ce mode, le vase d’expansion 150 comporte un récipient 151 de forme quelconque, par exemple parallélépipédique, adapté à recevoir du liquide de refroidissement. Ce récipient 151 est par exemple réalisé en matière plastique, en une seule pièce ou en plusieurs éléments assemblés ensemble.

[0038] Il est étanche, excepté au niveau de ses ouvertures 153, 154 décrites ci-après.

[0039] Ce récipient 151 loge intérieurement une membrane déformable 152 qui délimite deux compartiments 158, 159 dans le récipient 151 , séparés de façon étanche.

[0040] L’un de ces compartiments, appelé compartiment inférieur 158, est prévu pour recevoir uniquement du liquide de refroidissement. Il présente une ouverture 154 sur le bord de laquelle est branchée la quatrième conduite 154.

[0041] L’autre de ces compartiments, appelé compartiment supérieur 159, est quant à lui prévu pour être rempli d’air.

[0042] La membrane déformable 152 sert alors d’interface entre le liquide de refroidissement et l’air.

[0043] Elle est donc pleine (c’est-à-dire dépourvue de trou) et se rattache de façon étanche sur l’ensemble de son pourtour à la face interne du récipient 151 .

[0044] Cette membrane est qualifiée de « déformable » en ce sens qu’elle ne fait pas obstacle au remplissage ou à la vidange du compartiment inférieur 158. Plus précisément ici, lors du fonctionnement du moteur électrique 200 à pleine charge, lorsque le liquide de refroidissement augmente de volume jusqu’à atteindre un volume maximal, la membrane déformable 152 est conçue pour se déformer suffisamment facilement de sorte que la pression de liquide de refroidissement ne varie pas ou peu (de moins de 0,1 bar).

[0045] En pratique, on pourrait prévoir que la membrane soit étirable, à la façon d’un ballon de baudruche que l’on gonflerait.

[0046] Mais ici, comme le montre la figure 2, la membrane déformable 152 est plutôt souple et elle présente une forme irrégulière, avec des replis ou des ondulations, ce qui lui permet d’épouser la forme de la surface du liquide de refroidissement, quel que soit le volume de liquide contenu dans le premier compartiments 158.

[0047] Il pourrait ainsi par exemple s’agir d’une membrane en matière plastique ou caoutchouteuse, qui épouserait parfaitement (avec un minimum de replis) la forme du dessus du récipient 151 si ce dernier était rempli.

[0048] Un moyen de régulation 153 de la pression d’air dans le compartiment supérieur 159 est prévu pour garantir que la pression de l’air qui y est contenu ne varie pas ou peu (de moins de 0,1 bar).

[0049] En pratique, ce moyen de régulation est une simple ouverture 153 de mise à l’air libre qui, lorsque le niveau de liquide de refroidissement monte dans le récipient 151 , permet à l’air contenu dans le compartiment supérieur 159 de s’évacuer de façon que sa pression reste égale à la pression atmosphérique.

[0050] A ce stade, on pourra noter que le remplissage du circuit de refroidissement 100 pourra se faire via un bouchon prévu non pas dans la cuve d’expansion, mais à distance de celle-ci. Au début du remplissage, il conviendra de s’assurer que le compartiment inférieur 158 ne renferme pas d’air puis qu’il ne se remplisse pas d’air. Pour cela, on pourra par exemple mettre le compartiment supérieur 159 sous pression d’air.

[0051] Le moteur électrique 200 à refroidir est de préférence un moteur du type à flux axial.

[0052] Une partie de ce moteur est représentée sur la figure 3.

[0053] Ce moteur électrique 200 comporte classiquement une arbre-moteur, un carter 231 , un ou préférentiellement deux stators 201 fixés au carter, et un rotor en forme de disque, qui est situé entre les stators et qui est fixé à l’arbre-moteur. Cette configuration permet, lorsque les stators sont alimentés en courant électrique, de faire tourner l’arbre- moteur autour d’un axe de rotation.

[0054] Dans la suite de cet exposé, on ne s’intéressera qu’à l’un des stators (les deux stators étant identiques ou similaires).

[0055] Comme le montre la figure 3, ce stator 201 comporte un flasque 202 en forme de disque centré sur l’axe de rotation, qui est percé en son centre par une ouverture centrale 204 de passage de l’arbre-moteur. Il est également percé sur sa périphérie par des ouvertures 203 de fixation du flasque au carter 231 .

[0056] Le flasque 202 présente ainsi un bord périphérique sensiblement circulaire, et deux faces planes. L’une de ces faces, celle tournée vers le rotor, porte des dents 205 (ou « plots ») en saillie du flasque 202.

[0057] Ces dents 205, ici au nombre de 13, sont réparties tout autour de l’ouverture centrale 204.

[0058] Elles présentent des sections transversales à l’axe de rotation en forme globale de trapèzes isocèles.

[0059] Elles sont conçues pour permettre l’enroulement d’un fil électrique conducteur autour de chacune d’entre elles, de manière à former des bobines 220. Une fois alimentées en courant électrique, ces bobines 220 permettent de générer un champ magnétique orienté parallèlement à l’axe de rotation, de façon à forcer le rotor à tourner autour de cet axe.

[0060] Les bobines 220 enroulées sur des dents 205 voisines se situent à une distance réduite mais non nulle l’une de l’autre, et elles délimitent donc entre elles un espace ci- après appelé « encoche statorique 210 ». Ces encoches statoriques 210 s’étendent en longueur selon un axe radial par rapport à l’axe de rotation, et elles présentent des sections sensiblement identiques (aux dispersions de fabrication près).

[0061] Le circuit de refroidissement 100 précité est alors conçu pour refroidir le liquide de refroidissement avant de le faire passer au travers du stator 201 du moteur électrique 200, via ces encoches statoriques 210.

[0062] Le liquide de refroidissement alors utilisé est préférentiellement de l’huile, ce qui permet de faire passer ce liquide contre les bobines 220 de fil électrique sans craindre de problème électrique.

[0063] Le carter 231 du moteur électrique 200 présente alors une entrée 232 connectée à la troisième conduite 133, et une sortie connectée à la première conduite 131.

[0064] Comme cela a été exposé supra, ce carter 231 délimite une chambre d’accueil du rotor et des stators. Il comporte pour cela une paroi latérale sensiblement de révolution autour de l’axe de rotation.

[0065] Cette paroi latérale est en partie creuse, de façon à délimiter intérieurement un espace torique, appelé collecteur d’huile 230, dans lequel débouche l’entrée 232 d’huile et qui permet de répartir l’huile vers chacune des encoches statoriques 210.

[0066] Ce collecteur d’huile 230 présente préférentiellement une symétrie de révolution autour de l’axe de rotation.

[0067] La section de ce collecteur d’huile pourrait être sensiblement ronde ou carrée. Toutefois, pour des raisons d’encombrement (l’épaisseur de la paroi latérale du carter étant limitée), elle sera plutôt de forme aplatie (rectangulaire ou ovale).

[0068] Parce que ce collecteur d’huile 230 est défini à l’intérieur de la paroi latérale du carter 131 , lequel peut par exemple être issu de fonderie, la pression qui y règne ne pose pas de difficulté vis-à-vis de son étanchéité.

[0069] Le collecteur d’huile 230 est connecté aux encoches statoriques 210 via des ouvertures (non visibles) prévues dans le carter 231 et via des ouvertures 211 (visibles sur la figure 3) qui sont pratiquées dans le flasque 202 du stator 201 et dont le nombre est égal au nombre de dents 205.

[0070] L’huile, lorsqu’elle ressort de ces ouvertures 211 , se trouve dans un espace qui s’étend sur le pourtour extérieur des bobines 220 et qui est délimité, d’un côté, par ces bobines, et, de l’autre, par le carter 231 (ou par une paroi d’étanchéité).

[0071] Il est alors prévu des moyens pour séparer cet espace en autant de secteurs angulaires qu’il y a de bobines 220. Ces moyens sont ici formés par des cloisons de séparation 206.

[0072] Grâce à ces cloisons, chaque encoche statorique 210 est alimentée en huile via sa propre ouverture 211.

[0073] Chaque ouverture 211 présente une taille réduite, ce qui a pour fonction de créer une forte perte de charge sur la circulation de l’huile.

[0074] Cette perte de charge créée par l’ouverture 211 peut être complétée par une réduction de la section du passage (appelé orifice d’ajutage) du fluide réalisé dans la portion de passage entre la sortie du collecteur et l’ouverture 211. L’Avantage de cette solution est de ne pas réduire trop le diamètre de l’ouverture 211 , car plus ce diamètre est faible, plus la vitesse du fluide à la sortie de l’ouverture 211 est élevée. Une survitesse (supérieure à 3 m/s) peut créer des dommages sur les bobines qui ont une couche de vernis fragile pour leur isolation électrique.

[0075] Grâce à l’architecture employée, les débits d’huile dans les différentes encoches statoriques 210 sont sensiblement identiques.

[0076] La section de ces ouvertures est par exemple comprise entre 4 et 20 mm ² , alors que celle du collecteur d’huile est comprise entre 50 et 200 mm ² .

[0077] Cette perte de charge a en outre pour effet de diminuer la pression d’huile dans les encoches statoriques 210, si bien qu’il est plus facile de rendre ces encoches étanches. [0078] Du fait des dispersions de fabrication, il arrive que les sections des encoches statoriques 210 ne soient pas toutes exactement identiques.

[0079] Les ouvertures 211 et les cloisons de séparation 206 sont alors agencées par rapport aux entrées des encoches statoriques 210 de manière à former des chicanes 212 entre chaque ouverture 211 et chaque entrée d’encoche, forçant l’huile à changer deux fois de direction. Ces chicanes 212 permettant alors de participer à l’homogénéisation du débit d’huile entre les différentes encoches statoriques 210, et donc à assurer un refroidissement homogène des différentes bobines 220.

[0080] L’huile, lorsqu’elle ressort de ces encoches statoriques 210, se retrouve dans un espace délimité entre les bobines 220 et l’arbre-moteur (ou entre des parois d’étanchéité). Elle peut alors ressortir par une sortie 219 unique et de grande section, connectée au circuit de refroidissement 210.

[0081] Elle dispose ainsi à sa sortie des encoches d’un espace plus grand que celui dont elle disposait pour passer au travers des encoches statoriques 210. Une fois sortie des encoches statoriques 210, elle subit alors une perte de charge réduite.

[0082] Sur la figure 4, on a représenté les variations de la pression P de l’huile lorsqu’elle circule le long du circuit de refroidissement 100 et dans le moteur électrique 200.

[0083] Sur ce graphique, l’axe des abscisses L représente l’abscisse curviligne du chemin emprunté par l’huile, et l’axe des ordonnées P représente la pression de l’huile.

[0084] Au point d’abscisse L0, qui correspond au point de jonction des première et quatrième conduites 131 , 134 (noté Z0 sur la figure 1), la pression de l’huile est égale à la pression atmosphérique PO grâce à l’architecture particulière du vase d’expansion 150.

[0085] A partir du point d’abscisse L1 , qui correspond à l’entrée de la pompe 110, la pression de l’huile augmente progressivement jusqu’à atteindre une pression P2 à la sortie de la pompe (à l’abscisse L2).

[0086] Lorsque l’huile traverse l’échangeur de chaleur 120 (entre les points d’abscisses L2 et L3), la pression P diminue progressivement.

[0087] A son entrée dans le moteur électrique 200, l’huile présente encore une pression P3 élevée.

[0088] Du fait de la section réduite des ouvertures 211 prévues dans le stator 201 (complétée éventuellement par des ajustages), l’huile va subir une perte de charge importante, de sorte que sa pression à l’entrée des encoches statoriques 210 (au point d’abscisse L4) aura fortement diminué jusqu’à atteindre une pression P4. Comme cela a été expliqué supra, cette forte baisse de pression va permettre de s’assurer que le débit d’huile est sensiblement le même dans toutes les encoches statoriques 210. Cela va en outre permettre de garantir plus facilement l’étanchéité du passage de l’huile dans le moteur.

[0089] La pression P4 étant alors réduite, le passage de l’huile dans les encoches va générer une perte de charge moins élevée que celle générée par les ouvertures 211 (et éventuels ajustages), si bien qu’à la sortie des encoches (abscisse L5), la pression P5 est telle que :

[0090] [Math. 1] [0091] P4 - P5 < P3 - P4

[0092] Comme cela a été exposé ci-dessus, la sortie des encoches est conçue pour générer des pertes de charges minimes, si bien qu’au niveau de l’ouverture de sortie 219 (abscisse L6), la pression P6 est presqu’égale à la pression atmosphérique.

[0093] De manière préférentielle, on peut alors écrire :

[0094] [Math. 2]

[0095] P4 - P6 < P3 - P 4

[0096] La présente invention n’est nullement limitée au mode de réalisation décrit et représenté, mais l’homme du métier saura y apporter toute variante conforme à l’invention. [0097] Les différentes variantes décrites ci-après pourront, dans la mesure du possible, être combinées les unes avec les autres.

[0098] Selon une première variante, le vase d’expansion pourrait comporter un récipient en forme de bol, fermé sur le dessus par la membrane déformable. La membrane déformable ne se trouverait alors plus dans une enceinte fermée, mais serait directement au contact de l’extérieur.

[0099] Selon une seconde variante, le récipient du vase d’expansion pourrait être formé par la membrane déformable elle-même, laquelle se présenterait alors sous la forme d’un ballon gonflable rattaché au châssis du véhicule.

[0100] Selon une troisième variante, le moteur électrique pourrait être, non pas à flux axial, mais à flux radial. En effet, un tel moteur comporte des bobines de fil électrique enroulé autour d’axes radiaux, qui délimitent entre elles des encoches au travers desquelles il est possible de faire passer un liquide de refroidissement.

[0101] Selon une quatrième variante, le liquide de refroidissement pourrait être, non pas de l’huile, mais de l’eau. Dans cette variante, il sera alors nécessaire de prévoir des moyens pour isoler de manière étanche l’eau des bobines électriques.

[0102] Selon une cinquième variante, le circuit de refroidissement pourrait être équipé d’un vase de dégazage permettant de purger le liquide de refroidissement de ses bulles d’air.

[0103] Ce vase de dégazage pourra éventuellement être équipé d’un bouchon pour permettre le remplissage du circuit de refroidissement en huile.

[0104] A titre d’exemple, le vase de dégazage pourra comporter une entrée et une sortie d’huile, et être branché sur le circuit de refroidissement 100 en parallèle du moteur électrique 200 (avec l’entrée connectée à la troisième conduite 133 et la sortie connectée à la première conduite 131).