La présente invention se rapporte de manière générale au domaine de l’électrotechnique et concerne plus précisément une machine électrique refroidie par un liquide diélectrique caloporteur tel que de l’huile.

Dans une machine électrique étanche refroidie à l’huile, des joints dynamiques sont insérés des deux côtés de la machine, autour de l’arbre tournant, pour assurer l’étanchéité de la machine. Les roulements autour de l’arbre de la machine ont également besoin d’être lubrifiés. Afin de refroidir les parties actives de la machine, que sont le rotor et le stator, et de lubrifier les roulements et les joints de la machine, avec la même huile, un circuit d’huile généralement onéreux est réalisé.

Par exemple dans le brevet WO2018206890, des canaux de circulation d’huile et des injecteurs sont positionnés dans le carter de la machine, afin de projeter de l’huile sur les roulements et sur les parties actives de la machine. Ce type de système de refroidissement nécessite une pompe, une crépine, des injecteurs et un circuit de circulation qui augmentent significativement le coût de la machine électrique.

Un des buts de l'invention est de remédier à au moins une partie des inconvénients de la technique antérieure en fournissant une machine électrique refroidie par un liquide diélectrique, qui soit peu onéreuse tout en assurant un bon refroidissement des parties actives de la machine et une bonne lubrification des roulements et des joints dynamiques de la machine.

A cette fin, l'invention propose une machine électrique comportant :

- un rotor comportant un arbre tournant, une partie inférieure dudit rotor baignant dans un liquide diélectrique de refroidissement,

- un stator fixé sur une paroi interne d’un carter de la machine et entourant ledit rotor, le carter comportant au moins un logement de palier sensiblement cylindrique recevant par l’intermédiaire d’un roulement une extrémité dudit arbre tournant, ledit roulement étant maintenu en position dans ledit logement de palier par d’une part une bague de retenue solidaire d’une bague extérieure dudit roulement, ladite bague de retenue étant mise en butée contre une surface d’extrémité axiale dudit logement de palier, et par d’autre part un épaulement circulaire dudit arbre tournant contre lequel est mise en butée une bague interne dudit roulement, caractérisée en ce qu’une portion angulaire supérieure d’une partie sensiblement cylindrique dudit logement de palier comporte un réceptacle apte à recueillir du liquide diélectrique de refroidissement projeté dans le carter par barbotage dudit rotor, et en ce que ladite portion angulaire supérieure comporte au moins un canal traversant radialement ladite partie sensiblement cylindrique, ledit canal débouchant axialement entre la bague extérieure dudit roulement et un trottoir périphérique annulaire interne dudit logement de palier.

Grâce à l’invention, les parties actives de la machine sont refroidies par l’huile projetée par le rotor lorsque celui-ci tourne, et les roulements de la machine sont lubrifiés également par l’huile projetée par le rotor lors de son fonctionnement. Cela économise des canaux de circulation, une pompe, une crépine dédiées à cette circulation, et des injecteurs. La machine selon l’invention est de ce fait moins onéreuse, plus compacte et plus simple à fabriquer que dans l’art antérieur.

Avantageusement, dans ladite machine selon l’invention, ledit canal débouche sur un espace d’au moins 2 mm (millimètres) ménagé entre ledit trottoir périphérique annulaire interne dudit logement de palier et ledit roulement, et dans laquelle un joint dynamique d’étanchéité est disposé autour dudit arbre tournant dans l’espace délimité par ledit trottoir périphérique annulaire interne. Cet espace permet une bonne circulation de l’huile tout autour du roulement et du joint dynamique.

Avantageusement encore, ladite bague de retenue comporte un évidement, ledit évidement étant situé radialement entre la bague extérieure dudit roulement et une surface cylindrique interne dudit logement de palier. Cette caractéristique de l’invention permet l’écoulement de l’huile de lubrification vers la partie inférieure du carter, sans noyer l’espace compris entre le roulement et le joint dynamique.

Avantageusement encore, ledit évidement est situé angulairement plus proche d’un plan horizontal englobant l’axe dudit arbre tournant, que d’un axe vertical intersectant l’axe dudit arbre tournant. Cela permet de garder une réserve d’huile de lubrification au niveau du roulement, au moment d’un nouveau démarrage de la machine électrique.

Selon une variante de réalisation de l’invention, ledit réceptacle et ledit logement de palier dudit carter sont réalisés dans une pièce monobloc obtenue par moulage. Cette variante permet un montage facilité de la machine électrique.

Préférentiellement, ledit réceptacle est formé d’une pièce séparée intercalée axialement entre une paroi interne dudit carter et ladite bague de retenue, ladite pièce comportant un déversoir formant ledit canal et moulé dans une partie inférieure de ladite pièce, ladite partie inférieure de ladite pièce étant insérée dans un évidement correspondant formé dans ladite partie sensiblement cylindrique dudit logement de palier. Ce mode de réalisation de l’invention permet une réalisation facilitée des parois du carter, les logements de paliers de la machine selon l’invention étant très peu modifiés dans ce mode de réalisation par rapport aux logements de paliers de l’art antérieur.

Avantageusement, ledit réceptacle est formé d’une pièce séparée intercalée axialement entre une paroi interne dudit carter et ladite bague de retenue, ladite pièce ayant la forme d’une section de couronne déformée, la périphérie externe de ladite couronne étant décalée axialement par rapport à la périphérie interne de ladite couronne, ladite périphérie interne de ladite couronne étant rattachée à ladite périphérie externe de ladite couronne par une section annulaire correspondante, ladite périphérie externe de ladite couronne étant en appui contre ladite bague de retenue, ladite section annulaire épousant la surface de ladite portion angulaire supérieure de ladite partie sensiblement cylindrique dudit logement de palier, un déversoir formant ledit canal étant moulé dans ladite section annulaire et dans ladite périphérie interne de ladite couronne, ladite périphérie interne de ladite couronne étant insérée dans un évidement correspondant formé dans ladite partie sensiblement cylindrique dudit logement de palier, ladite pièce comportant en outre des éléments de retenue sous forme de parois s’étendant radialement et axialement au niveau des extrémités longitudinales de ladite section annulaire. Dans ce mode de réalisation de la machine selon l’invention, le réceptacle est simple à fabriquer et se monte facilement sur le logement de palier correspondant.

Préférentiellement, ledit réceptacle est en matière plastique. Il est ainsi facile à réaliser par moulage et peu coûteux.

L’invention concerne aussi un véhicule électrique ou hybride comportant une machine électrique de traction selon l’invention, dans lequel ledit carter de ladite machine électrique comporte un échangeur dans sa partie inférieure intégrant un réseau de canaux de liquide de refroidissement connecté à un circuit de refroidissement reliant d’autres équipements dudit véhicule parmi lesquels le radiateur situé à l’avant dudit véhicule, ledit liquide de refroidissement étant de l’eau glycolée. Cet échangeur permet le refroidissement du liquide diélectrique de refroidissement situé dans le carter de la machine, notamment lorsque la température dudit liquide diélectrique de refroidissement est supérieure à un seuil haut de température.

Préférentiellement, dans ledit véhicule selon l’invention, ledit liquide diélectrique de refroidissement est de l’huile, ladite machine électrique est étanche à l’huile et comporte un réservoir d’huile dans une partie inférieure dudit carter pourvue d’une résistante chauffante, ledit véhicule comportant des moyens d’activation de ladite résistance chauffante lorsque la température de l’huile dans ledit réservoir est inférieure à un seuil bas de température, lors d’une phase de démarrage dudit véhicule. Ce réchauffement de l’huile au démarrage permet un bon fonctionnement de la machine par grand froid, l’huile à basse température ne permettant pas de lubrifier correctement les roulements et les joints dynamiques de la machine, et induisant des frottements visqueux importants sur le rotor. Avantageusement, dans ledit véhicule selon l’invention, ladite machine électrique est dimensionnée pour un régime nominal n’excédant pas 9000 tours par minutes et ne comporte pas de circuit interne de projection d’huile. Ce dimensionnement permet de garder un bon rendement pour la machine électrique, les frottements de l’huile sur le rotor induisant des pertes importantes à très haut régime.

Le véhicule électrique ou hybride selon l’invention présente des avantages analogues à ceux de la machine électrique selon l’invention.

D'autres caractéristiques et avantages apparaîtront à la lecture d’un mode de réalisation préféré décrit en référence aux figures dans lesquelles :

- la figure 1 représente en coupe longitudinale une machine électrique refroidie par un liquide diélectrique selon l'invention, dans ce mode de réalisation préféré,

- la figure 2 représente un agrandissement de la figure 1 au niveau d’un roulement de la machine électrique selon l’invention, dans ce mode de réalisation préféré,

- la figure 3 représente une pièce de la machine selon l’invention formant un réceptacle, dans ce mode de réalisation préféré,

- et la figure 4 représente un arbre tournant de la machine selon l’invention, avec la position de ladite pièce par rapport à d’autres éléments fixés sur l’arbre, dans ce mode de réalisation préféré.

Selon un mode préféré de réalisation de l'invention représenté à la figure 1, une machine électrique ME selon l’invention comporte un carter CAR étanche dans lequel est fixé un stator STAT, ensemble sensiblement cylindrique creux, formé de tôles comportant des enroulements de fils de cuivre. Le stator STAT est fixé par vis ou par frettage à la paroi interne sensiblement cylindrique du carter CAR. Par « sensiblement » dans cette demande, on entend « à quelques variations près », par exemple avec des bosses ou des trous ajoutés par rapport à une forme définie ainsi, ou avec une différence dans une fourchette de 10% par rapport à une direction ou une position définie ainsi.

Dans le stator STAT est logé un rotor ROT, assemblage de tôles et de bobinages ou d’aimants entourant un arbre tournant AT. Les extrémités de l’arbre tournant AT sont tenus dans des roulements notamment à billes montés sur l’arbre tournant AT et logés dans des logements de palier LP sensiblement cylindriques formés dans les parois sensiblement planes du carter CAR. Notamment les roulements à billes sont logés dans une partie interne cylindrique des logements de palier.

Sur l’agrandissement d’une partie de la figure 1 située au niveau d’un logement de palier LP, visible sur la figure 2, le roulement à billes RB logé dans la partie interne cylindrique du logement de palier LP comporte une bague externe BER et une bague interne BIR. La bague externe BER est solidarisée à une bague de retenue BR au niveau de l’extrémité axiale de la bague externe du roulement RB faisant face au rotor ROT. Il est à noter que dans cette demande la direction axiale se réfère à l’axe tournant AX du rotor ROT, la direction radiale et ortho-radiale sont définies également par rapport à cet axe AX. De façon connue le carter CAR est par exemple conçu en deux parties, une paroi de fond dans laquelle est insérée le rotor ROT, et un couvercle refermant le carter CAR, dont la paroi est visible sur la figure 2. Lorsque le couvercle du carter CAR est refermé sur la paroi de fond du carter CAR, une surface d’extrémité axiale SEA du logement de palier LP située du côté du rotor ROT, appuie contre la bague de retenue BR en direction du rotor ROT, participant à la mise en contrainte du roulement à billes RB. La surface d’extrémité axiale SEA s’étend sur un plan orthogonal à l’axe AX du rotor ROT. Le roulement à billes RB est maintenu en position grâce à un épaulement circulaire EP sur l’arbre tournant AT, qui exerce une force en direction opposée au rotor ROT sur la bague interne BIR du roulement à billes RB. La partie inférieure du rotor ROT baigne dans un liquide de refroidissement diélectrique, qui est dans ce mode de réalisation préféré de l’invention, de l’huile OIL. Les termes inférieur et supérieur, ou haut et bas dans cette demande se réfèrent à un axe vertical V selon lequel est positionnée la machine électrique ME. Cet axe est dirigé dans le sens inverse de la direction de la force de gravité. Le niveau NO de l’huile OIL dans la partie inférieure de la machine électrique ME est situé au niveau du bobinage inférieur du rotor ROT.

Lorsque la machine électrique ME est en fonctionnement, le mouvement en rotation du rotor ROT amène l’huile OIL sur toute la surface cylindrique du rotor ROT, ce qui permet de refroidir les bobinages rotoriques. L’huile OIL est de plus projetée par le rotor ROT sur la surface interne cylindrique du stator STAT, refroidissant ainsi les bobinages statoriques. En retombant, l’huile projetée qui atteint l’arbre tournant AT du rotor ROT ne lubrifie que très légèrement les roulements à billes. Une autre partie de l’huile projetée, en retombant, se trouve piégée dans un réceptacle REC disposé sur une surface supérieure du logement de palier LP. Un canal traversant cette partie supérieure du logement de palier LP amène l’huile ainsi piégée dans l’espace situé entre le roulement à billes RB et un joint dynamique JD prolongeant la paroi du carter CAR pour étanchéifier la machine électrique ME au niveau de la sortie de l’arbre tournant AT. L’huile vient ainsi lubrifier efficacement le roulement à billes RB ainsi que le joint dynamique JD.

Plus précisément le réceptacle REC est ouvert en partie supérieure, sa partie inférieure épousant une portion angulaire supérieure de la partie sensiblement cylindrique du logement de palier LP sauf au niveau du canal formé par un évidement EV dans le logement de palier LP et qui débouche entre la bague extérieure BER du roulement à billes RB, et un trottoir TRO périphérique annulaire interne du logement de palier LP. Cet espace ESP entre le trottoir TRO et la bague extérieure BER du roulement à billes RB s’étend axialement sur au moins 2mm, le roulement à billes RB n’étant pas entièrement enfoncé dans le logement de palier LP. Cet espace ESP s’étend de préférence axialement sur 4 à 6 mm. Le trottoir périphérique annulaire interne TRO du logement de palier LP délimite, dans la paroi du carter CAR, un espace dans lequel est logé le joint dynamique JD fermant hermétiquement l’extrémité axiale de la machine électrique ME au niveau du roulement à billes RB.

Dans ce mode de réalisation préféré de l’invention, le réceptacle REC est une pièce représentée sur la figure 3 et assemblée sur le logement de palier LP, par exemple clipsée ou vissée à celui-ci. Cette pièce par exemple en matière plastique moulée, a la forme d’une section angulaire de couronne plane ayant été déformée axialement. Notamment la périphérie externe PE de cette section de couronne est décalée axialement par rapport à la périphérie interne PI de cette section de couronne. Les parois de ces périphéries externe PE et interne PI du réceptacle REC sont reliées par une surface annulaire SA épousant la surface supérieure du logement de palier LP sur laquelle elle est placée. La paroi de la périphérie externe PE est plaquée contre la bague de retenue BR, la paroi de la périphérie interne PI est insérée dans l’évidement EV pratiqué radialement dans la partie sensiblement cylindrique du logement de palier LP. Le réceptacle REC comporte également des éléments de retenue ER fermant les extrémités angulaires de la pièce, ces éléments angulaires s’étendant radialement le long de la paroi périphérique externe PE et axialement sur la largeur de la surface annulaire SA. Ainsi la paroi périphérique externe PE, la surface annulaire SA, les éléments de retenue ER et la paroi du carter CA contre laquelle le réceptacle REC est maintenu forment les parois d’un réservoir d’accumulation de l’huile projetée qui retombe par gravité dans le carter CAR. Des canaux CAN radiaux pratiqués dans la paroi périphérique interne PI du réceptacle REC forment un déversoir permettant à l’huile de descendre lubrifier le roulement à billes RB et le joint dynamique JD.

La position du réceptacle REC par rapport au roulement à billes RB sur l’arbre tournant AT et par rapport au joint dynamique JD est représentée sur la figure 4, sans le carter CAR de la machine électrique ME. La cible capteur de position CC est donc située extérieurement au carter CAR de la machine électrique ME. Un évidement OR pratiqué dans la bague de retenue BR, permet à l’huile s’écoulant entre le joint dynamique JD et le roulement à billes RB, de se déverser dans la partie inférieure du carter CAR. Lorsque l’arbre tournant AT est monté dans la machine électrique ME, cet évidement OR est situé radialement entre la bague extérieure du roulement à billes RB et la paroi cylindrique interne du logement de palier LP. Afin de laisser une réserve d’huile à l’arrêt de la machine électrique ME dans l’espace compris entre le joint dynamique JD et le roulement à billes RB, l’évidement OR est situé angulairement plus proche d’un plan horizontal (donc orthogonal à l’axe V) englobant l’axe AX de l’arbre tournant AT, que de l’axe vertical V passant par l’axe AX de l’arbre tournant.

De plus, afin de faciliter la bonne lubrification et le bon fonctionnement à froid de la machine électrique ME, une résistance chauffante est placée dans la partie inférieure du carter CAR. Cette résistance chauffante est reliée à un circuit contrôlé par un calculateur relié à un capteur de température. Ce capteur de température remonte la température de l’huile OIL, ou bien la température ambiante. Lorsque la température remontée est en dessous d’un seuil bas de température, par exemple -10°C (degré Celsius), le calculateur alimente le circuit connecté à la résistance chauffante, qui réchauffe alors l’huile OIL.

Afin de refroidir l’huile OIL lors du fonctionnement de la machine électrique ME, afin qu’elle ne dépasse pas un seuil haut de température, par exemple 40°C, un échangeur ECH de chaleur est intégré dans le carter CAR de la machine électrique ME. Cet échangeur ECH est par exemple constitué d’un circuit d’eau glycolée usiné en partie inférieure de la machine électrique ME, et connecté à un circuit de refroidissement.

Notamment lorsque la machine électrique ME est une machine électrique de traction d’un véhicule électrique ou hybride, l’échangeur ECH est connecté au circuit de refroidissement principal du véhicule, qui refroidit l’électronique de puissance du véhicule et est connecté au radiateur situé à l’avant du véhicule. L’huile étant en contact direct avec le rotor augmente les pertes mécaniques à haute vitesse. De préférence la machine électrique ME est de ce fait dimensionnée pour fonctionner en nominal sur un seuil de vitesse allant jusqu’à 9000 tours par minute au maximum. Ce maximum de régime nominal peut être fixé un peu plus bas, par exemple 8000 tours par minute Ainsi le véhicule utilisant la machine électrique ME de traction ne nécessite pas de circuit interne de projection d’huile intégrant notamment une pompe à huile.

Bien que dans ce mode de réalisation un seul réceptacle REC est représenté, en variante chaque logement de palier de la machine électrique ME est pourvu d’un réceptacle REC. D’autres variantes sont également possibles. Par exemple en variante le réceptacle REC et le logement de palier sont réalisés de fonderie dans une pièce monobloc obtenue par moulage. Dans une autre variante un seul canal CAN est moulé dans la pièce formant le réceptacle REC.