FR3139677A1 - Machine électrique tournante à refroidissement amélioré - Google Patents
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Abstract
L’invention concerne une machine électrique tournante (10) comprenant :
un rotor (12) mobile en rotation autour d’un axe (X),un stator (11) disposé autour du rotor (12), etune chambre (31) de refroidissement disposée radialement autour du stator (12), délimitée entre une paroi radialement intérieure (70) et une paroi radialement extérieure (71), un fluide de refroidissement circulant dans cette chambre (31) entre une entrée (41) et une sortie (42) en fluide dans la chambre, un circuit d’entrée de fluide (51) communiquant avec l’entrée (41) et un circuit de sortie de fluide (52) communiquant avec la sortie (42),
dans laquelle le circuit d’entrée en fluide (51) comprend une portion d’étranglement (55) entre une section (56) de grand diamètre (D2) et une section (57) de petit diamètre (D1) et en ce qu’un ratio (R) entre le petit et le grand diamètre (D1/D2) est compris entre 0,4 et 0,9.
Figure pour l’abrégé : Fig. 3
Description
La présente invention porte sur une machine électrique tournante comprenant une chambre de refroidissement permettant le refroidissement d’un stator. L’invention trouve des applications avantageuses, mais non exclusives, dans le domaine des machines électriques tournantes pour un dispositif mobile à autopropulsion hybride ou électrique et, en particulier, dans le domaine des machines électriques de forte puissance pouvant fonctionner en mode alternateur et en mode moteur accouplées avec une boite de vitesses et devant être refroidies par un fluide de refroidissement.
De façon connue en soi, les machines électriques tournantes comportent un stator et un rotor solidaire d’un arbre. Le rotor pourra être solidaire d’un arbre menant et/ou mené et pourra appartenir à une machine électrique tournante sous la forme d'un alternateur, d'un moteur électrique, ou d'une machine réversible pouvant fonctionner dans les deux modes.
Dans certains types de chaînes de traction de véhicule automobile, une machine électrique tournante réversible de forte puissance est accouplée à la boîte de vitesses du véhicule ou à un train du véhicule automobile. La machine électrique est alors apte à fonctionner dans un mode alternateur pour fournir notamment de l’énergie à la batterie et/ou au réseau de bord du véhicule, et dans un mode moteur, non seulement pour assurer le démarrage du moteur thermique, mais également pour participer à la traction du véhicule seule ou en combinaison avec le moteur thermique.
Le rotor pourra comporter un corps formé par un empilage de feuilles de tôles maintenues sous forme de paquet au moyen d'un système de fixation adapté. Le rotor comporte des pôles formés par exemple par des aimants permanents logés dans des cavités ménagées dans la masse magnétique du rotor. Alternativement, dans une architecture dite à pôles "saillants", les pôles sont formés par des bobines enroulées autour de bras du rotor.
Par ailleurs, le stator est porté par un palier qui comporte des organes de roulement pour le montage en rotation de l’arbre de rotor. Le stator comporte un corps constitué par un empilage de tôles minces formant une couronne, dont la face intérieure est pourvue d'encoches ouvertes vers l'intérieur pour recevoir des enroulements de phase. Ces enroulements traversent les encoches et forment des chignons faisant saillie de part et d'autre du corps du stator. Les enroulements de phase sont obtenus par exemple à partir d'un fil continu recouvert d'émail ou à partir d'éléments conducteurs en forme d'épingles reliées entre elles par soudage. Alternativement, dans le cas d'un bobinage de type concentrique, la machine électrique polyphasée comporte un bobinage de stator constitué par plusieurs bobines préformées montées autour des dents du stator par l'intermédiaire d'un isolant de bobine.
Dans une machine électrique, l’énergie électrique est convertie en énergie cinétique ou inversement. Les pertes qui se produisent entrainent un échauffement des composants de la machine électrique pendant son fonctionnement. Afin d’éviter un échauffement excessif de ces composants, tel que le stator, un dispositif de refroidissement doit être prévu dans la machine électrique. La chaleur générée par la circulation du courant à travers le bobinage du stator peut être évacuée vers une chambre de refroidissement ménagée dans le palier dans laquelle circule un liquide caloporteur. Généralement la chambre de refroidissement s’étend dans la direction circonférentielle du stator de manière à permettre un refroidissement efficace.
L'invention vise à proposer une machine électrique tournante avec un refroidissement amélioré sans augmenter l’espace nécessaire à la chambre de refroidissement.
La présente invention vise ainsi à proposer une machine électrique tournante comprenant :
- un rotor mobile en rotation autour d’un axe,
- un stator disposé autour du rotor, et
- une chambre de refroidissement annulaire disposée radialement autour du stator, délimitée entre une paroi radialement intérieure et une paroi radialement extérieure, un fluide de refroidissement circulant dans cette chambre entre une entrée en fluide dans la chambre et une sortie en fluide dans la chambre,
- un circuit d’entrée de fluide communiquant avec l’entrée en fluide et un circuit de sortie de fluide communiquant avec la sortie en fluide,
le circuit d’entrée en fluide comprend une portion d’étranglement entre une section de grand diamètre et une section de petit diamètre et en ce qu’un ratio entre le petit et le grand diamètre est compris entre 0,4 et 0,9.
L’invention permet ainsi, grâce à la portion d’étranglement de forcer le débit de fluide à l’entrée de la chambre de refroidissement de manière suffisante et nécessaire de telle sorte à augmenter la vélocité du fluide et donc également le coefficient d’échange localement dans le circuit. En outre, l’invention permet de limiter l’augmentation de la baisse de pression. Plus la baisse de pression est élevée, plus le travail à effectuer par la pompe pour diriger le fluide dans la chambre de refroidissement sera important et plus la pompe aura donc besoin d'énergie. Le ratio de la présente invention permet ainsi d’avoir un bon compromis entre l’augmentation de la vitesse pour améliorer le refroidissement et l’augmentation de la baisse de pression.
Dans la description et les revendications, on utilisera les termes "externe" et "interne" ainsi que les orientations "axiale" et "radiale" pour désigner, selon les définitions données dans la description, des éléments du rotor, du stator et/ou de la machine électrique. Par convention, l'orientation "radiale" est dirigée orthogonalement à l’orientation axiale. L’orientation axiale se rapporte, suivant le contexte, à l’axe de rotation du rotor, du stator et/ou de la machine électrique. L'orientation "circonférentielle" est dirigée orthogonalement à la direction axiale et orthogonalement à la direction radiale. Les termes "externe, extérieur" et "interne, intérieur" sont utilisés pour définir la position relative d'un élément par rapport à un autre, par rapport à l’axe de référence, un élément proche de l'axe est ainsi qualifié d'interne par opposition à un élément externe situé radialement en périphérie. On utilisera également les termes « avant » et « arrière » pour définir la position relative d’un élément par rapport à un autre, selon la direction par rapport à une orientation axiale déterminée par l’axe X principal de la machine électrique, « l’avant » désignant la partie située à gauche de la et « l’arrière » désignant la partie située à droite de la du côté de l’électronique de commande et des sorties de phase.
Dans le cadre de la présente invention, par « portion d’étranglement », on entend définir au sens de la présente invention, une portion où la section d'écoulement se rétrécit.
Avantageusement, une paroi délimitant la portion d’étranglement présente une forme tronconique ou étagée. Par « tronconique », on entend désigner une diminution de section progressive alors que par « étagée », on entend définir une brusque diminution de section.
Avantageusement, une paroi délimitant la portion d’étranglement présente une forme comprenant au moins deux étages.
Avantageusement, la paroi délimitant la portion d’étranglement et présentant une forme tronconique présente une longueur comprise entre 4 et 230mm, de préférence entre 5 et 60mm.
Avantageusement, il existe un angle de pente entre la paroi délimitant la portion d’étranglement tronconique et une paroi délimitant la section de grand diamètre, ledit angle de pente étant compris entre 1 et 25°, de préférence entre 18 et 22°.
Avantageusement, l’entrée en fluide et la sortie en fluide sont angulairement décalées par rapport à l’axe de rotation du rotor, de préférence d’un angle mesuré depuis l’axe de rotation compris entre 180 et 360°.
Avantageusement, la chambre de refroidissement annulaire et le circuit d’entrée de fluide communiquant avec l’entrée en fluide de la chambre sont réalisés à partir de pièces différentes.
Selon un aspect de l’invention, la machine électrique tournante consiste en un alternateur, un alterno-démarreur, une machine réversible ou un moteur électrique.
La paroi radialement intérieure de la chambre peut appartenir à une jupe axiale d’un premier palier, ce premier palier comprenant également une paroi transversale s’étendant radialement.
La paroi radialement extérieure de la chambre peut appartenir à une jupe axiale d’un deuxième palier, ce deuxième palier comprenant également une paroi transversale s’étendant radialement.
Ces deux parois transversales peuvent délimiter axialement le logement dans lequel le stator et le rotor de la machine électrique sont reçues.
Chacun de ces paliers peut porter un roulement pour le montage à rotation de l'arbre de la machine électrique tournante. Il s’agit par exemple d’un roulement à billes ou encore d’un roulement à cage.
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit et à l'examen des figures qui l'accompagnent. Ces figures ne sont données qu'à titre illustratif mais nullement limitatif de l'invention.
Les éléments identiques, similaires ou analogues conservent la même référence d'une figure à l'autre.
La représente une machine électrique tournante 10 comportant un stator 11 polyphasé avec un corps de stator 13 entourant un rotor 12 d’axe X monté sur un arbre 9. Le stator 11 de la machine 10 entoure le rotor 12 avec la présence d’un entrefer sur la périphérie interne du stator 11 et la périphérie externe du rotor 12. Le stator 11 et le rotor 12 forment les parties actives et sont entourés par un carter 15.
La machine électrique tournante 10 pourra être destinée à être accouplée à une boîte de vitesses appartenant à une chaîne de traction d’un dispositif mobile à autopropulsion hybride ou électrique. Cette machine électrique 10 peut être alimentée électriquement depuis une unité de stockage d’énergie électrique via un onduleur/redresseur, cet onduleur/redresseur. La machine électrique tournante 10 est alors apte à fonctionner dans un mode alternateur pour fournir notamment de l’énergie à la batterie et au réseau de bord du véhicule, et dans un mode moteur, non seulement pour assurer le démarrage du moteur thermique du véhicule, mais également pour participer à la traction du véhicule seule ou en combinaison avec le moteur thermique.
Dans la suite, par dispositif mobile à autopropulsion, on entend un véhicule pour transporter des marchandises ou des personnes, qui comprend son système de traction pour se déplacer tel que le moteur thermique ou électrique d’une voiture, camion, d’un vélo ou d’un objet qui se déplace avec son système de traction tel qu’un drone. Un tel dispositif mobile à autopropulsion peut en outre comprendre une conduite autonome.
La puissance de la machine 10 pourra être comprise entre 4kW et 50kW. En alternative, la puissance de la machine 10 pourra être comprise entre 50kW et 200kW. Alternativement, la machine électrique 10 pourra être implantée sur un essieu du véhicule automobile, notamment un essieu arrière. Dans l’exemple considéré, la machine électrique 10 présente avantageusement une tension de fonctionnement inférieure à 60 Volts, et valant de préférence 48Volts. Typiquement, le couple fourni par la machine électrique est compris entre 30N.m et 150N.m. En alternative, la machine électrique 10 pourra présenter une tension de fonctionnement de plus de 60V, voire plus de 80V ou plus de 100V, notamment 300V ou plus.
La machine électrique tournante peut encore comprendre une poulie ou tout autre moyen de liaison vers le reste du groupe motopropulseur du véhicule tel qu’un engrenage. La machine électrique est par exemple reliée, notamment via une courroie, au vilebrequin du moteur thermique du véhicule. En variante, la machine électrique est reliée à d’autres emplacement du groupe motopropulseur, par exemple à l’entrée de la boîte de vitesses du point de vue du couple transitant vers les roues du véhicule, en sortie de la boîte de vitesses du point de vue du couple transitant vers les roues du véhicule, au niveau de la boîte de vitesses du point de vue du couple transitant vers les roues du véhicule, ou encore sur le train avant ou le train arrière de ce groupe motopropulseur.
Le carter 15 comporte un palier avant 24 et un palier arrière 30 qui sont assemblés ensemble au moyen de vis ou par soudure par friction malaxage. Chacun des paliers comporte une portion transversale qui s’étend radialement par rapport à l’axe X. Ces portions transversales sont munies centralement d’un logement de roulement dans lequel est logé un organe de roulement pour le montage à rotation de l’arbre 9. Ces paliers 24, 30 comportent en outre une jupe axiale présentant globalement une forme tubulaire s’étendant axialement depuis la périphérie externe de la portion transversale respective.
Les paliers 24, 30 sont de préférence en un matériau à base d’aluminium. En outre, le carter 15 comporte des moyens de fixation, non représentés, permettant le montage de la machine électrique tournante 10 dans le véhicule.
Le rotor 12 comporte un corps sous la forme d’un paquet de tôles pour diminuer les courants de Foucault. Des aimants permanents sont implantés dans des ouvertures du corps. Les aimants peuvent être implantés suivant une configuration en V. Alternativement, les aimants sont implantés radialement à l’intérieur des cavités, les faces en vis-à-vis de deux aimants adjacents étant de même polarité. Il s’agit alors d’une configuration à concentration de flux. Les aimants pourront être en terre rare ou en ferrite selon les applications et la puissance recherchée de la machine 10. Alternativement, les pôles du rotor 12 pourront être formés par des bobines.
Le stator 11 comporte un corps 13 constitué par un paquet de tôles qu’une pluralité de bobinages 19. Le corps est formé par un empilement de feuilles de tôles indépendantes les unes des autres et maintenues sous forme de paquet au moyen d’un système de fixation adapté. Le paquet de tôles est doté d'encoches, par exemple du type semi-fermées, équipées d'isolant d'encoches pour le montage de la pluralité de bobinages 19 du stator 11. Dans l’exemple considéré, chaque bobinage 19 est alimenté via un circuit électronique de puissance électrique dédié au moyen desquels des courants de phase correspondants peuvent être générés individuellement et introduits dans les bobinages de sorte à définir une pluralité de pôles magnétiques et une pluralité de phases dans chaque paire de pôles.
Le corps 13 de stator 11 est monté fretté à l’intérieur de l’un des deux paliers, le palier avant 24 dans l’exemple considéré. A cet effet, le palier 24 est chauffé à haute température jusqu’à la dilatation du matériau, puis refroidi de telle façon que la périphérie externe du corps du stator 13 soit maintenu fixe contre la périphérie interne du palier 24. La périphérie externe du corps 13 de stator 11 étant en contact intime avec la périphérie interne du palier 24 du fait de l’opération de frettage, cela permet de faciliter l’évacuation par conduction de la chaleur générée par le stator.
La machine électrique tournante 10 est refroidie principalement au moyen d’une chambre de refroidissement annulaire 31. Dans l’exemple considéré, la chambre 31 est formée par l’agencement du palier avant 24 et du palier arrière 30. La chambre 31 permet le passage d’un fluide de refroidissement à l’intérieur de la machine. Le fluide est en l’occurrence un fluide caloporteur, en particulier de l’eau ou de l’huile.
Plus précisément, la chambre de refroidissement 31 est disposée radialement autour du stator 12 et est délimitée entre une paroi radialement intérieure 70 et une paroi radialement extérieure 71 et dans laquelle s’écoule dans une direction circonférentielle un fluide de refroidissement. Comme cela est visible sur la , la chambre de refroidissement 31 est délimitée entre une paroi radialement intérieure 70 appartenant à la jupe axiale du palier avant 24 et une paroi radialement extérieure 71 appartenant à la jupe axiale du palier arrière 30.
En alternative non représentée, la chambre de refroidissement 31 est délimitée entre une paroi radialement intérieure 70 du palier arrière 30 et une paroi radialement extérieure 71 du palier avant 24. Selon une autre variante, l’un des paliers 24, 30 comprend les deux jupes axiales et est fermé par l’autre palier 24, 30 comportant uniquement une portion transversale formant un couvercle pour la chambre de refroidissement 31.
Dans l’exemple considéré, les paliers 24, 30 sont des pièces monoblocs. En variante l’un des paliers 24, 30 pourra être formé d’une jupe axiale distincte et assemblé avec la portion transversale respective.
Un circuit d’entrée de fluide 51 et un circuit de sortie de fluide 52 sont en partie visibles sur la et seront décrits plus en détails à l’aide des figures 2 à 5.
Comme on peut le voir sur les figures 2 et 3, un fluide circule dans la chambre de refroidissement 31 entre une entrée 41 en fluide dans la chambre et une sortie 42 en fluide dans la chambre et il existe un circuit d’entrée de fluide 51 communiquant avec l’entrée en fluide 41 et un circuit de sortie de fluide 52 communiquant avec la sortie en fluide 42.
La chambre de refroidissement annulaire 31 et le circuit d’entrée de fluide 51 communiquant avec l’entrée en fluide 41 de la chambre sont réalisés à partir de pièces différentes.
Le circuit d’entrée en fluide 51 comprend une portion d’étranglement 55 entre une section 56 de grand diamètre D2 et une section 57 de petit diamètre D1. La section de petit diamètre débouche dans l’entrée en fluide 41.
Dans le cadre de la présente invention, il existe un ratio R entre le petit diamètre D1 sur le grand diamètre D2 qui est compris entre 0,4 et 0,9.
Comme on peut le voir la qui représente un détail de la , il existe une paroi 55a délimitant la portion d’étranglement 55. Cette paroi 55a présente une forme étagée, c’est-à-dire que le diamètre interne du circuit d’entrée de fluide 51 passe brusquement d’un grand diamètre D2 à un petit diamètre D1.
En variante non représentée, la paroi 55a délimitant la portion d’étranglement 55 présente une forme comprenant au moins deux étages, c’est-à-dire qu’il existe au moins une diminution supplémentaire du diamètre interne du circuit d’entrée de fluide 51 dans lequel le diamètre passe d’un diamètre D1 à un diamètre d1, D1 étant supérieur à d1.
Le tableau 1 ci-après compare le refroidissement du stator et la baisse de pression entre une machine dans laquelle le circuit en entrée de fluide ne comprend pas de portion d’étranglement (Ex C1), la machine de Ex C1 comprenant un turbulateur hélicoïdal dans le circuit en entrée de fluide (Ex C2) et enfin une machine selon l’invention dans laquelle le circuit en entrée de fluide comprend une portion d’étranglement avec un ratio R de 0.71 (I).
Les résultats du tableau montrent que pour une machine selon l’invention (I), le refroidissement des différentes parties du stator (bobinage et corps) est identique à la machine selon l’exemple comparatif 2 (Ex C2), machine comprenant un turbulateur hélicoïdal qui est moyen bien connu pour améliorer efficacement le refroidissement du stator.
On peut également observer que la chute de pression de la machine selon l’invention est réduite à 19,66 mbar à partir de 28,57 mbar par rapport à la machine Ex C2.
L’invention permet ainsi, grâce à la portion d’étranglement d’améliorer le refroidissement tout en limitant la baisse de pression.
Dans le deuxième mode de réalisation en , la paroi 55a délimitant la portion d’étranglement 55 présente une forme tronconique. Ainsi le diamètre de cette portion d’étranglement diminue de manière continue lorsque l’on se déplace depuis la section 56 de grand diamètre D2 vers la section 57 de petit diamètre D1. Dans ce cas, le petit diamètre D1 à considérer pour établir le ratio R (D1/D2) est celui de la section 57. En variante non représentée, la section 57 disposée entre la portion d’étranglement 55 et l’entrée en fluide 41 peut être de section variable. Dans ce cas, le diamètre D1 à considérer sera le plus petit diamètre de la section 57.
La paroi 55a délimitant la portion d’étranglement 55 et présentant une forme tronconique présente une longueur L comprise entre 4 et 230mm, de préférence comprise entre 5 et 60mm.
Dans l’exemple de la , il existe un angle de pente α entre la paroi 55a délimitant la portion d’étranglement tronconique 55 et une paroi 56a délimitant la section 56 de grand diamètre D2, ledit angle de pente α étant compris entre 1 et 25°, de préférence entre 18 et 22°.
Bien entendu, la description qui précède a été donnée à titre d'exemple uniquement et ne limite pas le domaine de l'invention dont on ne sortirait pas en remplaçant les différents éléments par tous autres équivalents.
En outre, les différentes caractéristiques, variantes, et/ou formes de réalisation de la présente 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.
Claims (10)
- Machine électrique tournante (10) comprenant :
- un rotor (12) mobile en rotation autour d’un axe (X),
- un stator (11) disposé autour du rotor (12), et
- une chambre (31) de refroidissement annulaire disposée radialement autour du stator (12), délimitée entre une paroi radialement intérieure (70) et une paroi radialement extérieure (71), un fluide de refroidissement circulant dans cette chambre (31) entre une entrée (41) en fluide dans la chambre et une sortie (42) en fluide dans la chambre,
- un circuit d’entrée de fluide (51) communiquant avec l’entrée en fluide (41) et un circuit de sortie de fluide (52) communiquant avec la sortie en fluide (42),
- Machine électrique (10) selon la revendication 1, caractérisée en ce qu’une paroi (55a) délimitant la portion d’étranglement (55) présente une forme tronconique ou étagée.
- Machine électrique (10) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu’une paroi (55a) délimitant la portion d’étranglement (55) présente une forme comprenant au moins deux étages.
- Machine électrique (10) selon la revendication 2, caractérisée en ce que la paroi (55a) délimitant la portion d’étranglement (55) et présentant une forme tronconique présente une longueur (L) comprise entre 4 et 230mm.
- Machine électrique (10) selon la revendication précédente caractérisée en ce que la longueur (L) de la paroi (55a) est comprise entre 5 et 60mm.
- Machine électrique (10) selon la revendication 2, caractérisée en ce qu’il existe un angle de pente (α) entre la paroi (55a) délimitant la portion d’étranglement tronconique (55) et une paroi (56a) délimitant la section (56) de grand diamètre (D2), ledit angle de pente (α) étant compris entre 1 et 25°, de préférence entre 18 et 22°.
- Machine électrique (10) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que l’entrée (41) en fluide et la sortie (42) en fluide sont angulairement décalées par rapport à l’axe de rotation du rotor.
- Machine électrique (10) selon la revendication précédente, caractérisée en ce que l’entrée (41) en fluide et la sortie (42) en fluide sont angulairement décalées par rapport à l’axe de rotation du rotor d’un angle mesuré depuis l’axe de rotation (X) compris entre 180 et 360°.
- Machine électrique (10) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la chambre (31) de refroidissement annulaire et le circuit d’entrée de fluide (51) communiquant avec l’entrée en fluide (41) de la chambre sont réalisés à partir de pièces différentes.
- Machine électrique (10) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu’elle consiste en un alternateur, un alterno-démarreur, une machine réversible ou un moteur électrique.
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| CN113595329A (zh) * | 2021-07-09 | 2021-11-02 | 福安市蓄发电机有限公司 | 一种闭合式冷却自旋环水泵电机及其冷却方法 |
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2022
- 2022-09-13 FR FR2209195A patent/FR3139677B1/fr active Active
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