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FR3093390A1 - Machine électrique tournante ayant un circuit de refroidissement par l’arbre - Google Patents

Machine électrique tournante ayant un circuit de refroidissement par l’arbre Download PDF

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Abstract

La machine électrique tournante (1) comportant un carter (10) comprend deux paliers (52,53), un arbre de rotor (5) monté libre à rotation dans le carter via les paliers, un rotor (6) monté serré sur l’arbre de rotor de sorte à entrainer en rotation l’arbre de rotor et comprenant des première (62) et deuxième (63) faces d’extrémité axiale, et un circuit de refroidissement comprenant un conduit d’amenée (51) en fluide de refroidissement ménagé de manière coaxiale dans l’arbre de rotor et, un conduit d’alimentation (54) orienté radialement ménagé dans l’arbre de rotor et en communication fluidique avec le conduit d’amenée et le rotor, caractérisé en ce que le circuit de refroidissement comporte en outre une chambre de refroidissement (61) en communication fluidique avec le conduit d’alimentation, s’étendant axialement entre le rotor et l’arbre de rotor, débouchante au niveau des première et deuxième faces d’extrémité axiale et délimitée radialement par une portion angulaire d’une surface externe (55) de l’arbre de rotor et une portion angulaire (65) d’une surface interne du rotor, les deux portions s’étendant en regard et à distance l’une de l’autre. Figure de l’abrégé : Fig.1

Description

Machine électrique tournante ayant un circuit de refroidissement par l’arbre
Domaine technique de l’invention
L’invention concerne une machine électrique tournante du type comportant un circuit de refroidissement par l’arbre de rotor.
Actuellement, une machine électrique tournante, comme un moteur électrique de forte puissance permettant de mouvoir un véhicule automobile, nécessite des moyens de refroidissement des différents composants qui la constituent et en particulier du rotor qui comporte généralement des aimants dits permanent qui au-delà d’une certaine température deviennent irréversiblement amagnétiques. De nombreuses solutions de refroidissement du rotor ont été proposées. Par exemple, dans le document US 2010/0194220, il est décrit un tel moteur électrique dont la circulation du circuit de refroidissement s’effectue par un arbre de rotor creux puis axialement par les flasques de serrages du rotor alimentés par des conduits axiaux dans l’arbre de rotor : le refroidissement du rotor ne s’effectue que le long des faces d’extrémité axiale du rotor et un peu à travers l’arbre de rotor. Le refroidissement du rotor n’est pas efficace.
Dans le document US2005/0156471, il est décrit un moteur électrique dont la circulation du circuit de refroidissement s’effectue par un arbre de rotor creux puis axialement dans un espace annulaire créé entre l’arbre creux et un deuxième arbre tubulaire, craboté sur l’arbre creux et sur lequel est monté serré le rotor. En sortie de l’espace annulaire, le fluide de refroidissement glisse le long des faces d’extrémité axiale du rotor. Le circuit de refroidissement est complexe sans pour autant être plus efficient du fait de la résistance thermique entre le deuxième arbre tubulaire et le rotor.
Un but de l’invention est de fournir une machine électrique tournante comportant un circuit de refroidissement par l’arbre qui soit simple et efficace sans présenter les inconvénients précédents.
A cette fin, il est prévu, selon l’invention, une machine électrique tournante comportant un carter comprenant deux paliers, un arbre de rotor monté libre à rotation dans le carter via les paliers, un rotor monté serré sur l’arbre de rotor de sorte à entrainer en rotation l’arbre de rotor et comprenant des première et deuxième faces d’extrémité axiale, et un circuit de refroidissement comprenant un conduit d’amenée en fluide de refroidissement ménagé de manière coaxiale dans l’arbre de rotor et, un conduit d’alimentation orienté radialement ménagé dans l’arbre de rotor et en communication fluidique avec le conduit d’amenée et le rotor, caractérisé en ce que le circuit de refroidissement comporte en outre une chambre de refroidissement en communication fluidique avec le conduit d’alimentation, s’étendant axialement entre le rotor et l’arbre de rotor, débouchante au niveau des première et deuxième faces d’extrémité axiale et délimitée radialement par une portion angulaire d’une surface externe de l’arbre de rotor et une portion angulaire d’une surface interne du rotor, les deux portions s’étendant en regard et à distance l’une de l’autre.
Avantageusement, mais facultativement, la machine électrique tournante selon l’invention présente au moins l’une des caractéristiques techniques suivantes:
-la portion angulaire de la surface interne du rotor est une cavité s’étendant axialement depuis les première et deuxième faces d’extrémité axiale ;
-la portion angulaire de la surface externe de l’arbre de rotor est une cavité s’étendant axialement sur au moins une longueur axiale du rotor ;
-la machine comporte un flasque de serrage du rotor monté sur l’arbre de rotor, en appui sur l’une des première et deuxième faces d’extrémité axiale, et comportant un orifice de projection sur une périphérie radialement externe en communication fluidique avec la chambre de refroidissement ;
-la machine comporte un deuxième flasque de serrage du rotor monté sur l’arbre de rotor, en appui sur l’autre des première et deuxième faces d’extrémité axiale, et comportant un orifice de projection sur une périphérie radialement externe en communication fluidique avec la chambre de refroidissement ;
-les flasques de serrage comportent une rainure annulaire de collecte dans laquelle débouche axialement la chambre de refroidissement ;
-l’orifice de projection est en communication fluidique avec la rainure annulaire de collecte ;
-l’orifice de projection est connecté fluidiquement avec la rainure annulaire de collecte via un canal s’étendant radialement dans une épaisseur du flasque de serrage considéré ;
-l’orifice de projection est orienté de sorte à projeter, lors d’un fonctionnement de la machine, un fluide de refroidissement sur des têtes de bobine d’un stator entourant le rotor ;
-le conduit d’alimentation débouche dans une gorge annulaire ménagée sur une circonférence radialement externe de la surface externe de l’arbre de rotor ; et,
-le rotor est un empilement axial de tôles de rotor.
D’autres caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront à la lecture de la description qui suit d’un mode de réalisation de l’invention. Aux dessins annexés :
est une demie vue schématique en coupe d’une machine électrique tournante selon un mode de réalisation de l’invention ;
est une quart de vue en coupe de la machine de la figure 1 ;
est une vue de détail tridimensionnelle en coupe illustrant l’agencement du rotor de la machine de la figure 1 ;
et
sont des vues de détail tridimensionnelle en coupe selon deux coupes angulaires différentes illustrant l’agencement du rotor selon une variante de réalisation de la machine de la figure 1 ; et,
est une vue de détail d’une variante de réalisation de l’arbre de rotor de la machine de la figure 1.
description detaillee d’un mode de réalisation
En référence aux figures 1 à 3, nous allons décrire un mode de réalisation d’une machine électrique tournante 1 selon l’invention.
La machine électrique tournante 1 selon l’invention comporte un carter 10. La machine électrique tournante 1 selon l’invention comporte en outre, ménagé au sein du carter 10, un rotor 6 monté fixe sur un arbre de rotor 5 d’axe longitudinal X. L’arbre de rotor 5 est maintenu dans le carter 10, libre à rotation, par des paliers 52,53 dans le carter 10.
D’autre part, la machine électrique tournante 1 selon l’invention comporte un stator monté fixe dans le carter 10 de sorte à entourer complètement le rotor 5. Le stator comprend, ici, un corps de stator 40 et un bobinage reçu longitudinalement dans le corps de stator 40 et présentant des têtes de bobine 42 s’étendant en saillie longitudinalement de part et d’autre du corps de stator 40. Le bobinage est visible sur la figure 4 seulement. Un entrefer 70 est présent entre le rotor 6 et le corps de stator 40.
Le rotor 6 peut être monobloc ou un empilement axial de tôles de rotor. L’empilement est une solution privilégiée dans la réalisation de la machine électrique tournante 1 selon l’invention. Le rotor 6 comporte des première 62 et deuxième 63 faces d’extrémité axiale. Le rotor 6 est monté serré sur l’arbre de rotor 5 de manière connue en soi. Le rotor 6 comporte en outre une surface interne qui est en appui de serrage, lors d’un montage sur l’arbre de rotor 5, avec ce dernier. Au niveau de cette surface interne ; le rotor 6 comprend une portion angulaire 65 de cette surface interne qui présente ici une cavité s’étendant axialement depuis les première 62 et deuxième 63 faces d’extrémité axiale.
L’arbre de rotor 5 comporte, quant à lui, un conduit d’amenée 51 qui est ménagé dans l’arbre de rotor 5 de manière coaxiale à celui-ci. Ainsi, l’arbre de rotor 5 est un arbre creux. L’arbre de rotor 5 comporte en outre au moins un conduit d’alimentation 54 orienté radialement et traversant selon un diamètre l’arbre de rotor 5. Ainsi, le conduit d’alimentation 54 s’étend depuis le conduit d’amenée 51 jusqu’à une surface externe 55 de l’arbre de rotor 5. Le conduit d’alimentation 54 est positionné de sorte à être à mi-distance des première 62 et deuxième 63 faces d’extrémité axiale du rotor 6, une fois celui-ci monté sur l’arbre de rotor 5.
Une fois le rotor 6 monté serré sur l’arbre de rotor 5, la portion angulaire 65 de la surface interne présentant la cavité précitée du rotor 5 s’étend alors en regard et à distance d’une portion angulaire de la surface externe 55 de l’arbre de rotor 5. Cela permet de délimiter radialement une chambre de refroidissement 61 qui s’étend alors axialement entre le rotor 6 et l’arbre de rotor 5, et qui est débouchante au niveau des première 62 et deuxième 63 faces d’extrémité axiale du rotor 6, par des orifices de sortie 612 et 611 respectivement. Il est à noter que le rotor 6 est positionné sur l’arbre de rotor 5 de telle sorte que le conduit d’alimentation 54 débouche dans la chambre de refroidissement 61. Ainsi, le conduit d’alimentation 54 est en communication fluidique avec le conduit d’amenée 51, d’une part, et, d’autre part, avec la chambre de refroidissement 61 et par conséquent, de manière plus générale avec le rotor 6.
Il ressort de ce qui précède que la machine électrique tournante 1 selon l’invention qui vient d’être décrite comporte un circuit de refroidissement comprenant le conduit d’amenée 51, le conduit d’alimentation 54 et la chambre de refroidissement 61. Le fluide de refroidissement entre donc par le conduit d’amenée 51 pour sortie par les orifices 611,612 après avoir été en contact direct avec le rotor 6 sur toute sa longueur axiale. Une fois sorti par les orifices 611,612, du fait des forces centrifuge dues à la rotation du rotor 6 autour de l’axe longitudinal X, tout ou partie du fluide de refroidissement chemine le long des première 62 et deuxième 63 faces d’extrémité axiale du rotor puis est projeté sur les têtes de bobine 42 pour les refroidir à leur tour.
Selon une variante de réalisation de la chambre de refroidissement 61, la cavité formant la portion angulaire 65 de la surface interne du rotor 6 est réalisée, en lieu et place, sur l’arbre de rotor 5 et forme alors la portion angulaire de la surface externe de l’arbre de rotor précitée. Selon une autre variante de réalisation de la chambre 61, les cavités précitées sont réalisées à la fois sur l’arbre de rotor 5 et sur le rotor 6 comme précédemment décrit, puis mises en regard l’une de l’autre au montage.
En référence à la figure 6, nous allons brièvement décrire une variante de réalisation de l’arbre de rotor 5b. L’arbre de rotor 5b comporte une gorge annulaire 540 qui fait le tour d’une circonférence de la surface externe 55. Le conduit d’alimentation 54 débouche dans un fond de la gorge annulaire 540. La présence d’une telle gorge annulaire 540 permet de simplifier le positionnement angulaire du rotor 6, et donc de la chambre de refroidissement 61 qui serra toujours en communication fluidique avec le conduit d’alimentation 54 via la gorge annulaire 540.
En référence aux figures 4 et 5, nous allons décrire une variante de réalisation de la machine électrique tournante 1 selon l’invention qui vient d’être décrite. Selon cette variante de réalisation, la machine électrique tournante 1 selon l’invention comporte en outre un flasque de serrage 7 monté serré sur l’arbre de rotor. Ici illustré aux figures, le flasque de serrage 7 à la forme générale d’une rondelle. Lors d’un montage de la machine électrique tournante 1 selon l’invention, le flasque de serrage 7 vient en appui de serrage sur la deuxième face d’extrémité 63 du rotor 6. Il est à noter qu’un deuxième flasque de serrage 7 est également positionner de la même manière en appui de serrage sur la première face d’extrémité axiale 62.
Le flasque de serrage 7 comporte un orifice de projection 73 sur une périphérie radialement externe en communication fluidique avec la chambre de refroidissement 61, une fois monté. Pour réaliser cette communication fluidique ; le flasque de serrage 7 comporte un canal 72 s’étendant radialement dans une épaisseur du flasque de serrage, le canal 72 se terminant par l’orifice de projection 73. De plus, le canal 72 est connecté fluidiquement avec la chambre de refroidissement 61. A cette fin, le flasque de serrage 7 comporte une rainure annulaire de collecte 71 dans laquelle débouche axialement la chambre de refroidissement, l’orifice 611, respectivement 612, étant ouvert dans la rainure annulaire de collecte 71. Le canal 72 débouche lui aussi dans la rainure annulaire de collecte 71. L’orifice de projection 73 est orienté de sorte à projeter, lors d’un fonctionnement de la machine électrique tournante 1 selon l’invention, un fluide de refroidissement sur les têtes de bobine 42 du stator entourant le rotor 6 afin de refroidir celles-ci.
La machine électrique tournante 1 selon l’invention qui vient d’être décrite permet de réaliser un circuit de refroidissement du rotor 6 par un contact direct du fluide refroidissement sur une partie 65 de la surface interne dudit rotor 6, de sorte à avoir une captation des calories à évacuer de manière optimale du rotor 6 et protéger ainsi les aimants permanents du rotor 6. Cette captation est d’autant plus efficace que le rotor 6 est un empilement longitudinal de tôles de rotor car le fluide de refroidissement est en contact avec les éléments de l’empilement par la tranche, ces éléments présentant une meilleure conductivité thermique dans le sens radial que dans un sens longitudinal.
La machine électrique tournante 1 selon l’invention qui vient d’être décrite peut être une machine synchrone ou asynchrone. Elle est notamment une machine 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, bus, cars. La machine électrique tournante 1 selon l’invention peut être mise en œuvre dans des applications industrielles et/ou de production d’énergie, telles qu’éolienne, bateau, sous-marin.
Bien entendu, il est possible d’apporter à l’invention de nombreuse modification sans pour autant sortir du cadre de celle-ci.

Claims (11)

  1. Machine électrique tournante (1) comportant un carter (10) comprenant deux paliers (52,53), un arbre de rotor (5;5b) monté libre à rotation dans le carter via les paliers, un rotor (6) monté serré sur l’arbre de rotor de sorte à entrainer en rotation l’arbre de rotor et comprenant des première (62) et deuxième (63) faces d’extrémité axiale, et un circuit de refroidissement comprenant un conduit d’amenée (51) en fluide de refroidissement ménagé de manière coaxiale dans l’arbre de rotor et, un conduit d’alimentation (54) orienté radialement ménagé dans l’arbre de rotor et en communication fluidique avec le conduit d’amenée et le rotor, caractérisé en ce que le circuit de refroidissement comporte en outre une chambre de refroidissement (61) en communication fluidique avec le conduit d’alimentation, s’étendant axialement entre le rotor et l’arbre de rotor, débouchante au niveau des première et deuxième faces d’extrémité axiale et délimitée radialement par une portion angulaire d’une surface externe (55) de l’arbre de rotor et une portion angulaire (65) d’une surface interne du rotor, les deux portions s’étendant en regard et à distance l’une de l’autre.
  2. Machine selon la revendication 1, caractérisée en ce que la portion angulaire de la surface interne du rotor est une cavité (65) s’étendant axialement depuis les première et deuxième faces d’extrémité axiale.
  3. Machine selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que la portion angulaire de la surface externe de l’arbre de rotor est une cavité s’étendant axialement sur au moins une longueur axiale du rotor.
  4. Machine selon l’une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce qu’elle comporte un flasque de serrage (7) du rotor monté sur l’arbre de rotor, en appui sur l’une des première et deuxième faces d’extrémité axiale, et comportant un orifice de projection (73) sur une périphérie radialement externe en communication fluidique avec la chambre de refroidissement.
  5. Machine selon la revendication 4, caractérisée en ce qu’elle comporte un deuxième flasque de serrage (7) du rotor monté sur l’arbre de rotor, en appui sur l’autre des première et deuxième faces d’extrémité axiale, et comportant un orifice de projection (73) sur une périphérie radialement externe en communication fluidique avec la chambre de refroidissement.
  6. Machine selon la revendication 4 ou 5, caractérisée en ce que les flasques de serrage comportent une rainure annulaire de collecte (71) dans laquelle débouche axialement la chambre de refroidissement.
  7. Machine selon la revendication 6, caractérisée en ce que l’orifice de projection est en communication fluidique avec la rainure annulaire de collecte.
  8. Machine selon la revendication 7, caractérisée en ce que l’orifice de projection est connecté fluidiquement avec la rainure annulaire de collecte via un canal (72) s’étendant radialement dans une épaisseur du flasque de serrage considéré.
  9. Machine selon l’une des revendications 4 à 8, caractérisée en ce que l’orifice de projection est orienté de sorte à projeter, lors d’un fonctionnement de la machine, un fluide de refroidissement sur des têtes de bobine (42) d’un stator (40) entourant le rotor.
  10. Machine selon l’une des revendications 1 à 9, caractérisée en ce que le conduit d’alimentation débouche dans une gorge annulaire (540) ménagée sur une circonférence radialement externe de la surface externe de l’arbre de rotor.
  11. Machine selon l’une des revendications 1 à 10, caractérisée en ce que le rotor est un empilement axial de tôles de rotor.
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