FR3142627A1

FR3142627A1 - Dispositif de refroidissement d'une machine électrique à flux magnétique axial.

Info

Publication number: FR3142627A1
Application number: FR2212396A
Authority: FR
Inventors: Michel Raoul
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2022-11-28
Filing date: 2022-11-28
Publication date: 2024-05-31

Abstract

Machine électrique à flux magnétique axial à 2 stators 10,20 avec circuit de refroidissement par un liquide en contact avec les bobines 13 et les culasses 14. Les stators sont composés d’une carcasse 11a ,21 en matériau amagnétique ou composite comprenant une partie radiale 11ar,21r plus ou moins en forme de disque, qui supportent des plots statoriques 12 et deux extensions axiales plus ou moins cylindriques intérieurement 11ai,21i et extérieurement 11ae,21e entourant les bobinages 13 et la culasse 14. Les prolongements axiaux sont fermés par les couvercles 16,25 et ferment les chambres étanches 16a,25a de circulation du fluide de refroidissement. Le liquide de refroidissement parvient aux chambres de refroidissement via un conduit unique 31, situé dans la zone la plus en hauteur de la machine. Ce conduit déverse le liquide de refroidissement dans un conduit radial 33 appartenant à la plaque centrale 30 séparant les deux stators 10,20. Le liquide de refroidissement circule ensuite dans un conduit axial 34 dans les carcasses 11ae,21e et à l’extrémité de ces conduits, un évidement 35 donne un passage communiquant avec la chambre de refroidissement 16a, 25a. Puis le liquide de refroidissement parvenu en partie basse des chambres 16a,25a, est évacué par un évidement 35 en communication avec deux seconds conduits 34 axiaux dans les extensions axiales 11ae,21e. Le liquide de refroidissement se déverse ensuite dans une chambre 33 appartenant à la plaque centrale 30 en communication avec le conduit unique d’évacuation 32. Figure pour l’abrégé : Fig. 8b

Description

Dispositif de refroidissement d'une machine électrique à flux magnétique axial.

DOMAINE TECHNIQUE DE L’INVENTION

La présente invention concerne un moteur ou une génératrice électrique dite à flux magnétique axial comportant au moins un rotor discoïde à plusieurs plots d’aimants permanents et au moins un stator plat de forme annulaire à plusieurs bobines réparties radialement de manière régulière et dont l’axe est orienté parallèlement à celui du rotor.

ETAT DE LA TECHNIQUE

On connait deux concepts principaux : celui comportant un stator central et deux rotors latéraux, illustré par la publication GB2482928, et à l’inverse celui comportant un rotor central agencé entre deux stators, illustré par la publication FR3064422. Précisément, l’invention se rapporte au deuxième type.

Dans ce concept, le rotor étant confiné entre les stators, il ne peut être refroidi. S’il y a un échauffement excessif généré principalement par les courants de Foucault, les aimants peuvent perdre leurs caractéristiques magnétiques lorsque la température dépasse une valeur critique. De plus, l’échauffement par rayonnement des stators peut encore augmenter la température du rotor. La solution proposée dans la publication FR3110767 pour atténuer l’échauffement est la très forte segmentation des blocs d’aimants. Les courants de Foucault sont alors drastiquement réduits.

Dans la publication FR3046888, chaque stator est un assemblage de plots identiques portant des bobines. Un plot, est un empilage radial de tôles ferromagnétiques fines isolées électriquement, de plusieurs tailles afin d’obtenir une forme trapézoïdale. L’empilage radial des tôles permet à chaque dent de former, à l’arrière, une portion de culasse (bouclage du circuit magnétique) et, à l’avant, l’isthme face au disque rotor. Il est bien connu que les matériaux ferromagnétiques, conducteurs d’électricité, placés dans un champ magnétique variable alternatif sont parcourus par des courants électriques parasites : les courants de Foucault. Cela crée des échauffements qui réduisent le rendement énergétique de la machine. La solution proposée pour atténuer ces pertes énergétiques dans la publication GB2482928 est de remplacer l’empilage des tôles par un «Soft Magnetic Composites – SMC». Le plot statorique est réalisé à partir d’une poudre de fer doux, dont les particules sont enrobées d’un isolant électrique. La poudre est compressée dans un moule pour obtenir la forme voulue, puis subit un traitement thermique afin d’assurer cohésion et résistance mécanique.

Pour la réalisation d’un stator, il y a de multiples façons d’assembler les plots. Dans la publication FR3046888 chaque portion est rapportée et maintenue sur une plaque support par une queue d’aronde, ou par l’insertion dans une rainure et soudage. Chaque portion peut aussi être collée directement sur cette plaque qui est ensuite rapportée sur la toile de carter, commune à la chambre à eau.

Pour une machine ainsi réalisée, le moyen de refroidissement est un échange par conduction entre le liquide de refroidissement circulant dans une chambre dans chaque carter et le plot statorique, et cela à travers la tôle support des plots et la toile de carter.

La capacité de refroidissement détermine la puissance maximale de la machine. Améliorer le refroidissement est possible en faisant en sorte que les sources de chaleur, effet Joules dans les bobinages, courant de foucault entraînant des pertes fer soient en contact direct avec le liquide de refroidissement.

PRESENTATION DE L’INVENTION

l’objet de cette invention est de proposer un dispositif de refroidissement qui comprend, par stator, une chambre de circulation du fluide de refroidissement dans laquelle ce dernier est en contact direct avec les sources de chaleurs.

Selon une première caractéristique, le stator possède une carcasse en matériau amagnétique ou composite comprenant une plaque radiale, support des plots statoriques et deux prolongements axiaux plus ou moins cylindriques entourant intérieurement et extérieurement les bobinages et la culasse.

Selon une seconde caractéristique, chaque chambre est fermée à l’extrémité des prolongements axiaux par un couvercle en forme d’anneau.

Selon d’autres caractéristiques, le liquide de refroidissement parvient aux chambres de refroidissement via un conduit unique, situé dans la zone la plus haute de la machine, supporté par la plaque centrale séparant les deux stators et communiquant avec un conduit radial réalisé dans cette dernière.

Le liquide de refroidissement circule ensuite dans un conduit axial interne au prolongement extérieur de la carcasse de chaque stator.

A l’extrémité de ce conduit un évidement donne un passage communiquant avec la chambre de refroidissement.

le liquide de refroidissement, arrivé en partie basse de la machine est évacué par un évidement en communication avec un second conduit axial interne au prolongement axial extérieur de la carcasse.

Le liquide de refroidissement se déverse ensuite dans une chambre radiale dans la plaque centrale en communication avec un conduit unique d’évacuation.

DESCRIPTION DETAILLEE DE L’INVENTION

Ces caractéristiques, buts et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui va suivre et au regard des dessins annexés donnés à titre d'exemples non limitatifs et sur lesquels :

est une première vue en coupe de la machine complète.

est une seconde vue en coupe de la machine complète, montrant différents dispositifs de fixation.

est une troisième vue en coupe de la machine complète, montrant les conduits d’alimentation et d’évacuation du fluide de refroidissement.

est une vue en coupe du stator gauche partiellement assemblé.

est une vue en coupe des composants du stator gauche présentés en éclaté, puis celui-ci complètement assemblé.

est une vue en coupe du stator droit partiellement assemblé.

est une vue en coupe des composants du stator droit présentés en éclaté, puis celui-ci complètement assemblé.

est une vue en coupe des composants du moyeu du rotor présentés en éclaté, puis celui-ci complètement assemblé.

est une vue en coupe des composants du rotor présentés en éclaté.

est une vue en coupe du rotor assemblé.

est une vue en coupe et en éclaté du stator gauche, du rotor et des composants nécessaires à leur assemblage.

est une vue en coupe du rotor assemblé sur le stator gauche.

est une vue en coupe du bloc moteur dans le plan des tuyaux d’alimentation et d’évacuation du liquide de refroidissement.

est une vue en coupe, dans le même plan, de la machine assemblée avec les sens de circulation du fluide de refroidissement.

La machine électrique présentée selon une première coupe sur la est composée d’un bloc moteur agencé dans un carter enveloppe 70 et une plaque de fermeture 80.

Le bloc moteur est constitué:

du stator gauche 10 lié au carter 70 à l’aide des vis 72 ;
du stator droit 20 ;
de la plaque entretoise centrale 30 qui procure un espace axial précis entre les deux stators 10,20 ;
du rotor discoïde 40 porté par un roulement 45, assemblé à l’aide des vis 46, et porté par le stator gauche 10 ;
du résolveur 60 (dispositif de mesure de la vitesse de rotation et de la position angulaire du rotor) dont le stator est fixé sur le couvercle 80 par les vis 62.
Enfin le couvercle 80 est fixé sur le carter 70 à l’aide des vis 81. L’ensemble de la machine est fixé à une transmission (réducteur ou boîte de vitesses) à l’aide des vis 82.

La coupe de la machine électrique présentée sur la selon une seconde coupe, montre des fixations supplémentaires et en particulier :

Le pion 11c de centrage des deux éléments 11a,11b de la carcasse 11 du stator 10, décrits ci-après ;
Des vis 17 d’assemblage de deux éléments 11a,11b de la carcasse 11 du stator 10 et du couvercle 16.
Des vis 18 de fixation des stators 10,20 ainsi que leur couvercle 16,25 sur l’entretoise centrale 30.
Le pion 19 de centrage des stators 10,20 entre eux et sur l’entretoise centrale 30.
Le boulon 26,27 de fixation du couvercle 25 sur la carcasse 21 du stator droit 20.

La coupe de la machine électrique présentée sur la , selon une troisième coupe que nous qualifierons de verticale, montre les tuyaux d’alimentation et évacuation du fluide de refroidissement. Le conduit d’alimentation 31, porté par la plaque entretoise centrale 30, est agencé en partie haute de la machine. Il est coudé et traverse un pavé 71 en élastomère agencé dans une échancrure 70a du carter 70. Ainsi, le tuyau 31 fait une traversée étanche à travers la paroi du carter 70. le tuyau 32, également porté par la plaque entretoise 30, est agencé en partie basse de la machine. Il recueille le fluide de refroidissement après sa traversée des stators. De la même manière, Il traverse un pavé 71 en élastomère agencé dans une échancrure 70a du carter 70.

Sur la est présenté en coupe Le stator de gauche 10 partiellement assemblé. Le stator 10 comprend une carcasse 11 composée de deux éléments principaux liés entre eux:

la partie périphérique 11a reçoit les plots statoriques 12 sur sa partie radiale 11ar en forme de couronne, et possède des extensions axiales intérieure 11ai et extérieure 11ae qui créent un volume d’accueil des plots statoriques ;
la partie centrale 11b a un perçage central 11b1 qui reçoit l’axe support du rotor 40.

L’élément 11a est en matériau amagnétique, de préférence en matériau composite renforcé de fibres. Quant aux plots statoriques 12, ils sont fixés, de préférence, par collage sous forme d’un bourrelet continu 12a. Ces plots sont en poudre composite magnétique douce «Soft Magnetic Composites». Ce matériau offre des performances satisfaisantes et surtout de faibles pertes énergétiques par courant de Foucault. La forme, obtenue par moulage, et le montage des plots permettent de réaliser de manière simple l’isthme entre deux plots consécutifs.

L’élément 11b est en acier. Il est rapporté sur l’élément 11a par collage ou vis temporaire et positionné par les pions 11c.

Au stade d’assemblage présenté à droite de la , est effectuée une opération d’usinage afin d’obtenir une grande précision géométrique et faciliter le positionnement du rotor entre les stators lors de l’assemblage de la machine. Cette opération d’usinage permet l’obtention d’une faceF1unique pour :

l’accostage de la plaque entretoise indicéeF1a;
la face commune des plots statoriques 12 en vis-à-vis du rotor et dite fonctionnelle indicéeF1b;
la face d’appui de la rondelle d’équilibrage des entrefers sur laquelle accoste le roulement de guidage du rotor indicéeF1c;
enfin la perpendicularité de l’axeG(axe commun avec l’axe de rotation du rotor) avec la faceF1est garanti.

La est une vue en coupe du stator gauche, de ses composants présentés à gauche en éclaté, puis complètement assemblé à droite. Sur chaque plot statorique est rapportée une bobine 13, puis une culasse 14 en forme de couronne en tôle enroulée, de préférence collée sur chaque plot, vient fermer le circuit magnétique entre les plots consécutifs. Ensuite, est rapporté un couvercle 16 pour fermer la chambre étanche de circulation du fluide de refroidissement. Il est fixé sur l’élément de structure 11a intérieurement par les vis 17, commune à la liaison des éléments 11a et 11b, et extérieurement par les vis 18 (rapportées ultérieurement) communes à la liaison du stator avec la plaque entretoise centrale. Enfin sont rapportés, l’axe 15 support du roulement et les pions 19 de centrage du stator sur la plaque entretoise centrale.

Sur la est présenté en coupe Le stator de droite partiellement assemblé. Il comprend une carcasse 21 comparable en forme et matière à l’élément 11a du stator gauche 10. Il supporte les mêmes plots statoriques 12 fixés, de préférence, par collage sous forme d’un bourrelet continu 12a. La carcasse 21 reçoit les plots statoriques 12 sur sa partie radiale 21r en forme de couronne, et possède des extensions axiales intérieure 21i et extérieure 21e qui créent le volume d’accueil des plots statoriques.

Au stade d’assemblage présenté à droite de la , est effectué une opération d’usinage afin d’obtenir une grande précision géométrique et faciliter le positionnement du rotor entre les stators lors de l’assemblage de la machine. Cette opération d’usinage définit une faceF2unique pour :

l’accostage de la plaque entretoise 30, indicéeF2a;
la face commune des plots statoriques 12 en vis-à-vis du rotor et dite fonctionnelle, indicéeF2b.

La est une vue en coupe du stator droit, de ses composants présentés à gauche en éclaté, puis complètement assemblé à droite. Sur chaque plot statorique est rapportée une bobine 13, puis une culasse 14 en forme de couronne en tôle enroulée, de préférence collée sur chaque plot, vient fermer le circuit magnétique entre les plots consécutifs. Ensuite, est rapporté un couvercle 25 pour fermer la chambre étanche de circulation du fluide de refroidissement. Il est fixé sur l’élément de structure 21 intérieurement par les boulons 26,27 et extérieurement par les vis 18 (rapportées ultérieurement) communes à la liaison du stator 20 avec la plaque entretoise centrale 30.

La est une vue en coupe du moyeu 42 du rotor. Sur celui-ci est rapporté à l’intérieur une bague 44 destiné à supporter un opercule monté ultérieurement, puis d’une bague de mise à la masse 43, dans le but de protéger le roulement 45 d’éventuel courant parasite. A l’extérieur sont rapportées, la cible du résolveur 62 et sa bague de maintien 63 montée serrée.

La est une vue en coupe et en éclaté des autres composants du rotor. Nous avons le disque rotor 41 composé de 3 éléments:

une structure porteuse 41,a en forme de «soleil» car composée d’une partie centrale cylindrique, d’où partent plusieurs branches radiales. Cette structure peut être en matériau amagnétique ou composite de résine chargée en fibres;
de plusieurs secteurs d’aimants 41,b chacun pouvant être monobloc ou segmenté. Ils sont collés à la structure «soleil» 41a;
d’un «cerclage» 41,c appelé aussi frette pour contrer la centrifugation des aimants.

Le disque 41 et le moyeu 42 sont centrés sur la bague extérieure d’un roulement à billes 45 à deux rangées de billes et à contact oblique respectivement sur les diamètres 41a1 et 42a . La bague extérieure du roulement possède un flasque cylindrique 45a. Les éléments, flasque cylindrique 45a, disque rotor 41 et moyeu 42 sont solidarisés par les vis 46. Le mouvement et la puissance développée par la machine sont transmis par les cannelures 42b du moyeu 42. Le rotor complet assemblé est présenté sur la .

La présente en coupe et en éclaté le stator gauche 10 et le rotor 40 ainsi que les constituants nécessaires à leur assemblage. Avant la mise en place du rotor, on commence par glisser la rondelle de calage 47 qui permet d’obtenir un équilibrage des épaisseurs des entrefers. La procédure de détermination de la valeur de la cale n’est pas détaillée ici. Ensuite le rotor 40 est glissé sur l’axe 15, puis la rondelle d’appui 48 de la vis 49 viennent solidariser le stator et le rotor et met en précharge le roulement 45. Pour terminer l’opercule 44b est placé sur son support 44a. L’ensemble rotor et stator gauche assemblé est présenté sur la .

La présente en coupe le bloc moteur. A l’ensemble stator gauche 10 et rotor 40, sont ajoutés la plaque intermédiaire 30 assemblée ainsi que le stator droit 20. A la plaque intermédiaire 30 sont rapportés les conduits 31 d’alimentation et 32 d’évacuation du fluide de refroidissement. Les tuyaux communiquent avec les conduits radiaux 33, étanchés par les opercules 36. L’étanchéité entre la plaque 30 avec les carcasses 11a et 21 est assurée par les joints toriques 37. Les conduits radiaux 33 débouchent sur des conduits axiaux 34 qui alimentent les chambres 16a et 25a des stators par les communications 35 réalisées à l’extrémité des extensions axiales 11ae, 21e. La vidange des chambres 16a et 25a est réalisée de manière similaire à l’alimentation par les ouvertures de communication 35, puis les conduits axiaux 34, les conduits radiaux 33 et enfin le tuyau 32.

La présente en coupe la machine entièrement assemblée sur laquelle est représentée la circulation du fluide de l’alimentation 50 à l’évacuation 51.

Claims

Machine électrique à flux magnétique axial
caractérisée en ce que les stators 10,20 possèdent une carcasse 11a ,21 en matériau amagnétique ou composite comprenant une partie radiale 11ar,21r plus ou moins en forme de disque, qui supportent des plots statoriques 12 et deux extensions axiales plus ou moins cylindriques intérieurement 11ai,21i et extérieurement 11ae,21e entourant les bobinages 13 et la culasse 14.
Machine électrique à flux magnétique axial, selon la revendication 1 caractérisée en ce que les deux chambres 16a, 25a sont fermées à l’extrémité des extensions axiales par des couvercles 16,25.
Machine électrique à flux magnétique axial selon les revendications 1 ou 2 caractérisée en ce que le liquide de refroidissement parvient aux chambres de refroidissement via un conduit unique 31, situé dans la zone la plus en hauteur de la machine. Le conduit déverse le liquide de refroidissement dans un conduit radial 33 appartenant à la plaque centrale 30 séparant les deux stators 10,20.
Machine électrique à flux magnétique axial selon la revendication 3 caractérisée en ce que le liquide de refroidissement circule ensuite dans un conduit axial 34 dans les extensions axiales 11ae,21e des carcasses 11a,21.
Machine électrique à flux magnétique axial selon la revendication 4 caractérisée en ce qu’à l’extrémité des conduits 34, un évidement 35 donne un passage communiquant avec la chambre de refroidissement 16a, 25a.
Machine électrique à flux magnétique axial selon la revendication 5 caractérisée en ce que le liquide de refroidissement parvenu en partie basse des chambres 16a,25a, est évacué par un évidement 35 en communication avec des seconds conduits 34 axiaux dans les extensions axiales 11ae,21edes carcasses 11a,21.
Machine électrique à flux magnétique axial selon la revendication 6 caractérisée en ce que Le liquide de refroidissement se déverse ensuite dans une chambre 33 de la plaque centrale 30 en communication avec le conduit unique d’évacuation 32.