FR3159479A1

FR3159479A1 - ELECTRIC MACHINE WITH STATOR COMPRISING AXIAL DRILLINGS FOR COOLING FLUID

Info

Publication number: FR3159479A1
Application number: FR2401518A
Authority: FR
Inventors: Pascal Beaufils
Original assignee: Stellantis Auto SAS
Current assignee: Stellantis Auto SAS
Priority date: 2024-02-16
Filing date: 2024-02-16
Publication date: 2025-08-22
Also published as: WO2025172654A1

Abstract

Machine électrique comportant un stator (2) présentant un axe de rotation, comprenant un empilage de tôles (38) disposant de têtes de bobinages de fils électriques (4) dépassant axialement, et autour de ces bobinages (4) de perçages axiaux de circulation d’un fluide de refroidissement, cette machine comportant autour des têtes de bobinages (4) un anneau de circulation de fluide (14) formant une chambre annulaire recevant le fluide des perçages axiaux pour le répartir vers les têtes des bobinages (4), qui comporte au moins un arrêt (48) réalisant son positionnement angulaire autour de l’axe. Figure 1 Electrical machine comprising a stator (2) having an axis of rotation, comprising a stack of laminations (38) having axially projecting electrical wire winding heads (4), and around these windings (4) axial bores for circulating a cooling fluid, this machine comprising around the winding heads (4) a fluid circulation ring (14) forming an annular chamber receiving the fluid from the axial bores to distribute it towards the winding heads (4), which comprises at least one stop (48) for positioning it angularly around the axis. Figure 1

Description

ELECTRIC MACHINE WITH STATOR COMPRISING AXIAL DRILLINGS FOR COOLING FLUID

La présente invention concerne une machine électrique avec stator comprenant des perçages axiaux de circulation d’un fluide de refroidissement, ainsi qu’un procédé d’assemblage de cette machine et un véhicule automobile électrique ou hybride équipé de ce type de machine.The present invention relates to an electric machine with a stator comprising axial holes for circulating a cooling fluid, as well as a method of assembling this machine and an electric or hybrid motor vehicle equipped with this type of machine.

Un type de machine électrique connu, présenté notamment par le document EP-A1-4270733, comporte un stator formé par un empilement de tôles serré dans un carter, comprenant autour des bobinages de fil de cuivre, près du diamètre extérieur des tôles, des perçages axiaux de circulation d’un fluide de refroidissement, en particulier d’une huile.A known type of electrical machine, presented in particular by document EP-A1-4270733, comprises a stator formed by a stack of sheets clamped in a casing, comprising around the copper wire windings, near the outside diameter of the sheets, axial holes for the circulation of a cooling fluid, in particular an oil.

Une pompe de circulation du fluide alimente un perçage central de l’arbre du rotor, ainsi que des tubes insérés dans les perçages du stator, comprenant plusieurs trous formant des injecteurs du fluide. En particulier un injecteur formé de chaque côté du tube permet de pulvériser du fluide dans une gouttière disposée suivant la circonférence du stator autour des têtes des bobinages, qui ensuite arrose ces têtes par une succession de perçages répartis sur la longueur de la gouttière.A fluid circulation pump feeds a central bore in the rotor shaft, as well as tubes inserted into the bores in the stator, comprising several holes forming fluid injectors. In particular, an injector formed on each side of the tube allows fluid to be sprayed into a gutter arranged along the circumference of the stator around the heads of the windings, which then waters these heads through a succession of bores distributed along the length of the gutter.

On obtient ainsi par l’arrivée du fluide venant de l’arbre sur le contour radialement intérieur des têtes de bobinages, et venant des gouttières sur leur contour radialement extérieur, un arrosage des extrémités des bobinages de fils qui les refroidit.This results in the arrival of the fluid coming from the shaft on the radially inner contour of the winding heads, and coming from the gutters on their radially outer contour, a watering of the ends of the wire windings which cools them.

En particulier pour une machine de traction d’un véhicule électrique ou hybride on cherche à la fois une puissance importante et un bon rendement avec une machine compacte pour limiter son encombrement, et un minimum de matériaux pour réduire la masse et les coûts. Une circulation d’huile au plus près des fils de cuivre dégageant une énergie calorifique par effet joule permet d’améliorer ces paramètres.Particularly for a traction machine of an electric or hybrid vehicle, we are looking for both significant power and good efficiency with a compact machine to limit its size, and a minimum of materials to reduce mass and costs. Circulating oil as close as possible to the copper wires releasing heat energy by the Joule effect makes it possible to improve these parameters.

Toutefois les goulottes de distribution de fluide agissant uniquement par gravité ne permettent d’optimiser la répartition du débit de fluide sur le contour complet des extrémités des bobinages, ce qui pose des problèmes d’optimisation des échanges thermiques sur ces parties produisant des calories, en particulier suivant la position angulaire de chaque bobinage.However, fluid distribution chutes acting solely by gravity do not allow for the distribution of fluid flow to be optimized over the entire contour of the ends of the windings, which poses problems in optimizing heat exchanges on these parts producing calories, in particular depending on the angular position of each winding.

La présente invention a notamment pour but d’éviter ces problèmes de l’art antérieur.The present invention aims in particular to avoid these problems of the prior art.

Elle propose à cet effet une machine électrique comportant un stator présentant un axe de rotation, comprenant un empilage de tôles disposant de têtes de bobinages de fils électriques dépassant axialement, et autour de ces bobinages de perçages axiaux de circulation d’un fluide de refroidissement, cette machine comportant autour des têtes de bobinages un anneau de circulation de fluide formant une chambre annulaire recevant le fluide des perçages axiaux pour le répartir vers les têtes des bobinages, cette machine étant remarquable en ce que l’anneau d’étanchéité comporte au moins un arrêt réalisant son positionnement angulaire autour de l’axe.To this end, it proposes an electrical machine comprising a stator having an axis of rotation, comprising a stack of sheets having winding heads of electrical wires protruding axially, and around these windings axial drillings for circulation of a cooling fluid, this machine comprising around the winding heads a fluid circulation ring forming an annular chamber receiving the fluid from the axial drillings to distribute it towards the heads of the windings, this machine being remarkable in that the sealing ring comprises at least one stop achieving its angular positioning around the axis.

Un avantage de cette machine électrique est qu’en prévoyant au moins un arrêt de positionnement angulaire sur l’anneau d’étanchéité, par exemple un élément s’emboîtant dans un autre élément fixe, on obtient automatiquement lors de l’assemblage de la machine une position angulaire de cet anneau ajustant précisément la répartition angulaire des injecteurs formés sur l’anneau.An advantage of this electric machine is that by providing at least one angular positioning stop on the sealing ring, for example an element fitting into another fixed element, an angular position of this ring is automatically obtained during assembly of the machine, precisely adjusting the angular distribution of the injectors formed on the ring.

On assure ainsi par le simple ajout de formes qui peuvent être réalisées de manière économique dans des pièces moulées, une facilité d’assemblage en série des machines donnant une répartition précise du flux suivant les secteurs angulaires des bobinages et leurs besoins particuliers d’échanges thermiques, de manière à obtenir une régularité maximum des températures qui optimise la puissance et le rendement de la machine.This ensures, by simply adding shapes that can be produced economically in molded parts, ease of series assembly of machines giving a precise distribution of the flow according to the angular sectors of the windings and their particular thermal exchange needs, so as to obtain maximum regularity of temperatures which optimizes the power and efficiency of the machine.

La machine électrique selon l’invention peut comporter de plus une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, qui peuvent être combinées entre elles.The electric machine according to the invention may further comprise one or more of the following characteristics, which may be combined with each other.

Avantageusement, l’arrêt de positionnement angulaire comporte un pion disposé axialement rentrant dans un perçage.Advantageously, the angular positioning stop comprises a pin arranged axially entering a hole.

Avantageusement, l’arrêt de positionnement angulaire comporte un élément fixé sur une couronne conductrice du courant disposée en bout des bobinages.Advantageously, the angular positioning stop comprises an element fixed on a current-conducting ring arranged at the end of the windings.

De plus, l’anneau de circulation de fluide peut comporter une patte plate comprenant le perçage qui est tournée radialement vers l’intérieur.Additionally, the fluid circulation ring may include a flat tab including the bore that faces radially inward.

Avantageusement, l’anneau de circulation de fluide comporte deux demi-anneaux qui se rejoignent suivant un plan de joint passant par l’axe.Advantageously, the fluid circulation ring comprises two half-rings which join along a joint plane passing through the axis.

Dans ce cas, avantageusement chaque demi-anneau comporte un arrêt de positionnement angulaire.In this case, advantageously each half-ring has an angular positioning stop.

Avantageusement, l’anneau de circulation de fluide est formé d’une pièce avec un élément de l’arrêt de positionnement angulaire par un moulage en matière plastique.Advantageously, the fluid circulation ring is formed in one piece with an element of the angular positioning stop by a plastic molding.

L’invention a aussi pour objet un procédé d’assemblage d’une machine électrique comprenant l’une quelconque des caractéristiques précédentes, remarquable en ce qu’il comporte une étape de coulissement axial de l’anneau de circulation de fluide qui comprend pendant ce coulissement un emboîtement de deux éléments de l’arrêt de positionnement angulaire.The invention also relates to a method of assembling an electrical machine comprising any one of the preceding characteristics, remarkable in that it comprises a step of axial sliding of the fluid circulation ring which comprises, during this sliding, a fitting of two elements of the angular positioning stop.

Avantageusement, l’anneau de circulation de fluide comprenant deux demi-anneaux, le procédé comporte de plus une étape préalable d’écartement des demi-anneaux, puis une étape de coulissement partiel pour passer des bossages sur le contour extérieur des têtes des bobinages, puis une étape de resserrement des demi-anneaux, et enfin une étape de fin de coulissement comprenant un emboîtement des éléments de l’arrêt de positionnement angulaire.Advantageously, the fluid circulation ring comprising two half-rings, the method further comprises a preliminary step of separating the half-rings, then a partial sliding step to pass bosses on the external contour of the heads of the windings, then a step of tightening the half-rings, and finally a step of end of sliding comprising a fitting of the elements of the angular positioning stop.

L’invention a de plus pour objet un véhicule automobile électrique ou hybride, remarquable en ce qu’il comporte une machine électrique utilisée pour sa traction comprenant l’une quelconque des caractéristiques précédentes.The invention further relates to an electric or hybrid motor vehicle, remarkable in that it comprises an electric machine used for its traction comprising any one of the preceding characteristics.

L’invention sera mieux comprise et d’autres caractéristiques et avantages apparaîtront plus clairement à la lecture de la description ci-après donnée à titre d’exemple, en référence aux dessins annexés dans lesquels :The invention will be better understood and other characteristics and advantages will appear more clearly on reading the description below given by way of example, with reference to the appended drawings in which:

FIG. 1est une vue de l’extrémité d’une machine électrique selon l’invention sans son carter ; FIG. 1 is a view of the end of an electric machine according to the invention without its casing;

FIG. 2est une vue en coupe axiale de l’extrémité de la machine passant par l’arrêt de positionnement ; FIG. 2 is an axial sectional view of the end of the machine passing through the positioning stop;

FIG. 3est une vue de dessus de l’arrêt de positionnement de l’anneau de cette machine ; et FIG. 3 is a top view of the ring positioning stop of this machine; and

FIG. 4est une vue de dessous de cet arrêt, présentant le pion de positionnement angulaire de l’anneau de circulation de fluide sans les couronnes conductrices. FIG. 4 is a bottom view of this stop, showing the angular positioning pin of the fluid circulation ring without the conductive crowns.

Les figures 1 et 2 présentent le côté axial avant AV d’un stator 2 d’une machine électrique formé par un empilage de tôles 38, comprenant les têtes des bobinages de fils 4 dépassant axialement de chaque côté de cet empilage, présentant sur leurs contour extérieur un bossage 32 tourné radialement vers l’extérieur.Figures 1 and 2 show the front axial side AV of a stator 2 of an electrical machine formed by a stack of sheets 38, comprising the heads of the wire windings 4 protruding axially on each side of this stack, having on their outer contour a boss 32 turned radially outwards.

Trois couronnes conductrices superposées 6, disposées en avant des têtes de bobinages 4, reçoivent par des connexions 8 le courant de chacune des phases de la machine triphasée, pour les relier à un bornier 10 comprenant trois bornes 12 de branchement électrique vers l’extérieur.Three superimposed conductive rings 6, arranged in front of the winding heads 4, receive the current from each of the phases of the three-phase machine via connections 8, to connect them to a terminal block 10 comprising three terminals 12 for electrical connection to the outside.

Un anneau de circulation de fluide 14 réalisé par un moulage de matière plastique comporte deux demi-anneaux reliés suivant un plan de joint passant par l’axe 16, disposant chacun près de ce plan d’un perçage axial 18.A fluid circulation ring 14 produced by molding a plastic material comprises two half-rings connected along a joint plane passing through the axis 16, each having an axial bore 18 near this plane.

La base arrière 24 de l’anneau 14, en appui sur la face transversale 34 des tôles de stator 38, est écartée radialement du carter 22 de manière à former entre eux une chambre annulaire 28 qui est fermée vers l’avant par un appui axial de l’anneau 26 sur un bossage de ce carter. Une membrane d’étanchéité 30 recouvre la partie de l’anneau 14 formant la chambre 28 afin d’assurer l’étanchéité du contact sur les tôles de stator 38 et sur le carter 22.The rear base 24 of the ring 14, resting on the transverse face 34 of the stator laminations 38, is radially spaced from the casing 22 so as to form between them an annular chamber 28 which is closed towards the front by an axial support of the ring 26 on a boss of this casing. A sealing membrane 30 covers the part of the ring 14 forming the chamber 28 in order to ensure the sealing of the contact on the stator laminations 38 and on the casing 22.

Les figures 3 et 4 présentent chaque demi-anneau comportant à une extrémité, en face d’un perçage axial 18, une patte tournée radialement vers l’intérieur 40, disposée dans un plan transversal, comprenant un perçage qui reçoit de manière ajustée un pion 42 fixé sur la couronne conductrice 6 la plus à l’extérieur pour former un arrêt 48 de positionnement angulaire de cet anneau autour de l’axe. Chaque patte 40 se prolonge vers l’arrière par un plan axial 44 qui la raccorde au bossage extérieur 46 de son perçage 18 disposé en face.Figures 3 and 4 show each half-ring comprising at one end, opposite an axial bore 18, a radially inwardly facing tab 40, arranged in a transverse plane, comprising a bore which receives in an adjusted manner a pin 42 fixed on the outermost conductive ring 6 to form a stop 48 for angular positioning of this ring around the axis. Each tab 40 extends towards the rear by an axial plane 44 which connects it to the outer boss 46 of its bore 18 arranged opposite.

Le procédé d’assemblage de l’anneau de circulation de fluide 14 est le suivant. Un outil comprenant deux parties disposant chacune de deux tiges, reçoit l’anneau 14 en introduisant les deux tiges de chaque partie dans les perçages 18 d’un même demi-anneau. L’outil réalise ensuite une étape d’écartement radial des demi-anneaux afin d’obtenir un espace intérieur plus important permettant à leur base 24 de passer au-dessus des bossages extérieurs 32 des têtes de bobinages 4.The method of assembling the fluid circulation ring 14 is as follows. A tool comprising two parts, each having two rods, receives the ring 14 by introducing the two rods of each part into the holes 18 of the same half-ring. The tool then performs a step of radially separating the half-rings in order to obtain a larger interior space allowing their base 24 to pass above the external bosses 32 of the winding heads 4.

On a ensuite une étape de coulissement partiel vers l’arrière pour passer la base 24 sur les bossages 32, puis après ce passage une étape de resserrement des deux parties de l’outil pour reformer l’anneau circulaire 14, puis une étape de fin de coulissement comprenant un emboîtement de deux éléments de l’arrêt de positionnement angulaire 48, et une mise en place complète de l’anneau 14. Ensuite l’outil remonte vers l’avant pour dégager ses tiges des perçages 18.There is then a step of partial sliding towards the rear to pass the base 24 over the bosses 32, then after this passage a step of tightening the two parts of the tool to reform the circular ring 14, then a step of end of sliding comprising a fitting of two elements of the angular positioning stop 48, and a complete positioning of the ring 14. Then the tool goes back towards the front to release its rods from the holes 18.

On forme ainsi avec l’appui de la membrane d’étanchéité 30 sur la face transversale 34 des tôles de stator 38 et l’appui axial 26 sur le carter 22, la chambre annulaire 28 qui reçoit le fluide venant des perçages de stator 20 pour le distribuer par une série de perçages radiaux répartis sur le contour, formant des injecteurs 36 tournés vers les têtes de bobinages 4.Thus, with the support of the sealing membrane 30 on the transverse face 34 of the stator sheets 38 and the axial support 26 on the casing 22, the annular chamber 28 is formed, which receives the fluid coming from the stator holes 20 to distribute it through a series of radial holes distributed over the contour, forming injectors 36 facing the winding heads 4.

La répartition angulaire des injecteurs 36 sur la face intérieure de l’anneau 14 peut être irrégulière, de manière à privilégier certaines zones des têtes de bobinages 4 recevant un débit supérieur de fluide de refroidissement afin de l’adapter à l’échauffement qu’elles produisent.The angular distribution of the injectors 36 on the inner face of the ring 14 may be irregular, so as to favor certain areas of the winding heads 4 receiving a higher flow rate of cooling fluid in order to adapt it to the heating that they produce.

Lors de la descente de l’anneau 14 pour sa mise en place, les perçages des pattes 40 reçoivent chacune un pion 42 qui rentre facilement grâce à un chanfrein d’extrémité de ce pion. En fin de descente chaque patte 40 est proche de la couronne conductrice extérieure 6.When the ring 14 is lowered for its installation, the holes in the legs 40 each receive a pin 42 which easily fits thanks to a chamfer at the end of this pin. At the end of the descent, each leg 40 is close to the outer conductive ring 6.

On obtient après le retrait de l’outil d’assemblage un anneau 14 centré dans le carter 22 par sa partie arrière, et positionné angulairement par les perçages de ses pattes 42 recevant chacune un pion 42 relié au carter 22.After removing the assembly tool, a ring 14 is obtained, centered in the casing 22 by its rear part, and positioned angularly by the holes in its legs 42, each receiving a pin 42 connected to the casing 22.

En variante on peut utiliser une seule patte percée 40 recevant un unique pion 42 qui suffit à assurer un positionnement angulaire de l’anneau de circulation de fluide 14. On peut aussi utiliser tout autre type d’arrêt de positionnement angulaire, comme un pion de l’anneau 14 rentrant dans un perçage d’un élément fixe de la machine, le carter 22 par exemple, ou d’autres formes d’arrêt comme un tenon rentrant dans une rainure axiale.Alternatively, it is possible to use a single drilled tab 40 receiving a single pin 42 which is sufficient to ensure angular positioning of the fluid circulation ring 14. It is also possible to use any other type of angular positioning stop, such as a pin of the ring 14 entering a drilling of a fixed element of the machine, the casing 22 for example, or other forms of stop such as a tenon entering an axial groove.

Le moulage en matière plastique des demi-anneaux de l’anneau de circulation du fluide 14 permet d’obtenir facilement et de manière économique dans la même opération le moulage des pattes 40.The plastic molding of the half-rings of the fluid circulation ring 14 makes it possible to easily and economically obtain in the same operation the molding of the legs 40.

Claims

Electrical machine comprising a stator (2) having an axis of rotation, comprising a stack of sheets (38) having electrical wire winding heads (4) protruding axially, and around these windings (4) axial bores (20) for circulating a cooling fluid, this machine comprising around the winding heads (4) a fluid circulation ring (14) forming an annular chamber (28) receiving the fluid from the axial bores (20) to distribute it towards the heads of the windings (4), characterized in that the sealing ring (14) comprises at least one stop (48) achieving its angular positioning around the axis.

Electrical machine according to claim 1, characterized in that the angular positioning stop (48) comprises an axially arranged pin (42) entering a bore.

Electrical machine according to claim 1 or 2, characterized in that the angular positioning stop (48) comprises an element fixed on a current-conducting ring (6) arranged at the end of the windings (4).

Electrical machine according to claims 2 and 3, characterized in that the fluid circulation ring (14) comprises a flat tab (40) comprising the bore which is turned radially inwards.

Electrical machine according to any one of the preceding claims, characterized in that the fluid circulation ring (14) comprises two half-rings which join along a joint plane passing through the axis (16).

Electric machine according to claim 5, characterized in that each half-ring comprises an angular positioning stop.

Electrical machine according to any one of the preceding claims, characterized in that the fluid circulation ring (14) is formed in one piece with an element of the angular positioning stop (48) by a plastic molding.

Method of assembling an electrical machine according to any one of the preceding claims, characterized in that it comprises a step of axial sliding of the fluid circulation ring (14) which comprises, during this sliding, a fitting of two elements of the angular positioning stop (48).

Assembly method according to claim 8, the fluid circulation ring (14) comprising two half-rings, characterized in that it comprises a preliminary step of separating the half-rings, then a partial sliding step to pass bosses (32) over the outer contour of the heads of the windings (4), then a step of tightening the half-rings, and finally a step of ending the sliding comprising fitting the elements of the angular positioning stop (48).

Electric or hybrid motor vehicle, characterized in that it comprises an electric machine used for its traction which is according to any one of claims 1 to 7.