WO2017216488A1 - Machine electrique tournante munie d'une zone de decouplage mecanique - Google Patents
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Definitions
- said rotating electrical machine comprises a second bearing positioned around said first bearing to form a cooling chamber.
- said second portion of said first bearing comprises at its outer periphery two bearing surfaces of joints positioned axially on either side of said cooling chamber.
- Figures 5a and 5b are sectional views illustrating alternative embodiments of the mechanical decoupling zone according to the invention.
- a first bearing 24 comprises a first portion 25 extending transversely with respect to the axis X, that is to say in a direction radial with respect to the axis X.
- This first portion 25 is provided centrally with a housing 26 receiving a bearing for rotatably mounting one end of a rotor shaft.
- the bearing 24 further comprises a second portion 27 having generally the shape of an annular skirt extending axially from the outer periphery of the first portion 25.
- the outer periphery of the stator body 13 being in intimate contact with the inner periphery of the first bearing 24 because of the hooping operation, this facilitates the conductive evacuation of the heat generated by the winding 19 towards the cooling chamber 31.
- the second bearing 30 further comprises an inlet 34 and a coolant outlet 35 visible in FIG. 2.
- a section of the cooling chamber 31 is between two and three times larger than a section of the inlet 34 of coolant.
- a first coupling zone 38 and a second coupling zone 39 between the first bearing 24 and the second bearing 30 are configured to allow mounting of the first bearing 24 relative to the second bearing 30 in a relative axial displacement between the two bearings 24 and 30.
- the axial displacement of the second bearing 30 relative to the first bearing 24 to assemble these two elements is represented by the arrow F in FIG. 2.
- the first coupling zone 38 comprises a first housing 41 formed in the first bearing 24 receiving an end 42 of the second bearing 30.
- the second coupling zone 39 comprises a second housing 43 formed in the second bearing 30 receiving one end 44 of the first bearing 24. This provides a nested assembly of the two bearings 24 and 30. Such an assembly ensures a connection between the two bearings 24 and 30 avoiding leakage of the cooling chamber 31 following expansion differential during hot running of the machine 10.
- first housing 41 and the second housing 43 have open annular cup shapes in two opposite axial directions with respect to each other.
- An inner surface of the annular cups has a slope 47, so that the housings 41, 43 have a larger section of the open side than the side of a corresponding bottom. This facilitates guiding the ends of the bearings 42, 44 during their insertion within a housing 41, 43 corresponding.
- External surfaces 50 of the ends 42, 44 of the first bearing 24 and the second bearing 30 are conically shaped so as to be able to fit in a complementary manner inside the housing 41, 43 having an internal slope 47 during the introduction by axial sliding of the second bearing 30 around the first bearing 24 along arrow F.
- the mechanical decoupling zone 56 may have a shape of recess forming a recess relative to the first portion 25 of the bearing.
- the hollow form has a generally U-shaped section with side walls 57, 58 inclined relative to the axis X and interconnected by a bottom 59.
- the hollow may be open axially towards the inside of the machine.
- the walls 57, 58, 59 delimiting the mechanical decoupling zone 56 may be interconnected by rounded corners or straight corners.
- the mechanical decoupling zone 56 has a reduced thickness relative to a thickness of the first portion 25 of the first bearing 24.
- the side walls 57, 58 and the bottom 59 have a thickness E1 of the order of 3.5 mm; while the thickness E2 of the section of the first portion 25 upstream and downstream of the mechanical decoupling zone 56 is of the order of 4mm. It is understood that the terms upstream and downstream are understood with respect to a direction of radial displacement from the X axis to the outer periphery of the machine.
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Abstract
L'invention porte principalement sur une machine électrique tournante (10) comportant: - un stator (11) comprenant un corps (13) et un bobinage (19), et - un premier palier (24) comportant une première portion (25) munie d'un logement de roulement (26) pour le montage à rotation d'un arbre de rotor, et une deuxième portion (27) dans laquelle est monté fretté ledit corps de stator (13), caractérisée en ce que ledit premier palier (24) comporte une zone de découplage mécanique (56) apte à se déformer pour découpler un déplacement de ladite première portion (25) par rapport à ladite deuxième portion (27) lors d'un frettage de ladite deuxième portion (27) dudit premier palier (24) autour dudit corps de stator (13).
Description
MACHINE ÉLECTRIQUE TOURNANTE MUNIE D'UN ZONE DE
DÉCOUPLAGE MÉCANIQUE
La présente invention porte sur une machine électrique tournante munie d'une zone de découplage mécanique. L'invention se rapporte au domaine des machines électriques tournantes telles que les moteurs, les alternateurs, ou les alterno-démarreurs.
On connaît des machines électriques comportant un rotor solidaire d'un arbre menant et/ou mené et un stator qui entoure le rotor avec présence d'un entrefer. Le stator est porté par un palier qui comporte des roulements pour le montage à rotation de l'arbre de rotor.
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 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.
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. A cet effet, le corps
de stator peut être monté fretté dans le palier, de telle façon que la périphérie externe du corps de stator est en contact avec la périphérie interne du palier.
Lors de l'assemblage par frettage du stator, le palier a tendance à s'ouvrir au niveau de son diamètre extérieur. Cela provoque des problèmes d'assemblage, notamment de positionnement d'un couvercle de fermeture du palier et de centrage du roulement de l'arbre de rotor dans le logement correspondant du palier.
La présente invention vise à remédier efficacement à cet inconvénient en proposant une machine électrique tournante comportant:
- un stator comprenant un corps et un bobinage, et
- un premier palier comportant une première portion munie d'un logement de roulement pour le montage à rotation d'un arbre de rotor, et une deuxième portion dans laquelle est monté fretté ledit corps de stator,
caractérisée en ce que ledit premier palier comporte une zone de découplage mécanique apte à se déformer pour découpler un déplacement de ladite première portion par rapport à ladite deuxième portion lors d'un frettage de ladite deuxième portion dudit premier palier autour dudit corps de stator.
L'invention permet ainsi, par la déformation de la zone de découplage lors de l'opération de frettage, de conserver la perpendicularité et la circularité du logement du roulement tout en limitant la déformation du diamètre extérieur du palier. En effet, le déplacement du roulement observé qui peut être de l'ordre de 0.02mm pour un carter classique est réduit à 2 micromètre pour un palier muni de la zone de découplage. L'invention permet ainsi de diviser par dix le déplacement relatif entre les deux portions du palier lors du frettage.
Selon une réalisation, ladite zone de découplage mécanique présente une épaisseur réduite par rapport à une épaisseur de ladite première portion dudit premier palier.
Selon une réalisation, un ratio de l'épaisseur de ladite zone de découplage mécanique divisée par une épaisseur de ladite première portion est compris entre 0.60 et 0.90.
Selon une réalisation, ladite zone de découplage mécanique est formée par au moins deux parois formant un angle non nul entre elles.
Selon une réalisation, ladite machine électrique tournante comporte un deuxième palier positionné autour dudit premier palier pour former une chambre de refroidissement.
Selon une réalisation, une première zone d'accouplement et une deuxième zone d'accouplement entre ledit premier palier et ledit deuxième palier sont configurées pour autoriser un montage dudit premier palier par rapport audit deuxième palier suivant un déplacement axial relatif entre lesdits paliers. Selon une réalisation, ladite première zone d'accouplement comporte un premier logement ménagé dans ledit premier palier recevant une extrémité dudit deuxième palier, et ladite deuxième zone d'accouplement comporte un deuxième logement ménagé dans ledit deuxième palier recevant une extrémité dudit premier palier. Selon une réalisation, ledit premier logement et ledit deuxième logement présentent des formes de cuvettes annulaires ouvertes suivant deux directions axiales opposées l'une par rapport à l'autre.
Selon une réalisation, une surface interne de chaque cuvette annulaire présente une pente, de telle façon que chaque logement présente une section plus grande du côté ouvert que du côté d'un fond dudit logement. Cela permet de faciliter le guidage des extrémités des paliers lors de leur insertion à l'intérieur d'un logement correspondant.
Selon une réalisation, des surfaces externes des extrémités dudit premier palier et dudit deuxième palier sont de forme conique de manière à coopérer de façon complémentaire avec une pente correspondante.
Selon une réalisation, ladite deuxième portion dudit premier palier comporte à sa périphérie externe deux portées de joints positionnées axialement de part et d'autre de ladite chambre de refroidissement.
Selon une réalisation, lesdites portées de joints sont réalisées suivant deux diamètres différents l'un par rapport à l'autre. Une telle configuration permet
d'éviter l'endommagement des joints en évitant leur frottement le long des parois lors de l'assemblage des deux paliers.
Selon une réalisation, une section de ladite chambre de refroidissement est entre deux et trois fois plus grande qu'une section d'une entrée de liquide de refroidissement.
Selon une réalisation, ledit premier palier et ledit deuxième palier sont réalisés dans un matériau à base d'aluminium.
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.
La figure 1 montre une vue en perspective partielle du stator et des paliers d'une machine électrique tournante selon l'invention;
La figure 2 est une vue en perspective éclatée partielle du stator et des paliers d'une machine électrique tournante selon l'invention; La figure 3 est une vue en coupe partielle du stator et des paliers d'une machine électrique tournante selon l'invention;
La figure 4 est une vue détaillée en coupe illustrant la réduction d'épaisseur de la zone de découplage mécanique selon l'invention;
Les figures 5a et 5b sont des vues en coupe illustrant des variantes de réalisation de la zone de découplage mécanique selon l'invention.
Les éléments identiques, similaires ou analogues conservent la même référence d'une figure à l'autre.
Les figures 1 , 2, et 3, montrent une machine électrique tournante 10 comportant un stator 1 1 ayant un corps 13 d'axe X. Le corps 13 est constitué par un empilage de tôles minces formant une couronne, dont la face intérieure est pourvue de dents 14 délimitant deux à deux des encoches 15 ouvertes vers l'intérieur du corps de stator 13. Alternativement, le stator 1 1 pourra être de type segmenté en étant formé par assemblage de portions annulaires de la culasse associées chacune à au moins une dent 14.
Dans l'exemple représenté, le bobinage 19 du stator 1 1 est de type concentrique. Le bobinage 19 est ainsi constitué par plusieurs bobines 20 préformées montées chacune autour d'une dent 14 du stator 1 1 par l'intermédiaire d'un isolant de bobine 21 . En variante, le bobinage 19 pourra être réalisé à partir d'enroulements traversant les encoches 15 du corps de stator 13 et formant des chignons faisant saillie de part et d'autre du corps 13. Les enroulements de phase pourront être 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. Un premier palier 24 comporte une première portion 25 s'étendant transversalement par rapport à l'axe X, c'est-à-dire suivant une direction radiale par rapport à l'axe X. Cette première portion 25 est munie centralement d'un logement 26 recevant un roulement pour le montage à rotation d'une extrémité d'un arbre de rotor. Le palier 24 comporte en outre une deuxième portion 27 ayant globalement la forme d'une jupe annulaire s'étendant axialement depuis la périphérie externe de la première portion 25.
Le corps 13 de stator 1 1 est monté fretté à l'intérieur de la deuxième portion 27 du palier 24. 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 13 de stator 1 1 soit maintenue fixe contre la périphérie interne de la deuxième portion 27 du palier 24.
Le premier palier 24 est fermé axialement par un couvercle (non représenté) en forme de flasque transversal comportant un deuxième logement de roulement pour le montage à rotation de l'autre extrémité de l'arbre de rotor. Un deuxième palier 30 est constitué par une paroi annulaire d'orientation axiale. Ce deuxième palier 30 est positionné autour du premier palier 24 pour former une chambre de refroidissement 31 dans laquelle circule un liquide de refroidissement. La chambre de refroidissement 31 est délimitée par une périphérie externe de la jupe 27 du premier palier 24 et une périphérie interne du deuxième palier 30.
La périphérie externe du corps de stator 13 étant en contact intime avec la périphérie interne du premier palier 24 du fait de l'opération de frettage, cela
permet de faciliter l'évacuation par conduction de la chaleur générée par le bobinage 19 vers la chambre de refroidissement 31 .
Le deuxième palier 30 comporte en outre une entrée 34 et une sortie 35 de liquide de refroidissement visibles sur la figure 2. De préférence, une section de la chambre de refroidissement 31 est entre deux et trois fois plus grande qu'une section de l'entrée 34 de liquide de refroidissement.
Une première zone d'accouplement 38 et une deuxième zone d'accouplement 39 entre le premier palier 24 et le deuxième palier 30 sont configurées pour autoriser un montage du premier palier 24 par rapport au deuxième palier 30 suivant un déplacement axial relatif entre les deux paliers 24 et 30. Le déplacement axial du deuxième palier 30 par rapport au premier palier 24 pour assurer l'assemblage de ces deux éléments est représenté par la flèche F sur la figure 2.
A cet effet, la première zone d'accouplement 38 comporte un premier logement 41 ménagé dans le premier palier 24 recevant une extrémité 42 du deuxième palier 30. La deuxième zone d'accouplement 39 comporte un deuxième logement 43 ménagé dans le deuxième palier 30 recevant une extrémité 44 du premier palier 24. On obtient ainsi un assemblage imbriqué des deux paliers 24 et 30. Un tel assemblage permet d'assurer une liaison entre les deux paliers 24 et 30 évitant toute fuite de la chambre de refroidissement 31 suite à une dilatation différentielle lors d'un fonctionnement à chaud de la machine 10.
En l'occurrence, le premier logement 41 et le deuxième logement 43 présentent des formes de cuvettes annulaires ouvertes suivant deux directions axiales opposées l'une par rapport à l'autre. Une surface interne des cuvettes annulaires présente une pente 47, de telle façon que les logements 41 , 43 présentent une section plus grande du côté ouvert que du côté d'un fond correspondant. Cela permet de faciliter le guidage des extrémités des paliers 42, 44 lors de leur insertion à l'intérieur d'un logement 41 , 43 correspondant. Des surfaces externes 50 des extrémités 42, 44 du premier palier 24 et du deuxième palier 30 sont de forme conique de manière à pouvoir s'insérer de façon complémentaire à l'intérieur du logement 41 , 43
ayant une pente interne 47 lors de la mise en place par coulissement axial du deuxième palier 30 autour du premier palier 24 suivant la flèche F.
La deuxième portion 27 du palier comporte en outre à sa périphérie externe deux portées de joints 51 , 52 positionnées axialement de part et d'autre de la chambre de refroidissement 31 . Les portées de joints 51 , 52 sont formées chacune par une face annulaire externe de la deuxième portion 27 du premier palier 24 munie d'une gorge annulaire destinée à recevoir un joint 53 de type torique par exemple.
Comme cela est illustré par la figure 4, les portées de joints 51 , 52 sont réalisées suivant deux diamètres D1 , D2 différents l'un par rapport à l'autre. Une telle configuration permet d'éviter l'endommagement des joints 53 en évitant leur frottement le long des parois lors de l'assemblage des deux paliers 24, 30. Les paliers 24, 30 sont réalisés dans un matériau moulable bon conducteur thermique, tel qu'un matériau à base d'aluminium. Par ailleurs, comme cela est visible sur les figures 1 , 3, et 4, le premier palier 24 comporte une zone de découplage mécanique 56 apte à se déformer pour découpler un déplacement de la première portion 25 par rapport au déplacement de la deuxième portion 27 lors d'un frettage de la deuxième portion 27 du premier palier 24 autour du corps 13 de stator 1 1 . La zone de découplage mécanique 56 pourra présenter une forme de creux constituant un décrochement par rapport à la première portion 25 du palier. La forme en creux présente une section globalement en forme de U à parois latérales 57, 58 inclinées par rapport à l'axe X et reliées entre elles par un fond 59. Le creux pourra être ouvert axialement vers l'intérieur de la machine. Les parois 57, 58, 59 délimitant la zone de découplage mécanique 56 pourront être reliées entre elles par des coins de forme arrondie ou des coins droits.
La zone de découplage mécanique 56 présente une épaisseur réduite par rapport à une épaisseur de la première portion 25 du premier palier 24. Ainsi, les parois latérales 57, 58 ainsi que le fond 59 présentent une épaisseur E1 de l'ordre de 3.5mm; tandis que l'épaisseur E2 de la section de la première portion 25 en amont et en aval de la zone de découplage mécanique 56 est
de l'ordre de 4mm. On comprend que les termes amont et aval sont entendus par rapport à un sens de déplacement radial allant de l'axe X vers la périphérie externe de la machine.
Le ratio de l'épaisseur E1 des parois 57, 58, 59 divisée par l'épaisseur E2 de la section de la première portion 25 du premier palier 24 est ici égal à 0.87, mais pourra plus généralement être compris entre 0.60 et 0.90. Les parois 57, 58, 59 ont dans l'exemple représenté une même épaisseur E1 . Toutefois, en variante, les parois 57, 58, 59 pourront présenter des épaisseurs différentes, le ratio de l'épaisseur de chaque paroi 57, 58, 59 divisé par l'épaisseur E2 étant compris dans la plage préférentielle précitée.
Dans le mode de réalisation de la figure 5a, la zone de découplage mécanique 56 pourra présenter une forme ondulée de type carrée.
Dans le mode de réalisation de la figure 5b, la zone de découplage mécanique 56 pourra présenter une forme ondulée de type triangulaire ayant des sommets et des creux de forme arrondie.
Alternativement, la zone de découplage 56 pourra présenter toute autre forme adaptée à réaliser la fonction de découplage mécanique entre la première portion 25 et la deuxième portion 27 du premier palier 24 lors du frettage. Quel que soit le mode de réalisation envisagé, la zone de découplage mécanique 56 est formée par au moins deux parois formant un angle non nul entre elles pour augmenter une longueur radiale de la première portion 25 du premier palier 24 et obtenir une dissociation du comportement mécanique à haute température entre la première portion 25 et la deuxième portion 27 du premier palier 24 lors du frettage.
Il est à noter que le rotor de la machine, non représenté sur les figures, 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.
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
1 . Machine électrique tournante (10) comportant:
- un stator (1 1 ) comprenant un corps (13) et un bobinage (19), et
- un premier palier (24) comportant une première portion (25) munie d'un logement de roulement (26) pour le montage à rotation d'un arbre de rotor, et une deuxième portion (27) dans laquelle est monté fretté ledit corps de stator (13),
caractérisée en ce que ledit premier palier (24) comporte une zone de découplage mécanique (56) apte à se déformer pour découpler un déplacement de ladite première portion (25) par rapport à ladite deuxième portion (27) lors d'un frettage de ladite deuxième portion (27) dudit premier palier (24) autour dudit corps de stator (13).
2. Machine électrique tournante selon la revendication 1 , caractérisée en ce que ladite zone de découplage mécanique (56) présente une épaisseur (E1 ) réduite par rapport à une épaisseur (E2) de ladite première portion (25) dudit premier palier (24).
3. Machine électrique tournante selon la revendication 2, caractérisée en ce qu'un ratio de l'épaisseur (E1 ) de ladite zone de découplage mécanique (56) divisée par une épaisseur (E2) de ladite première portion (25) est compris entre 0.60 et 0.90.
4. Machine électrique tournante selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que ladite zone de découplage mécanique (56) est formée par au moins deux parois formant un angle non nul entre elles.
5. Machine électrique tournante selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce qu'elle comporte un deuxième palier (30) positionné autour dudit premier palier (24) pour former une chambre de refroidissement (31 ).
6. Machine électrique tournante selon la revendication 5, caractérisée en ce qu'une première zone d'accouplement (38) et une deuxième zone d'accouplement (39) entre ledit premier palier (24) et ledit deuxième palier
(30) sont configurées pour autoriser un montage dudit premier palier (24) par rapport audit deuxième palier (30) suivant un déplacement axial relatif entre lesdits paliers (24, 30).
7. Machine électrique tournante selon la revendication 6, caractérisée en ce que:
- ladite première zone d'accouplement (38) comporte un premier logement (41 ) ménagé dans ledit premier palier (24) recevant une extrémité (42) dudit deuxième palier (30), et
- ladite deuxième zone d'accouplement (39) comporte un deuxième logement (43) ménagé dans ledit deuxième palier (30) recevant une extrémité (44) dudit premier palier (24).
8. Machine électrique tournante selon la revendication 7, caractérisée en ce que ledit premier logement (41 ) et ledit deuxième logement (43) présentent des formes de cuvettes annulaires ouvertes suivant deux directions axiales opposées l'une par rapport à l'autre.
9. Machine électrique tournante selon la revendication 8, caractérisée en ce qu'une surface interne de chaque cuvette annulaire présente une pente (47), de telle façon que chaque logement (41 , 43) présente une section plus grande du côté ouvert que du côté d'un fond dudit logement (41 , 43).
10. Machine électrique tournante selon la revendication 9, caractérisée en ce que des surfaces externes (50) des extrémités (42, 44) dudit premier palier (24) et dudit deuxième palier (30) sont de forme conique de manière à coopérer de façon complémentaire avec une pente (47) correspondante.
1 1 . Machine électrique tournante selon l'une quelconque des revendications 5 à 10, caractérisée en ce que ladite deuxième portion (27) dudit premier palier (24) comporte à sa périphérie externe deux portées de joints (51 , 52) positionnées axialement de part et d'autre de ladite chambre de refroidissement (31 ).
12. Machine électrique tournante selon la revendication 1 1 , caractérisée en ce que lesdites portées de joints (51 , 52) sont réalisées
suivant deux diamètres (D1 , D2) différents l'un par rapport à l'autre.
13. Machine électrique tournante selon l'une quelconque des revendications 5 à 12, caractérisée en ce qu'une section de ladite chambre de refroidissement (31 ) est entre deux et trois fois plus grande qu'une section d'une entrée (34) de liquide de refroidissement.
14. Machine électrique tournante selon l'une quelconque des revendications 5 à 13, caractérisée en ce que ledit premier palier (24) et ledit deuxième palier (30) sont réalisés dans un matériau à base d'aluminium.
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|---|---|---|---|---|
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