FR3142627A1 - Cooling device for an axial magnetic flux electric machine. - Google Patents
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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. 8bAxial magnetic flux electric machine with 2 stators 10.20 with cooling circuit by a liquid in contact with the coils 13 and the yokes 14. The stators are composed of a carcass 11a, 21 in non-magnetic or composite material comprising a radial part 11ar, 21r more or less disc-shaped, which support stator pads 12 and two more or less cylindrical axial extensions internally 11ai, 21i and externally 11ae, 21e surrounding the windings 13 and the yoke 14. The axial extensions are closed by the covers 16,25 and close the sealed chambers 16a,25a for circulating the cooling fluid. The coolant reaches the cooling chambers via a single conduit 31, located in the highest area of the machine. This conduit discharges the cooling liquid into a radial conduit 33 belonging to the central plate 30 separating the two stators 10,20. The cooling liquid then circulates in an axial conduit 34 in the carcasses 11ae, 21e and at the end of these conduits, a recess 35 gives a passage communicating with the cooling chamber 16a, 25a. Then the cooling liquid arriving in the lower part of the chambers 16a, 25a is evacuated through a recess 35 in communication with two second axial conduits 34 in the axial extensions 11ae, 21e. The cooling liquid then flows into a chamber 33 belonging to the central plate 30 in communication with the single evacuation conduit 32. Figure for abstract: Fig. 8b
Description
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.The present invention relates to a motor or an electric generator called axial magnetic flux comprising at least one discoid rotor with several permanent magnet pads and at least one flat stator of annular shape with several coils distributed radially in a regular manner and whose axis is oriented parallel to that of the rotor.
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.We know two main concepts: that comprising a central stator and two lateral rotors, illustrated by the publication GB2482928, and conversely that comprising a central rotor arranged between two stators, illustrated by the publication FR3064422. Precisely, the invention relates to the second 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.In this concept, the rotor being confined between the stators, it cannot be cooled. If there is excessive heating generated mainly by eddy currents, the magnets can lose their magnetic characteristics when the temperature exceeds a critical value. In addition, radiation heating of the stators can further increase the rotor temperature. The solution proposed in publication FR3110767 to reduce heating is the very strong segmentation of the magnet blocks. The eddy currents are then drastically reduced.
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.In publication FR3046888, each stator is an assembly of identical pads carrying coils. A pad is a radial stack of thin electrically insulated ferromagnetic sheets, of several sizes in order to obtain a trapezoidal shape. The radial stacking of the sheets allows each tooth to form, at the rear, a portion of the cylinder head (looping of the magnetic circuit) and, at the front, the isthmus facing the rotor disk. It is well known that ferromagnetic materials, conductors of electricity, placed in a variable alternating magnetic field are traversed by parasitic electric currents: eddy currents. This creates overheating which reduces the energy efficiency of the machine. The solution proposed to mitigate these energy losses in publication GB2482928 is to replace the stacking of the sheets with a “Soft Magnetic Composites – SMC”. The stator pad is made from a soft iron powder, the particles of which are coated with an electrical insulator. The powder is compressed in a mold to obtain the desired shape, then undergoes a heat treatment to ensure cohesion and mechanical resistance.
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.To make a stator, there are multiple ways to assemble the pads. In publication FR3046888 each portion is attached and held on a support plate by a dovetail, or by insertion into a groove and welding. Each portion can also be glued directly to this plate which is then attached to the casing canvas, common to the water chamber.
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.For a machine thus produced, the cooling means is an exchange by conduction between the cooling liquid circulating in a chamber in each casing and the stator pad, and this through the support plate of the pads and the casing fabric.
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.The cooling capacity determines the maximum power of the machine. Improving cooling is possible by ensuring that the heat sources, Joules effect in the windings, eddy current leading to iron losses are in direct contact with the cooling liquid.
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.the object of this invention is to propose a cooling device which comprises, by stator, a cooling fluid circulation chamber in which the latter is in direct contact with the heat sources.
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.According to a first characteristic, the stator has a carcass made of non-magnetic or composite material comprising a radial plate, supporting the stator pads and two more or less cylindrical axial extensions surrounding internally and externally the windings and the yoke.
Selon une seconde caractéristique, chaque chambre est fermée à l’extrémité des prolongements axiaux par un couvercle en forme d’anneau.According to a second characteristic, each chamber is closed at the end of the axial extensions by a ring-shaped cover.
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.According to other characteristics, the coolant reaches the cooling chambers via a single conduit, located in the highest zone of the machine, supported by the central plate separating the two stators and communicating with a radial conduit produced in the latter .
Le liquide de refroidissement circule ensuite dans un conduit axial interne au prolongement extérieur de la carcasse de chaque stator.The cooling liquid then circulates in an internal axial conduit at the external extension of the carcass of each stator.
A l’extrémité de ce conduit un évidement donne un passage communiquant avec la chambre de refroidissement.At the end of this conduit a recess gives a passage communicating with the cooling chamber.
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.the cooling liquid, arriving in the lower part of the machine, is evacuated through a recess in communication with a second internal axial conduit to the external axial extension of the carcass.
Le liquide de refroidissement se déverse ensuite dans une chambre radiale dans la plaque centrale en communication avec un conduit unique d’évacuation.The coolant then flows into a radial chamber in the central plate in communication with a single discharge conduit.
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 :These characteristics, aims and advantages of the present invention will appear on reading the detailed description which follows and with regard to the appended drawings given by way of non-limiting examples and in which:
La machine électrique présentée selon une première coupe sur la
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.
- of the left stator 10 linked to the casing 70 using screws 72;
- of the right stator 20;
- the central spacer plate 30 which provides a precise axial space between the two stators 10,20;
- of the discoid rotor 40 carried by a bearing 45, assembled using screws 46, and carried by the left stator 10;
- of the resolver 60 (device for measuring the speed of rotation and the angular position of the rotor) whose stator is fixed on the cover 80 by screws 62.
- Finally the cover 80 is fixed on the casing 70 using screws 81. The entire machine is fixed to a transmission (reducer or gearbox) using screws 82.
La coupe de la machine électrique présentée sur la
- 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.
- The centering pin 11c of the two elements 11a, 11b of the carcass 11 of the stator 10, described below;
- Screws 17 for assembling two elements 11a, 11b of the carcass 11 of the stator 10 and the cover 16.
- Screws 18 for fixing the stators 10.20 as well as their cover 16.25 on the central spacer 30.
- The pin 19 for centering the stators 10,20 between them and on the central spacer 30.
- The bolt 26,27 fixing the cover 25 on the carcass 21 of the right stator 20.
La coupe de la machine électrique présentée sur la
Sur la
- 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.
- the peripheral part 11a receives the stator pads 12 on its radial part 11ar in the shape of a crown, and has interior axial extensions 11ai and exterior 11ae which create a volume for accommodating the stator pads;
- the central part 11b has a central bore 11b1 which receives the support axis of the 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.The element 11a is made of non-magnetic material, preferably of fiber-reinforced composite material. As for the stator pads 12, they are fixed, preferably, by gluing in the form of a continuous bead 12a. These pads are made of soft magnetic composite powder “Soft Magnetic Composites”. This material offers satisfactory performance and above all low energy losses through eddy current. The shape, obtained by molding, and the assembly of the studs make it possible to simply create the isthmus between two consecutive studs.
L’élément 11b est en acier. Il est rapporté sur l’élément 11a par collage ou vis temporaire et positionné par les pions 11c.Element 11b is made of steel. It is attached to element 11a by gluing or temporary screw and positioned by pins 11c.
Au stade d’assemblage présenté à droite de la
- 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.
- docking of the spacer plate indexed F1a ;
- the common face of the stator pads 12 facing the rotor and said to be functional, indexed F1b ;
- the bearing face of the air gap balancing washer on which the rotor guide bearing, indexed F1c , docks;
- finally the perpendicularity of the axis G (axis common with the axis of rotation of the rotor) with the face F1 is guaranteed.
La
Sur la
Au stade d’assemblage présenté à droite de la
- 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.
- the docking of the spacer plate 30, indexed F2a ;
- the common face of the stator pads 12 facing the rotor and called functional, indexed F2b .
La
La
La
- 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.
- a supporting structure 41,a in the shape of a “sun” because it is composed of a cylindrical central part, from which several radial branches extend. This structure can be made of non-magnetic material or fiber-filled resin composite;
- of several sectors of magnets 41,b each of which can be in one piece or segmented. They are glued to the “sun” structure 41a;
- a “ringing” 41,c also called a hoop to counter the centrifugation of the magnets.
La
La
La
Claims (7)
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.Axial magnetic flux electric machine
characterized in that the stators 10,20 have a carcass 11a, 21 made of non-magnetic or composite material comprising a radial part 11ar, 21r more or less disc-shaped, which support stator pads 12 and two axial extensions more or less internally cylindrical 11ai, 21i and externally 11ae, 21e surrounding the windings 13 and the cylinder head 14.
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