Brevet FR3093250A1 — publié le 20200828

Description Titre de l'invention : Bobine de machine électrique à refroidissement amélioré Domaine technique [0001] L'invention concerne le domaine du refroidissement des machines électriques de forte puissance et elle concerne plus particulièrement une bobine de machine électrique à refroidissement amélioré et toute machine comportant une telle bobine. Technique antérieure [0002] Le développement des aéronefs « plus électriques » et le besoin subséquent de machines électriques à forte densité de puissance et forte puissance (de l'ordre de quelques dizaines de kW à quelques MW) requière une prise en compte des transferts thermiques dès la phase de conception des machines électriques, les densités de courant pouvant en effet atteindre des valeurs très élevées. [0003] Dans ce contexte, les bobinages (ou bobines) sont fréquemment les principales sources de pertes dans les machines électriques. Or, la température maximale des bobinages (dictée par la température maximale des isolants des conducteurs) limite la densité de courant que peut supporter la machine. En outre, la résistivité des conducteurs de ces bobines et les pertes Joule subséquentes augmentent avec la température, ce qui peut diminuer le rendement de la machine. [0004] Les solutions communément employées pour le refroidissement des machines électriques sont essentiellement de trois ordres : la convection naturelle, la convection forcée par air et la convection forcée par liquide. La convection naturelle est la solution la plus simple, pour laquelle la chaleur est évacuée en grande partie par le carter de la machine. La convection forcée par air inclue généralement un ventilateur, qui augmente le coefficient d'échange thermique global mais a des désavantages en termes de fiabilité et réduction de la masse globale, en particulier si le ventilateur est placé à l'extérieur de la machine. La convection forcée par liquide de type « chemise à eau» permet une bonne extraction de la chaleur, mais le système de circulation du fluide peut nécessiter l'ajout d'une pompe et d'un échangeur de chaleur, ce qui complexifie notablement le système de refroidissement. Toutefois, dans la plupart des systèmes de refroidissement décrits précédemment, la chaleur produite dans les bobines doit traverser la culasse puis le carter de la machine avant d'être évacuée vers l'extérieur. [0005] Une solution pour améliorer les transferts thermiques est donc d'assurer un refroi- dissement direct des têtes de bobine qui, en raison de leur position à la périphérie de la machine, forment généralement. un point chaud de la machine. Diverses méthodes connues permettent. ce refroidissement direct des têtes de bobines. Des buses peuvent 2 être utilisées pour refroidir les périphéries axiales ou extérieures des têtes de bobines. Alternativement, un fluide de refroidissement peut circuler dans le rotor de la machine, et être pulvérisé directement sur les têtes de bobines grâce à l'effet centrifuge provoqué par la rotation du rotor. Dans ce cas, le fluide entre en contact avec la périphérie intérieure des têtes de bobines. Un désavantage de ces méthodes est que de l'huile peut s'introduire dans l'entrefer, ce qui pourra induire des pertes aérodynamiques. Un autre réside dans l'endommagement potentiel des isolants si la vitesse de pulvérisation est trop importante. [0006] La figure 3 est une vue éclatée simplifiée d'une machine électrique 30 ayant un arbre de rotation longitudinal 32 et comportant un rotor feuilleté 34 dans lequel sont montés des aimants permanents et un stator également feuilleté 36, l'ensemble rotor-stator étant monté dans un carter 38. Le stator comporte une pluralité d'enroulements (conducteurs 40) entourant des parties correspondantes du stator (dents 42) et dont une partie 44 émerge à la périphérie extérieure de ces dents. Cette partie émergente des conducteurs est mise en contact avec un dissipateur 46 pour évacuer la chaleur produite dans les têtes de bobines vers la périphérie de la machine. La dissipation est faite par conduction entre les têtes de bobines et une surface inférieure du dissipateur, puis par convection avec l'air ambiant via des ailettes de ce dissipateur. Les ailettes augmentent la surface de convection et donc la dissipation de la chaleur. Exposé de l'invention [0007] L'invention propose donc une nouvelle structure de têtes de bobines qui améliore les propriétés de transferts thermiques, par convection comme par conduction, des machines électriques. Un des buts de l'invention est aussi de réduire autant que possible les pertes par effets joules. [0008] Pour ce faire, il est divulgué une bobine ayant un corps de bobine et des têtes de bobine formés de conducteurs entourant une ou plusieurs dents, les têtes de bobine émergeant à la périphérie d'un circuit magnétique et comprenant chacune une surface périphérique intérieure, une surface périphérique extérieure et une surface périphérique axiale, bobine caractérisée en que l'une au moins de ces surfaces périphériques comporte des ailettes pour augmenter la surface d'échange de chaleur avec les conducteurs. [0009] Ainsi, en proposant une intégration des ailettes au niveau des têtes de bobine on améliore notablement l'évacuation de la chaleur dans la machine du fait de l'augmentation de la surface d'échange entre les conducteurs et un fluide de refroidissement (dans le cas d'un transfert de chaleur par convection) ou entre les conducteurs et un élément solide, par exemple le carter de la machine, ou un caloduc (cas d'un transfert de chaleur par conduction). 3 100101 Selon le mode de réalisation envisagé, les ailettes peuvent se présenter sous la forme d'un tapis de dents ou de pointes ou d'une structure en treillis et les têtes de bobines sous la forme de «T ». [0011] Avantageusement, les têtes de bobine et les ailettes peuvent être fabriquées par coulage sous pression ou les ailettes peuvent être réalisées par fabrication additive. [0012] De préférence, les ailettes peuvent être d'un matériau différent de celui des conducteurs formant les têtes dc bobine. [0013] Avantageusement, afin d'éviter tout effet d'électrolyse, lorsque que les ailettes sont en un matériau métallique différent de celui des conducteurs formant les têtes de bobine, la bobine comporte un matériau isolant électrique et conducteur thermique disposé entre ces ailettes et les conducteurs. [0014] L'invention concerne également toute machine électrique, par exemple un générateur synchrone à trois étages, comportant une bobine telle que décrite précédemment. Brève description des dessins [0015] D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront dc la des- cription détaillée faite ci-dessous, en référence aux figures suivantes dépourvues dc tout caractère limitatif et sur lesquelles : [0016] [fig. I _I La figure 1 illustre en vue externe et de façon simplifiée une machine électrique comportant des bobines à surfaces d'échanges améliorées selon la présente invention, [0017] [fig.21 La figure 2 est une courbe illustrant l'évolution de la température en fonction du coefficient d'échange thermique dans une bobine de l'invention, et [0018] [fig.31 La figure 3 montre un exemple de machine électrique de l'art antérieur. Description des modes de réalisation 100191 La figure 1 illustre très schématiquement une machine électrique comportant un rotor, par exemple feuilleté 12, dans lequel sont disposés des aimants permanents 14 et un stator 16 pouvant également être feuilleté. Autour de chaque dent 18 de ce stator est enroulée une bobine 20 formée d'une multiplicité de conducteurs et ayant un corps de bobine 22 et deux têtes de bobines 24 (la seconde opposée à la première n'étant pas représentée) émergeant à la périphérie 16A du circuit magnétique. Chaque tête de bobine 20 comprend une surface périphérique intérieure 20A, une surface périphérique extérieure 20B et une surface périphérique axiale 20C. 100201 Conformément à l'invention, l'une au moins des surfaces périphériques intérieures 20A, extérieures 20B et axiales 20C comporte des ailettes 26 pour augmenter la surface d'échange de chaleur avec les conducteurs de la bobine. Par ailette, on entend toute structure ou texture de surface ayant un impact important sur le transfert de chaleur par augmentation de la surface d'échange (un tapis de dents ou de pointes 28A ou une structure en treillis 28B par exemple pourraient convenir). [0021] La surface d'échange des têtes de bobines peut être augmentée davantage en employant une structure en forme de «T ». La présence d'un plus grand nombre d'ailettes permet d'augmenter la quantité de chaleur extraite au niveau des têtes de bobine, cc qui permet de réduire par ailleurs la section des conducteurs sur la longueur active de la machine. Le poids global de la machine peut donc ainsi être réduit. [0022] Cet échange de chaleur peut se produire via un fluide de refroidissement susceptible de venir en contact avec les ailettes si le transfert de chaleur se fait par convection, ou via un refroidisseur solide si le transfert de chaleur se fait par conduction. Un tel refroidisseur solide peut être un dissipateur thermique ou un caloduc ou plus simplement le carter de la machine. Un tuyau de refroidissement, similaire à ceux utilisés pour les chemises d'eau, peut également être intégré aux têtes de bobines. [0023] Plus particulièrement, lorsque ce fluide de refroidissement est de l'air (convection naturelle), les ailettes peuvent être situées sur ces trois surfaces périphériques des têtes de bobines. Lorsque cet air est amené par convection forcée, les ailettes peuvent être situées également à la périphérie intérieure, extérieure et axiale des têtes de bobines en fonction de la direction de l'écoulement du ventilateur. Enfin, lorsque le refroidissement est assuré par un spray d'huile, les ailettes seront situées en fonction des zones visées par le spray. A savoir, à la périphérie intérieure 20A pour un spray venant de l'inertie du rotor et à la périphérie axiale 20C pour un spray venant des couvercles d'extrémités. [0024] Avec l'invention la surface de contact entre les têtes de bobines et le fluide de refroi- dissement (air ou liquide) ou avec le refroidisseur solide est optimisée. La présence des ailettes peut entrainer en outre une réduction des pertes joules dans les têtes de bobines grâce à l'augmentation de la section. La présence des ailettes augmentant le poids total des bobines, on veillera toutefois à optimiser la machine dans son ensemble. [0025] L'intégration des ailettes sur la bobine est effectuée lors de sa fabrication par coulage sous pression (bobine et ailettes sont alors en un même matériau) ou fabrication additive par exemple, ce dernier cas facilitant la réalisation de formes complexes (structure en treillis notamment ne pouvant être réalisées que par fabrication additive) permettant d'optimiser la surface d'échange. Plus précisément, si les ailettes sont fabriquées additivement, il peut être avantageux de les réaliser dans un matériau différent de celui de la bobine. Dans le cas d'ailettes en matériau métallique et afin d'éviter tout effet d'électrolyse, on ajoutera un matériau bon isolant électrique et bon conducteur thermique pour séparer la bobine et les ailettes. L'isolation électrique des conducteurs est ensuite ajoutée aux endroits nécessaires, par les méthodes usuelles de fabrication. [0026] On notera que le coulage sous pression ou à la fabrication additive évitant le recours à un enroulement de fils, on s'affranchit de la contrainte sur la longueur de ces fils existant dans les machines électriques dites « classiques », le rayon de courbure minimal des têtes de bobines entrainant en effet une contrainte sur leur longueur, ce qui typiquement a pour conséquence d'augmenter la longueur axiale de la machine. en s'affranchissant de la contrainte liée au rayon de courbure minimum des têtes de bobine, on peut réduire la taille de ces têtes de bobine, cc qui entraîne une réduction de l'encombrement de la machine ainsi que des pertes joules. [0027] On notera également, que bien que les matériaux employés actuellement en fa- brication additive soient caractérisés par une résistivité plus élevée, l'optimisation de l'ensemble « bobine et ailettes » et la réduction de la section active des conducteurs duc au grand nombre d'ailettes s'accordent bien à un fonctionnement à haute fréquence. En effet, les pertes AC additionnelles générées dans la partie active des conducteurs sont réduites lorsque la résistivité augmente. Il en résulte une réduction des pertes globales dans la machine qui a notamment été vérifiée par les inventeurs dans le cas de moteurs synchrones à barres massives. [0028] La figure 2 montre l'évolution du coefficient d'échange thermique avec la tem- pérature pour les trois types de refroidissement précités : convection naturelle par air A, convection forcée par air B et convection forcée par liquide C. Les inventeurs ont observé que l'intégration d'ailettes à la périphérie des têtes de bobines permet d'améliorer l'évacuation de la chaleur dans les machines électriques. Ceci a été notamment vérifié pour des générateurs synchrones à trois étages. [0029] 11 est important de noter que le domaine de l'invention ne se limite pas au refroi- dissement des bobines de machines électriques mais inclue également le refroidissement de tout système comportant des éléments bobinés, comme des inducteurs ou des transformateurs. 6