Brevet FR3093252A1 — publié le 20200828

Description Titre de l'invention : Bobinage de machine électrique à refroidissement amélioré Domaine technique [0001] L'invention concerne le domaine du refroidissement des machines électriques de forte densité de puissance et elle concerne plus particulièrement un bobinage présentant un refroidissement amélioré et tout ensemble comportant un tel bobinage. Technique antérieure [0002] Le développement des avions « plus électriques » et le besoin subséquent de machines électriques de forte puissance (de l'ordre de la centaine de kW à quelques MW) requière une piise 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 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 bobinages 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. 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 bobinages 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 des bobinages 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. 2 Des buses peuvent être utilisées pour refroidir les périphéries axiales ou extérieures des têtes de bobines (il s'agit d'une méthode dite de refroidissement par spray). Alternativement, un fluide de refroidissement peut circuler dans le rotor de la machine, généralement de l'huile ou du carburant, 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 par frottement supplémentaires. Un autre réside dans l'endommagement potentiel des isolants par phénomène d'érosion si la vitesse de pulvérisation est trop importante. [0006] La figure 3 est une vue éclatée simplifiée d'une machine électrique 40 ayant un arbre de rotation longitudinal 42 et comportant un rotor feuilleté 44 dans les encoches desquelles sont montés des aimants permanents et un stator également feuilleté 46, l'ensemble rotor-stator étant montés dans un carter 48. Le stator comporte une pluralité d'enroulements (conducteurs 50) entourant des parties correspondantes du stator (noyaux, culasses ou pôles 52) et dont une partie 54 émerge à la périphérie extérieure. Cette partie émergente des conducteurs est mise en contact avec un refroidisseur du type dissipateur à ailettes 56 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 d'échange du dissipateur, puis par convection avec l'air ambiant via des ailettes de ce dissipateur, les ailettes augmentant la surface de convection et donc la dissipation de la chaleur. [0007] Le recours aux matériaux à changement de phase (MCP) comme alternative simple et légère pour le refroidissement des machines électriques et des transformateurs, et notamment l'utilisation de caloducs ou l'intégration clans le carter ou l'élément électronique de la machine électrique à refroidir, est connu. Il a été aussi proposé d'utiliser ces matériaux à changement de phase directement dans le matériau d'imprégnation des bobinages (typiquement une résine époxy) pour améliorer leur tenue mécanique et thermique et augmenter l'isolation électrique entre conducteurs. [0008] Cependant, dans un environnement contraint (baie ou moteur thermique faiblement ventilé), ces solutions ne permettent pas un refroidissement suffisant des bobinages pour absorber les pertes associées à la densité de courant exigée pour les fortes puissances. Ceci s'explique par la distance entre le matériau à changement de phase et les zones les plus sollicités thermiquement des bobinages (têtes de bobines), qui ne permet pas une absorption suffisamment rapide de la chaleur, et entraine donc une augmentation de la température des bobinages. Exposé de l'invention 3 100091 L'invention propose donc une nouvelle structure de refroidissement de bobinages qui améliore les propriétés de transferts thermiques (maximise les échanges thermiques), par convection comme par conduction, des machines électriques. Un but de l'invention est aussi de réduire autant que possible les pertes par effets Joule. [0010] Pour cc faire, il est divulgué un ensemble comprenant un bobinage et un refroidisseur en contact avec des conducteurs de cc bobinage, caractérisé en que le refroidisseur comprend un conteneur comprenant un matériau à changement de phase ayant la capacité à absorber un surplus de quantité de chaleur lorsque les conducteurs du bobinage sont soumis à une augmentation de leur densité de courant. [0011] Ainsi, en recourant à un matériau à changement dc phase pour refroidir les conducteurs et notamment les têtes de bobines (statoriques, ou rotoriqucs dans les machines à induction) de bobinages par exemple des machines électriques, il est possible d'absorber une quantité importante de chaleur, tout en limitant la température maximale atteinte. En outre, en plaçant ces matériaux à proximité directe des bobinages, on peut extraire rapidement les calories produites par ces derniers. [0012] De préférence, le matériau à changement de phase a une température de changement de phase comprise entre 100°C et 300°C et est avantageusement un nitrate ou un hydroxyde préférablement chargé avec du graphite. [0013] Selon un mode de réalisation particulier, le conteneur forme dissipateur thermique réalisé en au moins deux parties creuses emboitables entre elles et destinées à recevoir le matériau à changement de phase et le dissipateur thermique est de préférence en un matériau isolant électrique et conducteur thermique ayant une conductivité thermique supérieure à 10 W/(m.K). [0014] De préférence, lorsque le dissipateur thermique est réalisé en un matériau conducteur électrique, un matériau isolant électrique et conducteur thermique est disposé entre les conducteurs et le dissipateur thermique. Ce matériau isolant électrique et conducteur thermique est par exemple l'alumine ou l'alumide. [0015] Avantageusement, le dissipateur thermique est en contact direct avec un carter pour permettre le transfert de chaleur par conduction vers l'extérieur avant ou après le changement de phase du matériau à changement de phase. [0016] Selon un autre mode de réalisation, le conteneur forme un moule recouvrant les conducteurs du bobinage et les noyant dans le matériau à changement de phase. [0017] L'invention concerne également une machine électrique, un transformateur ou un inducteur comportant un bobinage tel que décrit précédemment. Brève description des dessins [0018] D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la des- cription détaillée faite ci-dessous, en référence aux figures suivantes dépourvues de tout caractère limitatif et sur lesquelles : [0019] [fig.1A] La figure lA illustre en vue externe et de façon simplifiée une machine électrique comportant des bobinages à refroidissement amélioré selon la présente invention, [0020] [fig.113] La figure 1B illustre en vue externe des têtes de bobines d'une machine à bobinage distribuée et son refroidisseur associé selon la présente invention, [0021] [fig.1C] La figure 1C illustre en vue externe des têtes de bobines d'une machine à bobinage distribuée et conducteurs ronds et son refroidisseur associé selon la présente invention, [0022] [fig.2] La figure 2 est une courbe illustrant l'évolution de la température pour dif- férentes résistances thermiques de contact du bobinage, et [0023] [fig.3] La figure 3 montre un exemple de machine électrique de l'art antérieur. Description des modes de réalisation [0024] La figure 1A illustre très schématiquement une machine électrique comportant un rotor externe comprenant une culasse rotoriquc 12 sur la surface de laquelle sont disposés des aimants permanents 14 et un stator interne comprenant une culasse statorique 16, concentrique au rotor. Autour de chaque dent 18 de ce stator est enroulée un bobinage 20 formé d'une multiplicité de conducteurs et ayant un corps dc bobine 22 et deux têtes de bobines 24 (la seconde opposée à la première n'étant pas représentée) émergeant à la périphérie 18A dc ce corps. Chaque tête de bobine 20 comprend une surface périphérique intérieure 20A, une surface périphérique radiale intérieure 20B et une surface périphérique radiale extérieure 20C. [0025] Conformément à l'invention, chaque tête de bobine 24 est montée sur un conteneur formant dissipateur thermique 26 pour extraire rapidement les calories produites par ces conducteurs et augmenter la surface d'échange entre les conducteurs et l'environnement. Le dissipateur thermique qui est avantageusement formé en deux parties creuses 26A, 26B ernboitables l'une dans l'autre, est interposé entre le corps et les conducteurs de la tête de bobine et comporte une cavité interne 26C pour recevoir à l'état liquide un matériau à changement de phase (MCP 28) ayant la capacité à absorber un surplus dc quantité de chaleur lorsque les conducteurs du bobinage sont soumis à une augmentation de leur densité de courant et cela sans augmenter la température maximale atteinte piloté par la limite intrinsèque des isolants utilisés. Plus précisément, la surface périphérique intérieure 20A de la tête de bobine vient recouvrir la partie du dissipateur thermique comportant le matériau de changement de phase 28 et les surfaces périphériques radiales intérieure 20B et extérieure 20C de la tête de bobine sont mises en contact avec des parois de ce dissipateur thermique assurant ainsi une retenue des conducteurs. [0026] Afin de pouvoir intégrer les matériaux à changement de phase dans un bobinage d'une machine électrique, ces matériaux devront avoir une température de changement de phase de l'ordre de 100°C à 300°C. Ils pourront être des nitrates ou des hydroxydes (LiNO3, NaNO3, L12CO3 ...) préférablement chargés avec du graphite et le changement de phase devra avoir la propriété d'être le plus congruent possible afin de garantir un cycle liquide-solide très important. [0027] Le dissipateur thermique pourra être réalisé dans un matériau isolant électrique et conducteur thermique ayant une bonne conductivité thermique (supérieure à 10 ou 20 W/(m.K), les matériaux à changement de phase ayant une faible conductivité thermique, de l'ordre dc 0,15 W/(m.K). Si, par contre, le dissipateur thermique est réalisé dans un matériau conducteur électrique, un matériau isolant électrique et conducteur thermique devra être disposé entre les conducteurs et le dissipateur thermique. Des matériaux appropriés tels que l'alumine ou l'alumide ont été identifiés comme de bons conducteurs thermiques et isolants électriques. [0028] Une autre solution qui n'est pas limitée au bobinage concentrique précédent est illustrée à la figure 1B et concerne un bobinage distribué d'un stator de machine à bobinage distribué dont des têtes de bobine de cette machine portent la référence 30. Ces têtes de bobine peuvent par exemple recevoir un conteneur formant dissipateur thermique 32 pouvant être inséré à la périphérie des bobinages pour les refroidir. Comme dans l'exemple précédent, ce dissipateur thermique 32 destiné à être rempli d'un matériau à changement de phase liquide-solide, peut être fabriqué en plusieurs parties creuses qui seront ensuite emboitées entre elles. [0029] Dans tous les cas envisagés, le dissipateur thermique pourra être en contact direct avec le carter ou les bouchons d'encoche pour permettre le transfert de chaleur par conduction vers 1"extérieur avant ou après le changement de phase des matériaux à changement de phase. [0030] Encore une autre solution illustrée à la figure 1C consiste à mettre les conducteurs (isolés électriquement) directement en contact d'un matériau à changement de phase et à placer alors un conteneur formant une chemise étanche 34 (type moule à savarin par exemple) autour des têtes de bobines pour contenir la dispersion du matériau lorsque celui-ci est à l'état liquide. On peut noter que, dans ce cas, le matériau à changement de phase étant directement au contact des conducteurs, la chemise étanche (le moule recouvrant les conducteurs et les noyant dans le MCP) n'a pas besoin d'être réalisée dans un matériau ayant une bonne conductivité thermique, la chaleur n'ayant pas à la traverser avant d'être absorbée par le matériau à changement de phase. [0031] Lorsqu'il est en contact direct avec le bobinage, le matériau à changement de phase ne devra toutefois pas être instable chimiquement et être d'un caractère neutre (non corrosif) afin de ne pas venir dégrader ou corroder l'isolant ou le cuivre. 6 [0032] Des premiers résultats issus de simulation numérique d'une intégration de matériaux à changement de phase à proximité des bobinages sont présentés sur la figure 2 qui montre l'évolution de la température du bobinage pour plusieurs résistances thermiques de contact. Sur un cycle bien défini, on s'aperçoit que la température atteinte sans un tel matériau (cas de référence - première droite) pourrait être au-delà de 200°C, cc qui aurait comme conséquence par exemple la dégradation de l'isolant du bobinage. Par contre, en ajoutant un matériau à changement de phase et en prenant en considération une résistance thermique optimisée entre le matériau et son support, la température maximale atteinte sur le composant sensible restera en-dessous de sa température limite (courbes suivantes). [0033] Ainsi avec l'invention, on obtient une augmentation des performances électroma- gnétiques par l'augmentation de l'intensité du courant électrique traversant le bobinage, nettement supérieure à celle des machines de l'art antérieur. Alternativement, on obtient une réduction de la section du fil des conducteurs et donc une diminution de la masse de la machine. Enfin, le système de refroidissement est simplifié (pas de ventilateur ou de pompe donc pas de risques de pannes) et léger. [0034] -11 est important dc noter que le domaine de l'invention ne se limite pas au refroi- dissement des bobinages de machines électriques mais inclue également le refroidissement de tout système comportant des éléments bobinés, comme des inducteurs ou des transformateurs. 7