Brevet FR3123166A1 — publié le 20221125

Bobine préformée (1) munie d’au moins une spire (2), la partie de la bobine préformée (1) au voisinage des connecteurs électriques de la bobine préformée (1) formant une encoche (4), la partie de la bobine préformée (1) opposée à l’encoche (4) formant la tête (3) de bobine. Au moins une spire (2) comprend au moins un canal de refroidissement (5) conçu pour la circulation d’un fluide caloporteur, le au moins un canal de refroidissement (5) étant situé dans la spire (2) au niveau de la tête (3) de bobine. Figure pour l’abrégé : Fig 1 Bobine préformée munie de canaux de refroidissement intégrés au sein des spires L’invention a pour domaine technique les machines électriques, en particulier le refroidissement des machines électriques à bobinage concentrique préformé. Etat de la technique L’effet Joule est à l’origine d’un dégagement de chaleur dans lors qu’un conducteur est parcouru par un courant. Cet effet s’applique à tous les conducteurs, notamment à ceux présents dans le bobinage des machines électriques. La chaleur issue de l’effet Joule dans les bobinages statoriques représente typiquement la majorité de la chaleur à extraire au sein d’une machine électrique. La tendance actuelle est à la recherche de solutions de refroidissement direct des conducteurs permettant d’évacuer à sa source la chaleur générée et de limiter l’apparition de points chauds. On utilise notamment un fluide caloporteur circulant à l’intérieur d’un conducteur creux ou par l’intermédiaire d’une encoche immergée. De l’état de la technique antérieure, on connait les documents suivants. Le document Wohlers et al. (Constantin Wohlers and Bernd Ponick, “First estimations of stator dimensions for permanent magnet synchronous machines with tooth-coil windings and direct liquid cooling”, International Conference on Electrical machines (ICEM’20), Virtual conference, 2020) propose de faire circuler un fluide entre les spires d’une bobine préformée. Aucun fluide ne circule à l’intérieur des conducteurs, car des espaces sont laissés libres entre les conducteurs pour cette circulation au sein de la partie active de la machine. Les documents Wu et al. (Fan Wu and Ayman El-Refaie, “Additively Manufactured Hollow Conductors with Integrated Cooling for High Specific Power Electrical Machines”, International Conference on Electrical machines (ICEM’20), Virtual conference, 2020 et Fan Wu and Ayman El-Refaie, “Additively Manufactured Hollow Conductors Integrated with Heat Pipes: Design Tradeoffs and Hardware Demonstration”, International Conference on Electrical machines (ICEM’20), Virtual conference, 2020) proposent de placer des canaux de refroidissement ou des caloducs au sein des conducteurs d’une machine électrique. Les canaux de refroidissement ou caloducs sont placés au sein de la partie active de la machine (i.e. dans l’encoche), ce qui, comme mentionné précédemment, limite l’espace disponible pour les bobinages, et augmente donc potentiellement les pertes par effet Joule. Dans ces documents, les parties actives de la machine électrique sont utilisées pour le refroidissement, ce qui limite l’espace disponible pour les bobinages. Cela résulte en une potentielle augmentation des pertes par effet Joule au sein du bobinage, puisque celles-ci sont inversement proportionnelles à la section des conducteurs. La demande de brevet d’invention FR2011287) (« Matériaux à changement de phase intégrés aux têtes de bobine », 2020) propose des bobines préformées dans lesquelles, les têtes de bobines sont creuses et remplies d’un matériau à changement de phase, contribuant à leur refroidissement. La demande de brevet EP3224482A1 propose des canaux de refroidissement non étanches intégrés au niveau du rotor pour le refroidissement à air d’une machine électrique asynchrone. Les problèmes techniques associés à ces deux solutions de refroidissement direct des bobinages comprennent le compromis à trouver entre pertes par effet Joule et refroidissement (zone de l’encoche réservée à la circulation du fluide), les propriétés diélectriques du fluide à assurer (ex: pollution, présence de bulles d’air dans le fluide), les pertes de charges importantes (ex: nombre de spires élevé, impliquant des conduits de grande longueur), les risques d’obstruction associés à un diamètre d'ouverture réduit pour les conducteurs creux et les difficultés à maintenir une étanchéité satisfaisante, par exemple au niveau de l'entrefer. La présente invention a pour objectif de répondre à ces problèmes techniques. Un objet de l’invention est une bobine préformée munie d’au moins une spire, chaque spire comprenant des parties électromagnétiquement actives et des parties électromagnétiquement passives formant au moins une tête de bobine. Au moins une spire comprend au moins un canal de refroidissement conçu pour la circulation d’un fluide caloporteur, le au moins un canal de refroidissement étant situé dans la spire au niveau d’une tête de bobine. Au moins un canal de refroidissement peut déboucher sur l’extérieur sur la tranche de la spire parallèlement à une direction allant d’une tête de bobine à une partie active. Au moins un canal de refroidissement peut déboucher sur l’extérieur sur la tranche de la spire perpendiculairement à une direction allant de la tête de bobine à une partie active. La bobine préformée peut comprendre au moins une tête de bobine présentant une section plus importante que la section d’une autre tête de bobine. Un canal de refroidissement peut se terminer par une excroissance tubulaire, conçue pour favoriser la connexion d’une conduite hydraulique. Un canal de refroidissement peut être muni d’ailettes ou de protubérances, conçues pour augmenter la surface de contact avec le fluide caloporteur. Un autre objet de l’invention est une machine électrique comprenant un rotor et un stator, le stator étant formé par l’assemblage d’au moins trois bobines préformées telles que décrites ci-dessus disposée chacune autour d’un noyau, les bobines étant juxtaposées de sorte que leurs parties actives soient disposées axialement entre deux noyaux adjacents, les têtes d’une bobine étant disposées de part et d’autre d’un noyau, la machine électrique étant munie par ailleurs d’un système de circulation du liquide caloporteur et d’un échangeur thermique, auxquels les canaux de refroidissement sont reliés hydrauliquement. Un autre objet de l’invention est un aéronef muni d’une machine électrique telle que décrite ci-dessus. est une vue plongeante illustrant une bobine préformée selon un premier mode de réalisation de l’invention, illustre une vue latérale illustrant une bobine préformée selon un premier mode de réalisation de l’invention, illustre une autre vue latérale illustrant une bobine préformée selon un premier mode de réalisation de l’invention, illustre un premier mode de réalisation d’un stator, illustre un deuxième mode de réalisation d’un stator, illustre un troisième mode de réalisation d’un stator, est une vue plongeante illustrant une bobine préformée selon un deuxième mode de réalisation de l’invention, illustre une vue latérale illustrant une bobine préformée selon un deuxième mode de réalisation de l’invention, est une vue plongeante illustrant une bobine préformée selon un troisième mode de réalisation de l’invention, illustre une vue latérale illustrant une bobine préformée selon un troisième mode de réalisation de l’invention, est une vue plongeante illustrant une bobine préformée selon un quatrième mode de réalisation de l’invention, illustre une vue latérale illustrant une bobine préformée selon un quatrième mode de réalisation de l’invention, et illustrent l’inclusion d’ailettes ou de protubérances dans les canaux de refroidissement selon l’invention, illustre un quatrième mode de réalisation d’un stator, et est une vue plongeante illustrant une bobine préformée selon un cinquième mode de réalisation de l’invention. Description d’au moins un mode de réalisation Afin de résoudre les problèmes techniques identifiés précédemment, les inventeurs ont proposé d’intégrer des canaux de refroidissement au niveau des têtes de bobines de la machine électrique. La est une vue plongeante illustrant un tel mode de réalisation. Une bobine préformée 1 comprend un empilement de cinq spires 2 connectées en série et alimentées par deux connecteurs électriques disposés d’un même côté de la bobine et par l’intermédiaire desquels le courant est injecté dans la bobine. Chaque spire 2 comprend des parties électromagnétiquement actives 4 et une tête de bobine 3 comprenant les parties électromagnétiquement passives. Les têtes de bobine 3 se situent ainsi alternativement de part et d’autre de la bobine 1. On rappelle que la bobine préformée 1 est destinée à être disposée entre des noyaux successifs du stator d’une machine électrique tel qu’illustré par la . Les parties électromagnétiquement actives 4 sont alors disposées autour d’un noyau 7, et contribuent au champ magnétique généré. Les parties électromagnétiquement passives sont disposées à proximité immédiate d’un seul noyau 7 et ne contribuent pas significativement au champ magnétique généré. Un canal de refroidissement 5 est ménagé dans l’épaisseur de chaque spire 2 au niveau des têtes de bobine 3 d’un même côté de la bobine. Ici, il s’agit des têtes de bobine les plus éloignées des connecteurs électriques. En d’autres termes, une tête de bobine sur deux est munie d’un canal de refroidissement 5. Chaque spire 2 est ainsi traversée de part en part par un canal de refroidissement s'étendant perpendiculairement à une direction allant de la tête de bobine à la partie active. La illustre une vue latérale de la bobine préformée 1 illustrée sur la , sur laquelle est visible le placement des canaux de refroidissement 5 par rapport à la bobine préformée, en particulier leur placement au plus près de la tête de bobine. La illustre une autre vue latérale de la bobine préformée vue depuis la partie active selon la direction axiale du stator, sur laquelle sont visibles les connexions inter spires ainsi que les canaux de refroidissement 5. Cette vue permet d’illustrer le côté traversant des canaux de refroidissement 5. La configuration adoptée dans ce mode de réalisation repose sur le fait que l’espace au niveau des têtes de bobine n’est typiquement pas contraint comme dans la partie active. L’insertion de canaux de refroidissement en est facilitée. Dans un stator formé par un ensemble de bobines préformées 1, les canaux de refroidissement de chaque spire 2 peuvent être connectés en parallèle. On limite ainsi les pertes de charge au niveau de la circulation du fluide caloporteur. La illustre un mode de réalisation d’un stator 6 comprenant dans l'exemple dix bobines préformées 1 de cinq spires 2 chacune, et dont les canaux de refroidissement sont reliés en parallèle. On obtient dans cet exemple cinq circuits de refroidissement comprenant chacun dix canaux de refroidissement de spire appartenant chacun à une bobine préformée différente. La illustre un autre mode de réalisation d’un stator 6 comprenant également dix bobines préformées 1 de cinq spires 2 chacune, et dont les canaux de refroidissement sont reliés en parallèle. On obtient dans cet autre exemple vingt-cinq circuits de refroidissement comprenant chacun deux canaux de refroidissement de spire appartenant chacun à une bobine préformée différente. La illustre un autre mode de réalisation d’un stator 6 comprenant également dix bobines préformées 1 de cinq spires 2 chacune, et dont les canaux de refroidissement sont reliés en parallèle. On obtient dans cet autre exemple dix circuits de refroidissement comprenant chacun cinq canaux de refroidissement de spire appartenant chacun à une bobine préformée différente. Lorsque la conduction thermique au sein des spires d’une bobine préformée 1 permet d’assurer le refroidissement de l’ensemble de la bobine, par exemple pour des machines à longueur axiale réduite, chaque spire 2 n’est pas nécessairement refroidie. On peut alors adapter la forme des têtes 3 des bobines préformées 1. La illustre une vue plongeante d’un tel mode de réalisation d’une bobine préformée 1 dans lequel la forme des têtes de bobine est adaptée, tandis que la illustre une vue latérale de la bobine préformée. Dans l'exemple illustré, la bobine préformée 1 comprend cinq spires 2. Les première et dernière spires de la bobine préformée 1 comprennent une tête de bobine 3' présentant une section plus large que la section de la tête de bobine des autres spires. Cette section plus large permet d’accommoder un canal de refroidissement 5 de taille supérieure à la taille des canaux de refroidissement illustrés sur les figures 1 à 3. La tête de bobine 3' présente une section plus large et plus épaisse de sorte à envelopper, dans la direction des canaux de refroidissement, les têtes de bobines des autres spires, entre la première spire et la dernière spire. Ceci permet une augmentation de la section des canaux de refroidissement dans ces deux spires. Un effet technique avantageux associé à une telle augmentation de section des canaux de refroidissement est de limiter les pertes de charges à iso-débit. En outre, une telle réalisation permet de dimensionner la surface de contact avec les canaux de refroidissement dans ces deux spires de sorte à être plus importante que la surface de contact obtenue dans le cas précédent de spires à iso- section avec un canal de refroidissement par spire. Les échanges thermiques y sont favorisés. Un autre avantage de ce mode de réalisation est une réduction de la complexité du système de refroidissement, et la réduction du nombre de canaux permet de limiter les risques de fuite. De plus l’obstruction d’un canal de refroidissement ne compromet pas le refroidissement de l’ensemble de la bobine qui peut être refroidie de façon dégradée par l’autre canal non obstrué. Au contraire, lorsque le transfert de chaleur par conduction au sein d’une bobine préformée pourrait ne pas suffire à atteindre les niveaux de température souhaités, chaque spire peut bénéficier d’une dissipation thermique accrue. C’est notamment le cas pour une machine de longueur axiale élevée. On peut alors adapter les bobines préformées 1 de sorte que chaque tête de bobine 3 comprenne un canal de refroidissement. Les figures 9 à 11 illustrent respectivement une vue plongeante et une vue latérale d’un tel mode de réalisation. La illustre une vue plongeante d’une bobine préformée 1 munie de canaux de refroidissement transverses compris dans des têtes de bobine situées d’un même côté de la bobine, comme sur les figures 1 à 3. Ce mode de réalisation diffère de celui illustré sur les figures 1 à 3 par des canaux de refroidissement transverses qui débouchent des têtes de bobine 3 selon la direction perpendiculaire à la direction dans laquelle les canaux de refroidissement débouchent dans les figures 1 à 3. Comme dans le mode de réalisation illustré par les figures 1 à 3, une tête de bobine sur deux est ainsi munie d’un canal de refroidissement 5. La illustre une vue latérale de ce mode de réalisation de bobine préformée. Ce mode de réalisation a pour effet de faciliter l’installation des connexions hydrauliques entre bobines préformées, dans le cas où l’espace entre bobines est restreint. La illustre un stator muni de telles bobines préformées. Il apparait clairement que les connexions hydrauliques sont facilitées entre les canaux de refroidissement par rapport aux connexions hydrauliques illustrées sur les figures 4 à 6. Il est important de noter que même si les connexions hydrauliques sont installées selon la direction axiale de la machine, le fluide circule toujours suivant la direction orthoradiale de la machine électrique. L’espace entre les bobines de la machine présentée en est limité, ce qui aurait pu rendre complexe la mise en place des connexions hydrauliques entre bobines. Le changement d’emplacement de la sortie des canaux de refroidissement permet donc de simplifier ces connexions. Comme mentionné précédemment, l’espace au niveau des têtes de bobine n’est typiquement pas aussi contraint que l'espace au niveau de la partie active. En complément de chacun des modes de réalisation décrits ci-dessus, des excroissances peuvent être placées à l’extrémité des canaux de refroidissement 5 afin de faciliter les connexions hydrauliques. La présente une bobine préformée 1 selon le mode de réalisation des figures 11 et 12, mais comprenant des excroissances tubulaires 8 au niveau des extrémités des canaux de refroidissement 5 pour faciliter l’installation des connecteurs. Ces excroissances peuvent également intégrer des éléments connexes, tel qu’un filetage ou un élément de connexion rapide, permettant d’améliorer le maintien des connexions hydrauliques. De même, l’intérieur des canaux de refroidissement 5 peut comprendre des ailettes 5a, par exemple longitudinales, ou des protubérances 5b permettant d’augmenter la surface de contact entre le fluide et le matériau de la spire 2 afin d’améliorer le transfert de chaleur entre le fluide et la bobine. Les figures 13 et 14 illustrent ces modes de réalisation. Les exemples donnés ci-dessus ont été illustrés avec des bobines préformées à cinq spires. L’homme du métier comprendra qu’un nombre différent de spires peut être employé sans sortir du périmètre de la présente invention. Il en est de même pour le nombre de bobines préformées employées dans un stator. Par rapport aux solutions existantes à refroidissement direct des conducteurs (conducteurs creux ou encoches immergées), la solution proposée ne requiert pas de compromis entre pertes par effet Joule et refroidissement, puisque celui-ci a lieu hors de l’encoche. De plus, le liquide caloporteur circule à l’intérieur des canaux de refroidissement au niveau des têtes de bobine. Un éventail plus important de fluides de refroidissement peut être sélectionné pour la solution proposée, notamment de l’eau pure ou de l’eau glycolée composée d’un mélange d'eau et de glycol. Le glycol peut être de l'éthylène glycol ou du propylène glycol. Les pertes de charges sont potentiellement réduites par rapport à une solution utilisant des conducteurs creux, car des connexions en parallèle peuvent être effectuées entre les spires de la bobine. De la même façon, en cas d’obstruction d’un canal de refroidissement, une partie des bobinages sera tout de même refroidie par les canaux non obstrués. Les cas de fuites devront par contre être évalués avec attention, car les connexions hydrauliques sont plus nombreuses que dans le cas où des conducteurs creux sont utilisés. En conclusion, la solution proposée présente les avantages des solutions existantes pour le refroidissement direct des conducteurs, tout en évitant la plupart des verrous actuels (le compromis à trouver entre pertes par effet Joule et refroidissement, les propriétés diélectriques du fluide à assurer, les pertes de charges importantes, les risques d’obstruction associés à un diamètre d'ouverture réduit pour les conducteurs creux et les difficultés à maintenir une étanchéité satisfaisante). Une augmentation potentielle de la densité de puissance à iso-rendement a été estimée à au moins 20%. Plusieurs méthodes sont envisagées pour la fabrication des bobines, parmi lesquelles, l’ébauchage à chaud, la fabrication additive ou l’électroformage. La réalisation des spires en fabrication additive permet d’obtenir des canaux de refroidissement présentant une géométrie optimisant le contact avec le fluide caloporteur. Comme présenté plus haut, l’intérieur des canaux peut comporter des ailettes 5a, par exemple longitudinales ou des protubérances 5b, afin d’améliorer le transfert de chaleur entre le fluide et la bobine. Les connexions hydrauliques entre bobines sont réalisées par des matériaux non conducteurs électriques. Les longueurs des connexions hydrauliques alimentant chaque bobine sont déterminées de sorte que celles-ci reçoivent le même débit massique. Les fluides envisagés sont également non conducteurs électriques, afin de limiter le risque de court-circuit entre bobines. On utilisera par exemple de l’eau glycolée, de l’huile de lubrification ou de l’huile siliconée. On s’assurera au préalable de la bonne compatibilité chimique entre les connexions hydrauliques (par exemple en téflon) et le fluide de refroidissement sélectionné. Une machine électrique tel que présentée ici comprend un système de circulation du liquide caloporteur (tel qu’une pompe) et un échangeur thermique permettant le refroidissement du fluide caloporteur. Les systèmes de circulation présentent des caractéristiques liant perte de charge et débit. En fonction du système de circulation attribué au refroidissement des bobines d’une machine électrique, on peut connecter tous les canaux de refroidissement en série, en parallèle, ou comme une combinaison série/parallèle. On privilégie la connexion série pour un système de circulation ayant un faible débit mais acceptant des pertes de charge élevées. Par contre, on privilégie la connexion en parallèle pour un système de circulation fournissant un débit important mais tolérant peu de pertes de charge. Les connexions en combinaison série/parallèle sont alors considérés pour des systèmes de circulation aux caractéristiques débit/pertes de charge équilibrées ou en fonction du refroidissement requis des bobines. Bobine préformée (1) munie d’au moins une spire (2), chaque spire (2) comprenant des parties électromagnétiquement actives (4) et des parties électromagnétiquement passives formant au moins une tête de bobine (3), caractérisée par le fait qu’au moins une spire (2) comprend au moins un canal de refroidissement (5) conçu pour la circulation d’un fluide caloporteur, le au moins un canal de refroidissement (5) étant situé dans la spire (2) au niveau d’une tête (3) de bobine. Bobine préformée (1) selon la revendication 1, dans laquelle au moins un canal de refroidissement (5) débouche sur l’extérieur sur la tranche d’une spire (2) parallèlement à une direction allant d’une tête de bobine à une partie active. Bobine préformée (1) selon la revendication 1, dans laquelle au moins un canal de refroidissement (5) débouche sur l’extérieur sur la tranche d’une spire (2) perpendiculairement à une direction allant de d’une tête de bobine à une partie active. Bobine préformée (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, comprenant au moins une tête (3') de bobine présentant une section plus importante que la section d’une autre tête de bobine (3), les têtes (3’) de bobine présentant une section plus importante étant munie d’un canal de refroidissement. Bobine préformée (1) selon la revendication 4, dans laquelle la section est plus importante dans une direction parallèle à la direction allant d’une tête de bobine à une partie active. Bobine préformée (1) selon l’une quelconque des revendications 4 ou 5, comprenant au moins cinq spires, au moins la première et la dernière spire de la bobine ont chacune, du même côté de la bobine, une tête de bobine à section plus importante, notamment plus large que celle des têtes de bobines des autres spires. Bobine préformée (1) selon la revendication 6, dans laquelle une tête à section plus importante comprend une extension dans une direction perpendiculaire à la direction allant d’une tête de bobine à une partie active de sorte à encadrer au moins en partie une tête de bobine ne présentant pas une section plus importante. Bobine préformée (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle un canal de refroidissement (5) se termine par une excroissance tubulaire (8) conçue pour favoriser la connexion d’une conduite hydraulique. Bobine préformée (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle un canal de refroidissement (5) est muni d’ailettes (5a) ou de protubérances (5b) conçues pour augmenter la surface de contact avec le fluide caloporteur. Machine électrique comprenant un rotor et un stator, le stator étant formé par l’assemblage d’au moins trois bobines préformées selon l’une quelconque des revendications précédentes disposée chacune autour d’un noyau (7), les bobines étant juxtaposées de sorte que les parties actives (4) soient disposées axialement entre deux noyaux adjacents, les têtes (3) d’une bobine étant disposées de part et d’autre d’un noyau (7), la machine électrique étant munie par ailleurs d’un système de circulation du liquide caloporteur et d’un échangeur thermique, auxquels les canaux de refroidissement (5) sont reliés hydrauliquement. Aéronef muni d’une machine électrique selon la revendication 10.