Brevet FR3132991A1 — publié le 20230825

BOBINAGE À REFROIDISSEMENT INTÉGRÉ ET MACHINE ÉLECTRIQUE COMPRENANT UN TEL BOBINAGE Un aspect de l’invention concerne un bobinage (100) comprenant : un corps de bobine (110) électriquement isolant comprenant : un premier canal interne (111) délimité au moins en partie par une paroi étanche (113) ; et un deuxième canal interne (112) distinct du premier canal interne (111) et destiné à recevoir un fluide de refroidissement ; et un enroulement de fil conducteur (120) disposé à l’intérieur du premier canal interne (111) ; et dans lequel la paroi étanche (113) esst agencée de sorte à être en contact avec le fluide de refroidissement lorsque le fluide de refroidissement circule dans le deuxième canal interne (112). Figure à publier avec l’abrégé : Figure 2C BOBINAGE À REFROIDISSEMENT INTÉGRÉ ET MACHINE ÉLECTRIQUE COMPRENANT UN TEL BOBINAGE Le domaine technique de l’invention est celui du refroidissement des machines électriques. La présente invention concerne plus particulièrement un bobinage présentant un refroidissement amélioré et une machine électrique comprenant un tel bobinage. ÉTAT DE LA TECHNIQUE Le développement des avions électriques accentue le besoin de machines électriques de forte puissance (de l’ordre de la centaine de kW à quelques MW). Le dimensionnement d’une telle machine électrique requiert une prise en compte des transferts thermiques, notamment au niveau des bobinages de la machine. Les bobinages sont en effet le siège d’importantes pertes par effet Joule, qui se dissipent sous la forme de chaleur. Or la densité de courant maximale que peut supporter la machine électrique est limitée par la température maximale des bobinages. Pour pouvoir atteindre des densités de courant élevées tout en évitant un emballement thermique ou un vieillissement prématuré de la machine électrique, il est donc nécessaire d’extraire la chaleur produite par les bobinages. 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 demande de brevet FR3093252A1 décrit par ailleurs une solution consistant à refroidir les têtes de bobine des bobinages au moyen d’un dissipateur thermique comprenant un matériau à changement de phase (ou PCM, pour « phase change material » en anglais). La représente une machine électrique 10 décrite dans la demande de brevet FR3093252A1. La machine électrique 10 comporte un rotor externe comprenant une culasse rotorique 12 et un stator interne comprenant une culasse statorique 16, concentrique au rotor. Des aimants permanents 14 sont disposés sur une surface intérieure de la culasse rotorique 12. Le stator comprend à sa périphérie une pluralité de dents magnétiques 18. Autour de chaque dent 18 est disposé un bobinage 20 comprenant un corps de bobine 22 et des conducteurs 23. Deux têtes de bobine 24 émergent aux extrémités du corps de bobine 22. Un dissipateur thermique 26 est disposée au niveau de chaque tête de bobine 24, afin d’extraire rapidement la chaleur produite par les conducteurs 23. Le dissipateur thermique 26, qui est formé en deux parties creuses 26A, 26B emboitables l’une dans l’autre, est interposé entre le corps de bobine 22 et les conducteurs 23. Il comporte une cavité interne 26C pour recevoir à l’état liquide un matériau à changement de phase 28. Le matériau à changement de phase 28 est capable d’absorber un surplus de quantité de chaleur lorsque la densité de courant à travers les conducteurs 23 augmente. Les dissipateurs thermiques 26 comprenant le matériau à changement de phase sont des éléments rapportés sur le corps de bobine, qui assurent une refroidissement limité aux têtes de bobine. Leur mise en œuvre est en outre délicate. Il existe un besoin de prévoir un bobinage doté d’une fonction de refroidissement plus efficace et plus simple d’utilisation. Selon un premier aspect de l’invention, on tend à satisfaire ce besoin en prévoyant un bobinage comprenant : un corps de bobine électriquement isolant comprenant : un premier canal interne délimité au moins en partie par une paroi étanche ; et un deuxième canal interne distinct du premier canal interne et destiné à recevoir un fluide de refroidissement ; et un enroulement de fil conducteur disposé à l’intérieur du premier canal interne ; la paroi étanche étant agencée de sorte à être en contact avec le fluide de refroidissement lorsque le fluide de refroidissement circule dans le deuxième canal interne. Grâce à ses deux canaux internes adjacents, l’un renfermant l’enroulement de fil conducteur et l’autre destiné au fluide de refroidissement, le bobinage dispose d’une fonction de refroidissement globale, et pas seulement limitée aux têtes de bobine. L’utilisation du bobinage est en outre simplifiée, étant donné que le deuxième canal interne forme un circuit de refroidissement intégré au bobinage dès sa fabrication. De préférence, l’enroulement de fil conducteur comprend une pluralité de spires et le premier canal interne comprend une pluralité de portions annulaires, chaque portion annulaire du premier canal interne contenant une unique spire. La paroi étanche est avantageusement agencée de sorte que plusieurs portions annulaires du premier canal interne soient en contact avec le fluide de refroidissement lorsque le fluide de refroidissement circule dans le deuxième canal interne. Le bobinage selon le premier aspect de l’invention peut également présenter une ou plusieurs des caractéristiques ci-dessous, considérées individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles : le deuxième canal interne est disposé autour du premier canal interne ; l’enroulement de fil conducteur est en contact avec la paroi étanche ; la paroi étanche est constituée d’un matériau électriquement isolant présentant une conductivité thermique supérieure à 5 W.m - 1 .K -1 ; la paroi étanche est constituée d’un matériau électriquement isolant présentant une conductivité électrique inférieure à 10 -12 S.cm ; le corps de bobine est formé d’une seule pièce ; le corps de bobine est constitué d’un unique matériau, de préférence un matériau céramique, par exemple à base de zircone ou d’alumine ; le corps de bobine est constitué d’un matériau polymère, par exemple le polytéréphtalate d'éthylène (PET) ; et le corps de bobine est constitué d’un matériau réfractaire. Un deuxième aspect de l’invention concerne une machine électrique comprenant un bobinage selon le premier aspect de l’invention. Un troisième aspect de l’invention concerne un procédé de fabrication d’un bobinage comprenant les étapes suivantes : former un corps de bobine électriquement isolant comprenant : un premier canal interne délimité au moins en partie par une paroi étanche ; et un deuxième canal interne distinct du premier canal interne et destiné à recevoir un fluide de refroidissement ; la paroi étanche étant agencée de sorte à être en contact avec le fluide de refroidissement lorsque le fluide de refroidissement circule dans le deuxième canal interne ; et former un enroulement de fil conducteur à l’intérieur du premier canal interne. De préférence, le corps de bobine est obtenu par une technique de fabrication additive. Dans un premier mode de mise en œuvre du procédé de fabrication, l’étape de formation de l’enroulement de fil conducteur comprend une sous-étape d’insertion d’un métal en fusion dans le premier canal interne puis une étape de solidification du métal. Dans un deuxième mode de mise en œuvre, l’étape de formation de l’enroulement de fil conducteur comprend une sous-étape d’insertion d’une poudre métallique dans le premier canal interne, une étape de fusion de la poudre métallique pour former un cordon de métal en fusion puis une étape de solidification du métal. De préférence, le premier canal interne est entièrement rempli par le métal en fusion. Dans un troisième mode de mise en œuvre, l’étape de formation de l’enroulement de fil conducteur comprend l’insertion d’un fil conducteur dans le premier canal interne. BRÈVE DESCRIPTION DES FIGURES D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront clairement de la description qui en est donnée ci-dessous, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux figures suivantes. représente schématiquement une machine électrique équipée de bobinages selon l’art antérieur ; , et représentent un premier mode de réalisation d’un bobinage à refroidissement intégré selon l’invention ; et représentent un deuxième mode de réalisation du bobinage à refroidissement intégré selon l’invention ; représente schématiquement un procédé de fabrication du bobinage à refroidissement intégré selon l’invention. Pour plus de clarté, les éléments identiques ou similaires sont repérés par des signes de référence identiques sur l’ensemble des figures. Bobinage (100) comprenant : un corps de bobine (110) électriquement isolant comprenant : un premier canal interne (111) délimité au moins en partie par une paroi étanche (113) ; et un deuxième canal interne (112) distinct du premier canal interne (111) et destiné à recevoir un fluide de refroidissement ; et un enroulement de fil conducteur (120) disposé à l’intérieur du premier canal interne (111) ; la paroi étanche (113) étant agencée de sorte à être en contact avec le fluide de refroidissement lorsque le fluide de refroidissement circule dans le deuxième canal interne (112). Bobinage selon la revendication 1, dans lequel l’enroulement de fil conducteur (120) comprend une pluralité de spires et dans lequel le premier canal interne (111) comprend une pluralité de portions annulaires, chaque portion annulaire du premier canal interne (111) contenant une unique spire. Bobinage selon la revendication 2, dans lequel la paroi étanche (113) est agencée de sorte que plusieurs portions annulaires du premier canal interne (111) soient en contact avec le fluide de refroidissement lorsque le fluide de refroidissement circule dans le deuxième canal interne (112). Bobinage selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel le deuxième canal interne (112) est disposé autour du premier canal interne (111). Bobinage selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel l’enroulement de fil conducteur (120) est en contact avec la paroi étanche (113). Bobinage selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel la paroi étanche (113) est constituée d’un matériau électriquement isolant présentant une conductivité thermique supérieure à 5 W.m - 1 .K -1 . Bobinage selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel la paroi étanche (113) est constituée d’un matériau électriquement isolant présentant une conductivité électrique inférieure à 10 -12 S.cm. Bobinage selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel le corps de bobine (110) est constitué d’un unique matériau, de préférence un matériau céramique, par exemple à base de zircone ou d’alumine. Machine électrique comprenant un bobinage (100) selon l’une quelconque des revendications 1 à 8. Procédé de fabrication d’un bobinage (100) comprenant les étapes suivantes : former (S1) un corps de bobine électriquement isolant (110) comprenant : un premier canal interne (111) délimité au moins en partie par une paroi étanche (113) ; et un deuxième canal interne (112) distinct du premier canal interne (111) et destiné à recevoir un fluide de refroidissement ; la paroi étanche (113) étant agencée de sorte à être en contact avec le fluide de refroidissement lorsque le fluide de refroidissement circule dans le deuxième canal interne (112) ; et former (S2) un enroulement de fil conducteur (120) à l’intérieur du premier canal interne (111). Procédé selon la revendication 10, dans lequel le corps de bobine (110) est obtenu par une technique de fabrication additive. Procédé selon l’une des revendications 10 et 11, dans lequel l’étape de formation de l’enroulement de fil conducteur (120) comprend une sous-étape d’insertion d’un métal en fusion dans le premier canal interne (111) puis une étape de solidification du métal. Procédé selon l’une des revendications 10 et 11, dans lequel l’étape de formation de l’enroulement de fil conducteur (120) comprend une sous-étape d’insertion d’une poudre métallique dans le premier canal interne (111), une étape de fusion de la poudre métallique pour former un cordon de métal en fusion puis une étape de solidification du métal. Procédé selon l’une des revendications 10 et 11, dans lequel l’étape de formation de l’enroulement de fil conducteur (120) comprend l’insertion d’un fil conducteur dans le premier canal interne (111).