FR3059172A1 - Systeme de refroidissement d'une machine electrique. - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne une machine électrique (1) comprenant un stator (13) installé dans un carter (11), le stator (13) présentant une pluralité de bobinages statoriques (18) formant à chaque extrémité longitudinale du stator (13) une pluralité de têtes de bobines (14), lesdits bobinages statorique (18) étant électriquement reliés à des organes d'électronique de puissance par des moyens de connexion électrique (16) ; ladite machine comprenant en outre, des moyens de projection (21) d'un fluide de refroidissement installés en regard d'au moins une des extrémité longitudinale du stator (13), lesdits moyens de projection (21) sont orientés de sorte à projeter simultanément ledit fluide de refroidissement sur les têtes de bobines (14) de ladite au moins une extrémité longitudinale du stator (13) et sur les moyens de connexion électrique (16).
Description
® RÉPUBLIQUE FRANÇAISE
INSTITUT NATIONAL DE LA PROPRIÉTÉ INDUSTRIELLE © N° de publication :
(à n’utiliser que pour les commandes de reproduction)
©) N° d’enregistrement national
059 172
61299
COURBEVOIE ©IntCI8: H 02 K 9/19 (2017.01)
DEMANDE DE BREVET D'INVENTION
A1
| ©) Date de dépôt : 21.11.16. | (© Demandeur(s) : RENAULT S.A.S Société par actions |
| ©) Priorité : | simplifiée — FR et NISSAN MOTOR CO., LTD — JP. |
| @ Inventeur(s) : TAVERNIER GUILLAUME, MIKATI | |
| KARIM et PARIS FRANÇOIS. | |
| (43) Date de mise à la disposition du public de la | |
| demande : 25.05.18 Bulletin 18/21. | |
| ©) Liste des documents cités dans le rapport de | |
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| présent fascicule | |
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Q4) SYSTEME DE REFROIDISSEMENT D'UNE MACHINE ELECTRIQUE.
FR 3 059 172 - A1 _ L'invention concerne une machine électrique (1 ) comprenant un stator (13) installé dans un carter (11), le stator (13) présentant une pluralité de bobinages statoriques (18) formant à chaque extrémité longitudinale du stator (13) une pluralité de têtes de bobines (14), lesdits bobinages statorique (18) étant électriquement reliés à des organes d'électronique de puissance par des moyens de connexion électrique (16); ladite machine comprenant en outre, des moyens de projection (21) d'un fluide de refroidissement installés en regard d'au moins une des extrémité longitudinale du stator (13), lesdits moyens de projection (21) sont orientés de sorte à projeter simultanément ledit fluide de refroidissement sur les têtes de bobines (14) de ladite au moins une extrémité longitudinale du stator (13) et sur les moyens de connexion électrique (16).
Système de refroidissement d’une machine électrique
La présente invention se rapporte à un système de refroidissement d’une machine électrique.
Les machines électriques sont formées d’un stator et d’un rotor. Le stator est bobiné de sorte que sous l’effet d’un courant électrique, il produit un champ magnétique entraînant en rotation le rotor.
Une problématique bien connue concerne l’échauffement des bobinages statoriques.
îo En effet, sous l’effet du passage du courant, les bobinages statoriques s’échauffent par effet Joule, ce qui peut endommager leur isolation électrique avec le stator. Aussi il est généralement nécessaire de refroidir les bobinages statoriques.
On connaît notamment du document CN202034859 un dispositif de refroidissement d’un moteur comprenant un circuit de circulation de liquide de refroidissement alimentant des buses logées dans un carter et débouchant dans le moteur. Les buses projettent le liquide de refroidissement sur les têtes de bobines du stator de telle sorte que le liquide se répand à l’intérieur du moteur. Le liquide est ensuite récupéré dans un bac sous le moteur, puis est conduit à l’extérieur du carter par une canalisation. Il est alors refroidi dans un échangeur thermique et est réinjecté dans le haut du moteur par une pompe.
En effet, sachant qu’une forte proportion de l’échauffement des bobinages statoriques se concentre au voisinage des têtes de bobines aussi appelés « chignons », il est connu de refroidir tout particulièrement ces têtes de bobines.
Cependant, l’échauffement produit par les bobinages du stator se propage aussi dans le carter de la machine électrique, ce qui peut endommager les autres composants de la machine.
En particulier, la machine électrique est alimentée par des composants 30 d’électronique de puissance qui fournissent le courant électrique aux bobines du stator. Plus précisément les bobines du stator sont connectées à ces composants d’électronique de puissance par des barres bus faisant le lien entre la machine électrique et les composants d’électronique de puissance.
Or, la température au-delà de laquelle les composants de l’électronique de puissance se détériorent est généralement inférieure à celle au-delà de laquelle les composants du stator et du rotor se détériorent.
En outre, la diminution de la taille des machines électrique, qui 5 s’accompagne d’une diminution de la surface d’échange thermique, complexifie le refroidissement des machines électrique dont la puissance mécanique croissante augmente la densité de courant dans le moteur et partant la chaleur rayonnée par le moteur.
Par conséquent, on observe une augmentation de la quantité de chaleur îo transmise par la machine électrique aux composants d’électronique de puissance, surtout via la connexion par barres bus.
Il existe donc le besoin d’améliorer le système de refroidissement des machines électriques, possédant une taille plus réduite et une puissance mécanique plus forte, en particulier afin de réduire le risque d’endommagement des composants d’électronique de puissance.
On propose une machine électrique comprenant un stator installé dans un carter, le stator présentant une pluralité de bobinages statoriques formant à chaque extrémité longitudinale du stator une pluralité de têtes de bobines, lesdits bobinages statoriques étant électriquement reliés à des organes d’électronique de puissance par des moyens de connexion électrique ; ladite machine comprenant en outre, des moyens de projection d’un fluide de refroidissement installés en regard d’au moins une des extrémités longitudinales du stator de sorte à projeter ledit fluide de refroidissement sur les têtes de bobines de ladite au moins une extrémité longitudinale du stator.
Lesdits moyens de projection sont en outre orientés pour projeter simultanément ledit fluide de refroidissement sur lesdits moyens de connexion électrique.
Ainsi il est possible de refroidir simultanément les têtes de bobines du stator et les moyens de connexion électrique, ce qui permet de limiter la chaleur transmise aux composants d’électronique de puissance notamment aux capteurs de courant et de les protéger d’une potentielle détérioration provoquée par un échauffement excessif des bobinages statoriques.
Avantageusement et de façon non limitative les moyens de connexion électrique comprennent pour chaque bobinage statorique une barre bus reliant une extrémité libre dudit bobinage statorique à ladite électronique de puissance.
Ainsi, l’utilisation d’une barre bus assure une bonne connexion électrique 5 entre les bobinages statoriques et les composants de l’électronique de puissance. Elles permettent aussi un montage et démontage facile.
Avantageusement et de façon non limitative, les moyens de projection du fluide de refroidissement sont fixés sur une paroi du carter.
Ainsi, on obtient un système de refroidissement compact puisqu’il ne îo demande pas d’ajout d’un dispositif extérieur au carter
Avantageusement et de façon non limitative, la paroi du carter où sont fixés les moyens de projection se trouve au voisinage des moyens de connexion électrique.
Ainsi, cette disposition permet de mieux cibler les zones à refroidir et de 15 ne pas projeter du fluide de refroidissement sur des zones qui n’ont pas besoin d’être refroidies.
Avantageusement et de façon non limitative, les moyens de refroidissement comprennent une buse de projection.
Ainsi, l’utilisation d’une buse de projection est un moyen compact et rapide 20 de projeter dans le carter une grande quantité de fluide.
Avantageusement et de façon non limitative, la buse de projection est adaptée pour vaporiser le fluide de refroidissement.
Ainsi, une projection par vaporisation permet d’obtenir une zone de projection très étendue. Par conséquent, la surface d’échange thermique avec le fluide augmente aussi. Ceci rendant le refroidissement des connexions électriques et des têtes de bobines statoriques plus efficace.
Avantageusement et de façon non limitative, le fluide refroidissement est un liquide diélectrique.
Ainsi, le fluide étant isolant, il protège des courts circuits.
Avantageusement et de façon non limitative, le liquide diélectrique peut être de l’huile.
Ainsi, l’huile est un liquide diélectrique peut coûteux et facile d’utilisation.
Avantageusement et de manière non limitative, la machine électrique est alimentée par un courant triphasé.
Ainsi cette alimentation par un courant triphasé permet de faire tourner le rotor dans le stator de manière continue, créant ainsi de l’énergie mécanique.
D’autres particularités et avantages de l’invention ressortiront à la lecture de la description faite ci-après de modes de réalisation particuliers de l’invention, donnés à titre indicatif mais non limitatif, en référence aux dessins annexés sur lesquels :
- la figure 1 est une vue en perspective d’un moteur selon un mode de îo réalisation de l’invention ;
- la figure 2 est une coupe longitudinale d’une machine électrique selon un mode de réalisation de l’invention.
Par sensiblement horizontal, longitudinal ou vertical, on entend une direction/un plan formant un angle d’au plus ±20°, voire d’au plus 10° ou d’au plus 5° avec une direction/un plan horizontal, longitudinal ou vertical.
Par sensiblement parallèle, perpendiculaire ou à angle droit, on entend une direction/un angle s’écartant d’au plus ±20°, voire d’au plus 10° ou d’au plus 5° d’une direction parallèle, perpendiculaire ou d’un angle droit.
Les figures 1 et 2 se rapportant à un même mode de réalisation de l’invention, elles seront commentées simultanément.
Une machine électrique 1 comprend un rotor 12 et un stator 13 installés dans un carter 11.
Le carter 11 comprend une paroi supérieure 11a et une paroi inférieure
11b.
Sous la paroi inférieure 11b est installé un bac de récupération de fluide de refroidissement 23.
Le carter 11 comprend en outre deux parois latérales 11c et 11d en regard l’une de l’autre. Ces deux parois latérales 11c et 11d définissent deux faces en regard chacune d’une extrémité longitudinale du stator 13.
Le stator 13 présente une forme sensiblement cylindrique dont l’axe de révolution est désigné par son axe longitudinal.
L’arbre du rotor 12 est placé suivant l’axe longitudinal du stator 13.
L’arbre du rotor 12 traverse les deux parois opposées 11c et 11d du carter 11 sensiblement en leur milieu et s’étend à l’extérieur du carter 11.
Le stator 13 présente une pluralité circonférentielle de bobinages statoriques 18 qui s’étendent suivant l’axe longitudinal du stator 13.
Les bobinages statoriques 18 sont obtenus par enroulement de fils de phases prolongés de câbles 17 puis de barres bus 16 via des cosses. En particulier, dans le cas d’une alimentation triphasée du stator, les bobinages statoriques 18 enroulés de manière à définir les pôles statoriques, sont terminés par trois câbles de phases 17.
ïo Chaque bobinage statorique 18 forme une tête de bobine 14 à chacune des extrémités longitudinale du stator 13.
Les têtes de bobine 14 forment saillie à chaque extrémité longitudinale du stator 13.
L’ensemble de têtes de bobines 14 regroupées à chacune des extrémités longitudinales du stator 13 forme un chignon statorique.
Sur la figure 1, seul un chignon statorique est représenté.
Les bobinages statoriques 18 sont électriquement connectés à un organe d’électronique de puissance (non représenté sur les figures 1 et 2) via un connecteur 15 formé de trois logements en plastique hébergeant trois barres bus connectées aux barres bus 16 sortant du carter de la machine électrique via des vis. C’est l’échauffement des barres bus via les pertes joules du stator mais aussi via leur propre échauffement qui amène de la chaleur à l’électronique de puissance.
Des moyens de connexion 16, ici des barres bus 16, assurent la connexion électrique entre le connecteur 15 et les bobinages statorique 18. En particulier, une barre bus 16 permet la connexion électrique entre un câble de phase 17 et le connecteur 15.
La machine électrique 1 étant dans ce mode de réalisation une machine triphasée, les moyens de connexion 16 comprennent au moins une barre bus
16 par phase, soit 3 barres bus.
Chaque barres bus 16 est d’une part reliée à une extrémité libre d’un câble de phase 17 et d’autre part vissée au connecteur 15.
Le câble de phase 17 relié à une barre bus 16 est relié à des fils de phase enroulés autour du stator afin de former un bobinage statorique 18.
Chaque barre bus est donc associée à une phase particulière de l’alimentation électrique triphasée fournie par un onduleur de puissance, non représenté.
Le stator 13 est alimenté de trois courants identiques et déphasés de 2tt/3 ce qui génère un champ électromagnétique tournant apte à entraîner le rotor 12 en rotation.
Cependant, on pourrait prévoir une machine électrique à N paires de îo pôles électromagnétiques, où N est un entier supérieur ou égal à 1.
Lorsque la machine électrique 1 est en fonctionnement, les bobinages statoriques 18 chauffent sous l’effet du passage du courant électrique. En particulier, 30% à 40% des pertes énergétiques des bobinages dues à l’effet Joule se concentrent au niveau des têtes de bobines 14.
Cette chaleur se propage alors jusqu’aux organes d’électronique de puissance.
Afin d’éviter la transmission de la chaleur produite par effet joule par le stator 13 vers les organes d’électronique de puissance, on refroidit les têtes de bobine 14 où se concentre la chaleur ainsi que les barres bus 16 qui assurent la connexion électrique avec les organes d’électronique de puissance.
Les barres bus 16 sont fixées sur une bordure de la paroi latérale 11 d du carter, par exemple vissées à la paroi latérale 11d. Ainsi, les barres bus 16 sont installées à une extrémité longitudinale du carter et par conséquent en regard d’une extrémité longitudinale du stator 13.
Par exemple, lorsqu’un câble de phase 17 est vissé sur la barre bus 16 correspondante, la vis de fixation s’insère dans la bordure de la paroi latérale 11d.
Le refroidissement de la machine électrique 1 est assuré par un dispositif de refroidissement comprenant un circuit de circulation du fluide de refroidissement 20, un bac de récupération du fluide de refroidissement 23, une pompe, non représentée, et des moyens de projection 21 du fluide de refroidissement.
Le circuit de circulation du fluide de refroidissement 20 s’étend au moins partiellement dans la paroi supérieure 11 a et la paroi latérale 11 c du carter 11.
Dans ce mode de réalisation, le fluide de refroidissement est de l’huile.
Cependant, le fluide de refroidissement peut aussi être tout fluide adapté 5 pour refroidir les bobinages d’une machine électrique, en particulier tout fluide de refroidissement diélectrique.
Le circuit de circulation 20 permet d’alimenter les moyens de projection 21 du fluide de refroidissement.
Ici, les moyens de projection 21 du fluide de refroidissement comprennent îo une buse 21 pour projeter le fluide de refroidissement.
La buse 21 est installée dans la paroi supérieure du carter 11a de sorte qu’elle est alimentée par le circuit de circulation 20 et qu’elle projette le fluide de refroidissement à l’intérieur du carter 11.
La buse 21 vaporise le fluide de refroidissement sous forme de fines 15 gouttelettes réparties dans un cône de vaporisation 22.
La buse 21 est installée dans la paroi supérieure du carter 11a, au voisinage des barres bus 16. Ainsi, la buse 21 est installée dans la paroi supérieure du carter 11a, au voisinage d’une extrémité longitudinale du stator 13.
Un orifice percé dans la paroi supérieure du carter 11a permet d’y installer le boîtier du connecteur 15 et de connecter au répartiteur 15 les organes d’électronique de puissance.
La buse 21 est orientée de sorte que le cône de vaporisation 22 vise au moins une tête de bobine 14 des bobinages statoriques 18 à l’extrémité longitudinale au voisinage de laquelle est installée la buse 21, et aussi les barres bus 16 installées au voisinage de cette même extrémité longitudinale.
Autrement dit, la buse 21 est orientée de biais, entre un axe vertical descendant et un axe horizontal, de sorte à pulvériser le fluide de refroidissement sur les têtes de bobines statoriques 18 et sur les barres bus 16 simultanément.
La pulvérisation du fluide de refroidissement, ici de l’huile, permet d’avoir une surface de contact plus grande entre le fluide et les composants électriques, et donc une plus grande surface d’échange thermique, améliorant ainsi le refroidissement des connexions électrique.
Le fluide de refroidissement s’écoule ensuite sur le chignon statorique, et sur la paroi latérale sur laquelle sont installées les barres bus 16, vers le bas du carter 11 et est récupéré dans le bac 23. Ainsi, l’huile peut être récupérée puis réinjectée dans le circuit de circulation du fluide de refroidissement.
Dans un mode de réalisation alternatif et non représenté, on peut installer plusieurs buses 21, par exemple de deux à quatre, dans la paroi supérieure du carter 11a, de sorte que chacune de ces buses 21 pulvérise le liquide de îo refroidissement à la fois sur les têtes de bobines 14 et sur les barres bus 16.
Toutes les buses 21 sont ainsi orientées de biais vers les têtes de bobines et les barres bus 16. En augmentant le nombre de buses 21 on augmente la quantité de fluide de refroidissement pouvant être vaporisée et on améliore ainsi le refroidissement de la machine électrique.
Dans un mode de réalisation alternatif, on peut employer de l’air comme fluide de refroidissement.
Claims (9)
- REVENDICATIONS1. Machine électrique (1) comprenant un stator (13) installé dans un carter (11), le stator (13) présentant une pluralité de bobinages statoriques (18) formant à chaque extrémité longitudinale du stator (13) une pluralité de têtes de bobines (14), lesdits bobinages statoriques (18) étant électriquement reliés à des organes d’électronique de puissance par des moyens de connexion électrique (16) ; ladite machine comprenant en outre, des moyens de projection (21) d’un fluide de refroidissement installés en regard d’au moins une des extrémités longitudinales du stator (13) de sorte à projeter ledit fluide de refroidissement sur les têtes de bobines (14) de ladite au moins une extrémité longitudinale du stator (13), caractérisée en ce que lesdits moyens de projection (21) sont en outre orientés pour projeter simultanément ledit fluide de refroidissement sur lesdits moyens de connexion électrique (16).
- 2. Machine électrique (1) selon la revendication 1, caractérisée en ce que les moyens de connexion électrique (16) comprennent pour chaque bobinage statorique (18) une barre bus (16) reliant une extrémité libre dudit bobinage statorique (18) auxdits organes d’électronique de puissance.
- 3. Machine électrique (1) selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que les moyens de projection (21) du fluide de refroidissement sont fixés sur une paroi supérieure du carter (11).
- 4. Machine électrique (1) selon la revendication 3, caractérisée en ce que lesdits moyens de connexion électrique sont installés au voisinage desdits moyens de projection (21) du fluide de refroidissement.
- 5. Machine électrique (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que lesdits moyens de refroidissement comprennent une buse de projection (21).
- 6. Machine électrique (1) selon la revendication 5, caractérisée en ce que ladite buse de projection (21) est adaptée pour vaporiser le fluide de refroidissement.
- 7. Machine électrique (1) selon l’une quelconques des revendications 1 à 6,5 caractérisée en ce que le fluide refroidissement est un liquide diélectrique.
- 8. Machine électrique (1) selon la revendication 7, caractérisée en ce que ledit liquide diélectrique est de l’huile.îo
- 9. Machine électrique (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisée en ce qu’elle est alimentée par un courant triphasé ; lesdits bobinages statoriques (18), enroulés de manière à définir les pôles statoriques, étant terminés par trois câbles de phases (17).1/1
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