FR3104342A1 - Electric vehicle machine - Google Patents
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Abstract
Ensemble, comprenant : - une machine électrique de propulsion d’un véhicule, tournant autour d’un axe, et - un système de refroidissement de cette machine électrique, ce système de refroidissement comprenant : - un circuit de refroidissement de la machine électrique parcouru par un fluide de refroidissement, - une boucle de climatisation utilisant un fluide réfrigérant, et - une interface d’échange thermique entre ce circuit de refroidissement et la boucle de climatisation, cette interface étant agencée pour permettre de refroidir le fluide du circuit de refroidissement en évacuant de la chaleur par le fluide réfrigérant de la boucle de climatisation, le rapport entre la puissance mécanique nominale sur l’arbre de la machine et le volume de la machine étant supérieur à 10 500 kW/m3 Figure pour l’abrégé : Figure 1Assembly, comprising: - an electrical machine for propelling a vehicle, rotating around an axis, and - a cooling system for this electrical machine, this cooling system comprising: - a cooling circuit for the electrical machine through which it runs. a cooling fluid, - an air conditioning loop using a refrigerant fluid, and - a heat exchange interface between this cooling circuit and the air conditioning loop, this interface being arranged to allow the fluid of the cooling circuit to be cooled by evacuating heat by the refrigerant in the air conditioning loop, the ratio between the nominal mechanical power on the machine shaft and the volume of the machine being greater than 10,500 kW / m3 Figure for the abstract: Figure 1
Description
La présente invention concerne une machine électrique tournante pour véhicule.The present invention relates to a rotating electrical machine for a vehicle.
La machine électrique est par exemple un alternateur ou un alterno-démarreur alimenté par une tension nominale de 12V ou de 48V, voire plus.The electrical machine is for example an alternator or an alternator-starter powered by a nominal voltage of 12V or 48V, or even more.
Cette machine électrique peut être intégrée à un véhicule à propulsion hybrique ou purement électrique, par exemple une automobile.This electric machine can be integrated into a hybric or purely electric vehicle, for example an automobile.
Il est connu de refroidir la machine électrique par du liquide de refroidissement tel que de l’eau glycolée circulant dans une enveloppe extérieure au stator de la machine ou de l’huile circulant à l’intérieur de la machine.It is known to cool the electric machine by cooling liquid such as glycol water circulating in a casing outside the stator of the machine or oil circulating inside the machine.
La température du liquide de refroidissement reste supérieure à 70°C dans les applications connues. En conséquence, le dimensionnement et les performances de la machine électrique sont impactées par cette valeur de température du liquide de refroidissement.The coolant temperature remains above 70°C in known applications. Consequently, the sizing and performance of the electrical machine are impacted by this coolant temperature value.
Il existe un besoin pour améliorer encore les performances ou le dimensionnement des machines électriques tournantes refroidies par du liquide de refroidissement.There is a need to further improve the performance or the dimensioning of rotating electrical machines cooled by liquid coolant.
L’invention a pour objet de répondre à ce besoin et elle y parvient, selon l’un de ses aspects, à l’aide d’un procédé de réalisation d’une machine électrique de propulsion d’un véhicule, la machine tournant autour d’un axe et étant refroidie par un circuit de refroidissement utilisant un fluide de refroidissement, ce fluide de refroidissement étant refroidi via une interface d’échange thermique par un fluide réfrigérant circulant dans une boucle de climatisation du véhicule,The object of the invention is to meet this need and it achieves this, according to one of its aspects, with the aid of a method for producing an electric machine for propelling a vehicle, the machine rotating around of an axle and being cooled by a cooling circuit using a cooling fluid, this cooling fluid being cooled via a heat exchange interface by a refrigerant fluid circulating in an air conditioning loop of the vehicle,
procédé dans lequel :process in which:
- on connait la plage de valeurs dans laquelle se trouve la température du fluide de refroidissement,- we know the range of values in which the temperature of the cooling fluid is found,
- on détermine la valeur de la puissance mécanique nominale sur l’arbre de la machine électrique, et- the value of the nominal mechanical power on the shaft of the electrical machine is determined, and
- on détermine au moins un paramètre structurel de la machine électrique de manière à ce que cette puissance nominale soit présente sur l’arbre de la machine électrique lorsqu’elle est refroidie par le fluide de refroidissement dont la température se trouve dans la plage de valeurs.- at least one structural parameter of the electric machine is determined so that this nominal power is present on the shaft of the electric machine when it is cooled by the cooling fluid whose temperature is in the range of values .
Autrement dit, l’invention consiste à tirer parti de l’abaissement de température du fluide de refroidissement par rapport à l’art antérieur, et donc à tirer parti de l’efficacité accrue du refroidissement pour dimensionner la machine électrique.In other words, the invention consists in taking advantage of the lowering of the temperature of the cooling fluid compared to the prior art, and therefore of taking advantage of the increased efficiency of the cooling to size the electrical machine.
Au sens de la présente demande :For the purposes of this application:
- « axialement » signifie « parallèlement à l’axe de rotation de l’arbre »,- "axially" means "parallel to the axis of rotation of the shaft",
- « radialement » signifie « dans un plan perpendiculaire à l’axe de rotation de l’arbre et le long d’une droite coupant cet axe de rotation »,- "radially" means "in a plane perpendicular to the axis of rotation of the shaft and along a straight line intersecting this axis of rotation",
- « circonférentiellement » signifie « dans un plan perpendiculaire à l’axe de rotation de l’arbre et en se déplaçant autour de cet axe ».- "circumferentially" means "in a plane perpendicular to the axis of rotation of the shaft and moving around this axis".
Le paramètre structurel de la machine utilisée est par exemple l’un parmi: la dimension axiale du rotor, par exemple du paquet de tôles formant ledit rotor, la dimension axiale de la carcasse du stator sur laquelle est monté l’enroulement électrique de stator, ou encore le nombre de spires par phase de l’enroulement électrique de stator.The structural parameter of the machine used is for example one of: the axial dimension of the rotor, for example of the stack of laminations forming said rotor, the axial dimension of the frame of the stator on which the electric stator winding is mounted, or even the number of turns per phase of the electrical stator winding.
La puissance mécanique nominale sur l’arbre du rotor est par exemple de 15 kW ou de 25 kW, ou autre.The nominal mechanical power on the rotor shaft is for example 15 kW or 25 kW, or other.
La plage de valeurs dans laquelle se trouve la température du fluide de refroidissement peut être comprise entre 35°C et 45°C, étant par exemple comprise entre 35°C et 40°C, étant notamment égale à 40°C.The range of values in which the temperature of the cooling fluid is located can be between 35°C and 45°C, being for example between 35°C and 40°C, being in particular equal to 40°C.
Le rapport entre la puissance mécanique nominale sur l’arbre de la machine électrique et le volume occupé par cette machine électrique est par exemple supérieur à 10500 kW/m3, étant par exemple supérieur à 11000 kW/m3, par exemple supérieur à 12000 kW/m3. Ce rapport est notamment compris entre 12 388 kW/m3et 12 391 kW/m3lorsque la température du fluide de refroidissement, par exemple l’eau, est à 40°C. A titre de comparaison, ce même rapport peut être égal à 10 326 kW/m3lorsque le fluide refroidissement est de l’eau à 70°C.The ratio between the nominal mechanical power on the shaft of the electric machine and the volume occupied by this electric machine is for example greater than 10500 kW/m 3 , being for example greater than 11000 kW/m 3 , for example greater than 12000 kW/ m3 . This ratio is in particular between 12,388 kW/m 3 and 12,391 kW/m 3 when the temperature of the cooling fluid, for example water, is at 40°C. By way of comparison, this same ratio can be equal to 10,326 kW/m 3 when the cooling fluid is water at 70°C.
L’invention peut consister:The invention may consist of:
- soit à profiter de l’efficacité améliorée du refroidissement pour réduire la dimension axiale du rotor, notamment de son paquet de tôles, et de la carcasse du stator, donc le volume de la machine, tout en conservant la puissance mécanique nominale sur l’arbre identique à celle des machines refroidies à une température supérieure selon l’art antérieur. Cette réduction est par exemple comprise entre 10% et 33% de la dimension axiale du rotor et du stator d’une machine refroidie avec de l’eau à 70°C,- either to take advantage of the improved cooling efficiency to reduce the axial dimension of the rotor, in particular of its stack of laminations, and of the frame of the stator, and therefore the volume of the machine, while maintaining the nominal mechanical power on the shaft identical to that of machines cooled to a higher temperature according to the prior art. This reduction is for example between 10% and 33% of the axial dimension of the rotor and the stator of a machine cooled with water at 70°C,
- soit à profiter de l’efficacité améliorée du refroidissement pour conserver la dimension axiale du rotor, notamment de son paquet de tôles, et de la carcasse du stator, donc le volume de la machine identique à celui des machines refroidies à une température supérieure selon l’art antérieur, tout en augmentant la puissance mécanique nominale sur l’arbre par rapport à celle de ces machines selon l’art antérieur. Cette augmentation est par exemple de l’ordre de 10% à 20% de la puissance mécanique nominale d’une machine refroidie avec de l’eau à 70°C.- either to take advantage of the improved efficiency of the cooling to maintain the axial dimension of the rotor, in particular of its stack of laminations, and of the carcass of the stator, therefore the volume of the machine identical to that of machines cooled to a higher temperature according to the prior art, while increasing the nominal mechanical power on the shaft compared to that of these machines according to the prior art. This increase is for example of the order of 10% to 20% of the nominal mechanical power of a machine cooled with water at 70°C.
L’invention a encore pour objet, selon un autre de ses aspects, un ensemble, comprenant :Another subject of the invention, according to another of its aspects, is an assembly comprising:
- une machine électrique de propulsion d’un véhicule, tournant autour d’un axe, et- an electrical machine for propelling a vehicle, rotating around an axis, and
- un système de refroidissement de cette machine électrique, ce système de refroidissement comprenant :- a cooling system for this electric machine, this cooling system comprising:
- un circuit de refroidissement de la machine électrique parcouru par un fluide de refroidissement,- a cooling circuit of the electric machine traversed by a cooling fluid,
- une boucle de climatisation utilisant un fluide réfrigérant, et- an air conditioning loop using a refrigerant fluid, and
- une interface d’échange thermique entre ce circuit de refroidissement et la boucle de climatisation, cette interface étant agencée pour permettre de refroidir le fluide du circuit de refroidissement en évacuant de la chaleur par le fluide réfrigérant de la boucle de climatisation,- a heat exchange interface between this cooling circuit and the air conditioning loop, this interface being arranged to make it possible to cool the fluid of the cooling circuit by evacuating heat by the refrigerant of the air conditioning loop,
le rapport entre la puissance mécanique nominale sur l’arbre de la machine et le volume de la machine étant supérieur à 10 500 kW/m3, étant par exemple supérieur à 11 000 kW/m3, par exemple supérieur à 12 000 kW/m3, étant notamment compris entre 12 388 kW/m3et 12 391 kW/m3.the ratio between the nominal mechanical power on the shaft of the machine and the volume of the machine being greater than 10,500 kW/m 3 , being for example greater than 11,000 kW/m 3 , for example greater than 12,000 kW/ m 3 , being in particular between 12,388 kW/m 3 and 12,391 kW/m 3 .
Le fluide du circuit de refroidissement peut être de l’eau, par exemple de l’eau glycolée.The cooling circuit fluid can be water, for example glycol water.
Le circuit de refroidissement peut comprendre au moins un canal de refroidissement parcouru par le fluide de refroidissement, et ce canal de refroidissement peut entourer au moins partiellement le stator de la machine électrique.The cooling circuit may include at least one cooling channel through which the cooling fluid passes, and this cooling channel may at least partially surround the stator of the electric machine.
Ce canal peut se trouver à l’intérieur d’un espace de refroidissement s’étendant entre deux parois sensiblement concentriques par rapport à l’axe de l’arbre du rotor. La paroi radialement intérieure de cet espace peut être directement en contact avec la carcasse du stator de la machine électrique. La paroi radialement extérieure de cet espace peut comprendre au moins un raccord pour définir l’entrée ou la sortie en fluide de refroidissement dans le canal. La paroi radialement extérieure de l’espace de refroidissement est par exemple le carter de la machine électrique.This channel may be inside a cooling space extending between two walls substantially concentric with respect to the axis of the rotor shaft. The radially inner wall of this space can be directly in contact with the carcass of the stator of the electric machine. The radially outer wall of this space can comprise at least one connection to define the inlet or the outlet for cooling fluid in the channel. The radially outer wall of the cooling space is for example the casing of the electrical machine.
Le fluide de refroidissement peut occuper en totalité l’espace de refroidissement, auquel cas l’espace de refroidissement et le canal de refroidissement sont confondus.The cooling fluid can completely occupy the cooling space, in which case the cooling space and the cooling channel are merged.
Le fluide réfrigérant de la boucle de climatisation est par exemple du fluide 1234yF. Cette boucle de climatisation peut refroidir l’habitacle du véhicule.The refrigerant of the air conditioning loop is for example 1234yF fluid. This air conditioning loop can cool the passenger compartment of the vehicle.
La boucle de climatisation comprend par exemple une conduite s’étendant à l’intérieur de l’espace de refroidissement précité, notamment du canal de refroidissement précité. Ainsi l’interface d’échange thermique peut être formée par la paroi de cette conduite, l’échange de chaleur entre le fluide réfrigérant et le fluide de refroidissement se faisant via cette paroi. Cette paroi de la conduite est par exemple réalisée en acier, en aluminium ou en inox.The air conditioning loop comprises for example a pipe extending inside the aforementioned cooling space, in particular the aforementioned cooling channel. Thus the heat exchange interface can be formed by the wall of this pipe, the heat exchange between the refrigerant fluid and the cooling fluid taking place via this wall. This wall of the pipe is for example made of steel, aluminum or stainless steel.
Cette conduite peut définir une pluralité de branches montées en parallèle, chacune de ces branches s’étendant à l’intérieur de l’espace de refroidissement précité. La conduite peut présenter une entrée en fluide réfrigérant et une sortie en fluide réfrigérant pour la connexion au reste de la boucle de climatisation.This pipe can define a plurality of branches mounted in parallel, each of these branches extending inside the aforementioned cooling space. The pipe may have a refrigerant fluid inlet and a refrigerant fluid outlet for connection to the rest of the air conditioning loop.
En variante, la boucle de climatisation ne comprend pas une telle conduite s’étendant à l’intérieur de l’espace de refroidissement et parcourue par le fluide réfrigérant. Un échangeur de chaleur spécifique est dans ce cas présent pour définir l’interface d’échange thermique permettant le transfert de chaleur du fluide de refroidissement vers le fluide réfrigérant.As a variant, the air conditioning loop does not include such a pipe extending inside the cooling space and through which the refrigerant fluid passes. A specific heat exchanger is in this case present to define the heat exchange interface allowing the transfer of heat from the cooling fluid to the refrigerant fluid.
La boucle de climatisation peut comprendre un ou plusieurs détendeurs, un évaporateur et un compresseur.The air conditioning loop can include one or more expansion valves, an evaporator and a compressor.
Dans tout ce qui précède, le rotor peut être un rotor à griffes. Ce rotor comprend alors une première et une deuxième roues polaires imbriquées, la première roue polaire définissant une série de griffes de forme globalement trapézoïdale, chaque griffe s'étendant axialement en direction de la deuxième roue polaire, la deuxième roue polaire définissant une série de griffes de forme globalement trapézoïdale, chaque griffe s'étendant axialement en direction de la première roue polaire. Un aimant permanent peut être reçu entre deux griffes consécutives circonférentiellement parlant pour le rotor. En variante, le rotor peut être autre qu’un rotor à griffes, comprenant par exemple un paquet de tôles.In all of the above, the rotor may be a claw rotor. This rotor then comprises a first and a second nested pole wheels, the first pole wheel defining a series of claws of generally trapezoidal shape, each claw extending axially in the direction of the second pole wheel, the second pole wheel defining a series of claws of generally trapezoidal shape, each claw extending axially in the direction of the first pole wheel. A permanent magnet can be received between two consecutive claws circumferentially speaking for the rotor. As a variant, the rotor can be other than a claw rotor, comprising for example a stack of laminations.
Dans tout ce qui précède, le rotor peut comprendre un nombre de paires de pôles quelconque, par exemple six ou huit paires de pôles.In all of the above, the rotor may comprise any number of pairs of poles, for example six or eight pairs of poles.
Dans tout ce qui précède, la machine électrique tournante peut avoir un stator ayant un enroulement électrique polyphasé, par exemple formé par des fils ou par des barres conductrices reliées les unes les autres.In all of the above, the rotating electrical machine may have a stator having a polyphase electrical winding, for example formed by wires or by conductive bars connected to each other.
La machine électrique tournante peut comprendre un composant électronique de puissance, apte à être connecté au réseau de bord du véhicule. Ce composant électronique de puissance comprend par exemple un onduleur/redresseur permettant, selon que la machine électrique fonctionne en moteur ou en génératrice, de charger un réseau de bord du véhicule ou d’être électriquement alimenté depuis ce réseau.The rotating electrical machine may comprise an electronic power component, able to be connected to the on-board network of the vehicle. This electronic power component comprises for example an inverter/rectifier making it possible, depending on whether the electric machine operates as a motor or a generator, to charge an on-board network of the vehicle or to be electrically supplied from this network.
La machine électrique tournante peut encore comprendre une poulie ou tout autre moyen de liaison vers le reste du groupe motopropulseur du véhicule. La machine électrique est par exemple reliée, notamment via une courroie, au vilebrequin du moteur thermique du véhicule. En variante, la machine électrique est reliée à d’autres emplacement du groupe motopropulseur, par exemple à l’entrée de la boîte de vitesses du point de vue du couple transitant vers les roues du véhicule, en sortie de la boîte de vitesses du point de vue du couple transitant vers les roues du véhicule, au niveau de la boîte de vitesses du point de vue du couple transitant vers les roues du véhicule, ou encore sur le train avant ou le train arrière de ce groupe motopropulseur.The rotating electrical machine may also include a pulley or any other means of connection to the rest of the vehicle's powertrain. The electric machine is for example connected, in particular via a belt, to the crankshaft of the heat engine of the vehicle. As a variant, the electric machine is connected to other locations of the powertrain, for example at the input of the gearbox from the point of view of the torque transiting towards the wheels of the vehicle, at the output of the gearbox from the point from the point of view of the torque transiting towards the wheels of the vehicle, at the level of the gearbox from the point of view of the torque transiting towards the wheels of the vehicle, or even on the front axle or the rear axle of this powertrain.
La machine électrique tournante n’est pas nécessairement une machine synchrone, pouvant être une machine asynchrone.The rotating electrical machine is not necessarily a synchronous machine, it can be an asynchronous machine.
L’invention pourra être mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre d’un exemple non limitatif de mise en œuvre de celle-ci et à l’examen du dessin annexé sur lequel:The invention can be better understood on reading the following description of a non-limiting example of its implementation and on examining the attached drawing in which:
On a représenté sur la Figure 1 un ensemble 1, comprenant une machine électrique 2 de propulsion d’un véhicule et un système de refroidissement 3 de cette machine électrique 2. La machine va maintenant être décrite plus en détail en référence aux figures 2 et 3.There is shown in Figure 1 an assembly 1, comprising an electric machine 2 for propelling a vehicle and a cooling system 3 of this electric machine 2. The machine will now be described in more detail with reference to Figures 2 and 3 .
La machine électrique tournante 2 peut former un alternateur ou un alterno-démarreur du véhicule. Cette machine électrique tournante peut être alimentée via un composant électronique de puissance 20 comprenant un onduleur/redresseur par une batterie dont la tension nominale est de 48V ou d’une valeur supérieure à 300V, par exemple.The rotating electrical machine 2 can form an alternator or an alternator-starter of the vehicle. This rotating electrical machine can be powered via a power electronic component 20 comprising an inverter/rectifier by a battery whose nominal voltage is 48V or a value greater than 300V, for example.
La machine électrique tournante 2 comporte un carter 4. A l'intérieur de ce carter 4, elle comporte, en outre, un arbre 5, un rotor 6 solidaire en rotation de l’arbre 5 et un stator 7 entourant le rotor 6. Le mouvement de rotation du rotor 6 se fait autour d’un axe X. La machine électrique tournante 2 est par exemple telle que représentée à la figure 3.The rotating electrical machine 2 comprises a casing 4. Inside this casing 4, it further comprises a shaft 5, a rotor 6 integral in rotation with the shaft 5 and a stator 7 surrounding the rotor 6. The Rotational movement of the rotor 6 takes place around an axis X. The rotating electrical machine 2 is for example as shown in Figure 3.
Le carter 4 comporte par exemple un palier avant 8 et un palier arrière 9 qui sont assemblés ensemble. Ces paliers 8, 9 sont de forme creuse et portent, chacun, centralement un roulement à billes 10, 11 respectif pour le montage à rotation de l'arbre 5.The casing 4 comprises for example a front bearing 8 and a rear bearing 9 which are assembled together. These bearings 8, 9 are hollow in shape and each carry centrally a respective ball bearing 10, 11 for the rotational mounting of the shaft 5.
Une poulie 12 est dans l’exemple considéré fixée sur une extrémité avant de l’arbre 5, au niveau du palier avant 8, par exemple à l’aide d’un écrou en appui sur le fond de la cavité de cette poulie. Cette poulie 12 permet de transmettre le mouvement de rotation à l’arbre 5 et elle peut être reliée via une courroie au vilebrequin du moteur thermique du véhicule.A pulley 12 is in the example considered fixed on a front end of the shaft 5, at the level of the front bearing 8, for example using a nut resting on the bottom of the cavity of this pulley. This pulley 12 makes it possible to transmit the rotational movement to the shaft 5 and it can be connected via a belt to the crankshaft of the heat engine of the vehicle.
L’extrémité arrière de l’arbre 5 porte, ici, des bagues collectrices appartenant à un collecteur et reliées par des liaisons filaires au bobinage. Des balais appartenant à un porte-balais sont disposés de façon à frotter sur les bagues collectrices.The rear end of shaft 5 carries, here, slip rings belonging to a collector and connected by wire connections to the winding. Brushes belonging to a brush holder are arranged to rub on the slip rings.
Dans cet exemple de réalisation, le stator 7 comporte une carcasse 15 en forme d'un paquet de tôles doté d'encoches, par exemple du type semi fermée ou ouverte, équipées d’isolant d’encoches pour le montage de l’enroulement électrique polyphasé du stator. Chaque phase comporte un enroulement 16 traversant les encoches de la carcasse 15 et formant, avec toutes les phases, un chignon avant et un chignon arrière de part et d'autre du corps du stator. Les enroulements 16 sont par exemple obtenus à partir d’un fil continu recouvert d’émail ou à partir d’éléments conducteurs en forme de barre tels que des épingles reliées entre elles. L’enroulement électrique du stator est par exemple triphasé, mettant alors en œuvre un montage en étoile ou en triangle dont les sorties sont reliées au composant électronique de puissance 20.In this embodiment, the stator 7 comprises a carcass 15 in the form of a stack of laminations provided with notches, for example of the semi-closed or open type, equipped with notch insulation for mounting the electrical winding polyphase of the stator. Each phase comprises a winding 16 passing through the notches of the carcass 15 and forming, with all the phases, a front bun and a rear bun on either side of the body of the stator. The windings 16 are for example obtained from a continuous wire covered with enamel or from conductive elements in the form of a bar such as pins connected together. The electrical winding of the stator is for example three-phase, then implementing a star or triangle connection, the outputs of which are connected to the electronic power component 20.
Dans l’exemple de la figure 3, le rotor 6 est un rotor à griffe. Il comporte deux roues polaires 17. La première roue polaire 17 est tournée vers le composant électronique de puissance 20 tandis que la deuxième roue polaire 17 est tournée vers la poulie 12.In the example of Figure 3, the rotor 6 is a claw rotor. It comprises two pole wheels 17. The first pole wheel 17 is turned towards the electronic power component 20 while the second pole wheel 17 is turned towards the pulley 12.
Chacune des roues polaires 17 comprend un fond 18 s’étendant radialement de part et d’autre de l’axe X, la roue définissant une série de griffes 19 de forme globalement trapézoïdale. Chaque griffe d’une roue polaire 17 s'étend axialement en direction de l’autre roue polaire depuis une base disposée sur la périphérie radialement extérieure du fond 18. Dans une variante, le rotor n’est pas à griffes, mettant en œuvre un empilement de tôles par exemple.Each of the pole wheels 17 comprises a bottom 18 extending radially on either side of the axis X, the wheel defining a series of claws 19 of generally trapezoidal shape. Each claw of a pole wheel 17 extends axially in the direction of the other pole wheel from a base arranged on the radially outer periphery of the bottom 18. In a variant, the rotor is not clawed, implementing a stacking of sheets for example.
On va maintenant décrire plus en détail le système de refroidissement 3 de la machine électrique 1. Ce système de refroidissement 3 met en œuvre deux fluides différents, à savoir un fluide de refroidissement qui est ici de l’eau glycolée,et un fluide réfrigérant qui est ici du 1234yF.We will now describe the cooling system 3 of the electric machine 1 in more detail. This cooling system 3 uses two different fluids, namely a cooling fluid which is here glycol water , and a cooling fluid which here is 1234yF.
Le fluide de refroidissement circule dans un circuit de refroidissement 30 tandis que le fluide réfrigérant circule dans une boucle de climatisation 40 de l’habitacle.The cooling fluid circulates in a cooling circuit 30 while the refrigerant fluid circulates in an air conditioning loop 40 of the passenger compartment.
Comme on peut le voir sur la figure 1, le circuit de refroidissement comprend dans l’exemple considéré un canal de refroidissement 31 qui est dans l’exemple de la figure 2 ménagé dans l’espace défini entre une paroi radialement intérieure en contact avec la carcasse 15 du stator 7 et une paroi radialement extérieure étant le carter 4 de la machine électrique. Ce canal de refroidissement 31 entoure donc le stator 7 dans l’exemple considéré. Le canal présente une entrée et une sortie pour sa connexion au reste du circuit de refroidissement 30. Ces entrées et ces sorties peuvent se présenter sous la forme de tubulures faisant saillie sur la paroi du carter 4 de la machine électrique 2. Comme on peut le voir sur la figure 1, le circuit de refroidissement 30 peut encore comprendre une pompe 32 forçant la circulant du fluide de refroidissement dans le canal 31 pour refroidir la machine électrique 2.As can be seen in Figure 1, the cooling circuit comprises in the example considered a cooling channel 31 which is in the example of Figure 2 provided in the space defined between a radially inner wall in contact with the carcass 15 of the stator 7 and a radially outer wall being the casing 4 of the electric machine. This cooling channel 31 therefore surrounds the stator 7 in the example considered. The channel has an inlet and an outlet for its connection to the rest of the cooling circuit 30. These inlets and these outlets can be in the form of pipes projecting from the wall of the casing 4 of the electric machine 2. As can be seen see in Figure 1, the cooling circuit 30 may further comprise a pump 32 forcing the circulation of the cooling fluid in the channel 31 to cool the electrical machine 2.
Dans l’exemple considéré, le circuit de refroidissement 30 comprend encore une interface d’échange thermique 35 pour un refroidissement par le fluide réfrigérant. L’interface d’échange thermique 35 est par exemple un échangeur de chaleur se présentant par exemple sous la forme d’un boîtier ou être autre, comme décrit ultérieurement.In the example considered, the cooling circuit 30 further comprises a heat exchange interface 35 for cooling by the refrigerant fluid. The heat exchange interface 35 is for example a heat exchanger, for example in the form of a box or other, as described later.
La boucle de climatisation 40 comprend dans l’exemple décrit deux branches 41 et 42. Chacune de ces branches 41 et 42 comprend par exemple une vanne d’entrée 43 contrôlant le passage du fluide réfrigérant dans ladite branche, et un détendeur 44. L’une des branches comprend encore, en aval du détendeur 44, un évaporateur 45, tandis que l’autre branche comprend encore, en aval du détendeur 44, l’interface d’échange thermique 35. Ces deux branches 41 et 42 se rejoignent dans l’exemple considéré en amont d’un compresseur 48. On constate dans l’exemple décrit que la boucle de climatisation 40 comprend encore, dans l’exemple considéré un condenseur 49 disposé en aval du compresseur 48. Ce condenseur 49 peut être disposé dans le flux d’air circulant en face avant du véhiculeThe air conditioning loop 40 comprises in the example described two branches 41 and 42. Each of these branches 41 and 42 comprises for example an inlet valve 43 controlling the passage of the refrigerant fluid in said branch, and an expansion valve 44. one of the branches further comprises, downstream of the expander 44, an evaporator 45, while the other branch further comprises, downstream of the expander 44, the heat exchange interface 35. These two branches 41 and 42 meet in the example considered upstream of a compressor 48. It can be seen in the example described that the air conditioning loop 40 further comprises, in the example considered, a condenser 49 disposed downstream of the compressor 48. This condenser 49 may be disposed in the air flow circulating in front of the vehicle
Dans l’exemple considéré, la boucle de climatisation 40 comprend une conduite 50 s’étendant à l’intérieur du canal de refroidissement 31. Cette conduite 50 est ici définie par un tube qui présente une forme cylindrique et qui ménage une pluralité de branches en parallèle, chacune de ces branches s’étendant à l’intérieur de l’espace de refroidissement précité. Chaque branche s’étend dans l’exemple considéré suivant un cercle ou un arc de cercle. La conduite présente une entrée 52 en fluide réfrigérant et une sortie 53 en fluide réfrigérant pour la connexion au reste de la boucle de climatisation 40.In the example considered, the air conditioning loop 40 comprises a pipe 50 extending inside the cooling channel 31. This pipe 50 is here defined by a tube which has a cylindrical shape and which provides a plurality of branches in parallel, each of these branches extending inside the aforementioned cooling space. Each branch extends in the example considered along a circle or an arc of a circle. The pipe has a refrigerant inlet 52 and a refrigerant outlet 53 for connection to the rest of the air conditioning loop 40.
Dans l’exemple de la figure 2, le passage du fluide réfrigérant via la conduite 50 à l’intérieur du canal 31 du circuit de refroidissement 30 permet un échange de chaleur à travers la paroi de la conduite 50 entre le fluide réfrigérant circulant à l’intérieur de la conduite 50 et le fluide de refroidissement circulant à l’extérieur de celle-ci dans le canal de refroidissement 31. Cette coopération définit dans cet exemple l’interface d’échange thermique 35 permettant le refroidissement du fluide de refroidissement par le fluide réfrigérant. Cette coopération peut favoriser le maintien de la température du fluide de refroidissement venant au contact du stator 7 de la machine électrique tournante à une température maximale de 40°C. Le cas échéant, un dépassement de cette valeur de température de 40°C peut s’accompagner de mesures compensatoires, comme le derating (allégement de régime).In the example of FIG. 2, the passage of the refrigerant fluid via the pipe 50 inside the channel 31 of the cooling circuit 30 allows an exchange of heat through the wall of the pipe 50 between the refrigerant fluid circulating at the inside the pipe 50 and the cooling fluid circulating outside it in the cooling channel 31. This cooperation defines in this example the heat exchange interface 35 allowing the cooling of the cooling fluid by the refrigerant fluid. This cooperation can help maintain the temperature of the cooling fluid coming into contact with the stator 7 of the rotating electrical machine at a maximum temperature of 40°C. If necessary, exceeding this temperature value of 40°C can be accompanied by compensatory measures, such as derating (reduction of the diet).
L’invention vise à tirer parti de cette plage de valeurs pour la température du fluide de refroidissement de la machine électrique pour dimensionner cette machine électrique 2 en conséquence, compte-tenu également de la puissance mécanique nominale dont on souhaite disposer sur l’arbre 5 de la machine électrique.The invention aims to take advantage of this range of values for the temperature of the cooling fluid of the electric machine to size this electric machine 2 accordingly, also taking into account the nominal mechanical power which it is desired to have on the shaft 5 of the electric machine.
En effet, lorsque la machine électrique fonctionne à puissance nominale et à haute vitesse en mode de défluxage, par exemple à 10 000 tr/min, la puissance peut être considérée comme proportionnelle au courant de court-circuit dans l’enroulement électrique de stator 16. Les pertes électriques dans ce mode de fonctionnement peuvent être considérées à 70% comme causées par les pertes cuivre qui sont proportionnelles au carré de ce courant de court-circuit. Or, ces pertes cuivre dépendent également de l’écart de température entre l’enroulement électrique 16 de stator et le fluide de refroidissement dans le canal de refroidissement 31 selon l’équation suivante:Indeed, when the electric machine operates at nominal power and at high speed in field weakening mode, for example at 10,000 rpm, the power can be considered proportional to the short-circuit current in the electrical stator winding 16 The electrical losses in this mode of operation can be considered at 70% as caused by the copper losses which are proportional to the square of this short-circuit current. However, these copper losses also depend on the temperature difference between the electrical stator winding 16 and the cooling fluid in the cooling channel 31 according to the following equation:
où Rthest la résistance thermique et ΔT l’écart de température précité.where R th is the thermal resistance and ΔT the aforementioned temperature difference.
Le fait de prévoir une température du fluide de refroidissement plus basse que selon l’artThe fact of providing a temperature of the cooling fluid lower than according to the art
Antérieur, par exemple 40°C contre 70°C, permet d’augmenter cet écart de température et donc d’augmenter les pertesEarlier, for example 40°C against 70°C, makes it possible to increase this temperature difference and therefore to increase the losses
cuivre.copper.
En considérant par exemple que l’enroulement électrique du stator 16 est à 180°C, l’invention tire parti du passage de cet écart de température d’une valeur de 110°C pour un fluide refroidissement à 70°C à une valeur de 140°C pour un fluide de refroidissement à 40°C, pour dimensionner la machine électrique tournante 2. En effet, les pertes joules peuvent êtreConsidering for example that the electric winding of the stator 16 is at 180° C., the invention takes advantage of the passage of this temperature difference from a value of 110° C. for a cooling fluid at 70° C. to a value of 140°C for a cooling fluid at 40°C, to size the rotating electrical machine 2. Indeed, the joule losses can be
augmentées de (140-110)/110= 32 %. Comme ces pertes sont proportionnelles à (NI)², N étant le nombre de spires au stator, les ampères tours NI sont augmentés de 16 %. Cette augmentation de NI de 16% correspond à une augmentation de 16% de la force électromotrice pour une spire. Il résulte de cette dernière augmentation une augmentation de 16% de la valeur efficace du courant de court-circuit de la machine, d’où une augmentation de 32% du couple moteur fourni par cette machine électrique.increased by (140-110)/110= 32%. As these losses are proportional to (NI)², N being the number of turns in the stator, the ampere turns NI are increased by 16%. This 16% increase in NI corresponds to a 16% increase in the electromotive force for one turn. This last increase results in a 16% increase in the effective value of the short-circuit current of the machine, resulting in a 32% increase in the motor torque provided by this electrical machine.
Selon l’invention et dans le cas d’un passage d’une température du fluide de refroidissement de 70°C à 40°C, on peut ainsi soit tirer parti de cette augmentation de valeur de cet écart en:According to the invention and in the case of a change in temperature of the cooling fluid from 70°C to 40°C, it is thus possible either to take advantage of this increase in value of this difference by:
- réduisant la longueur active de la machine électrique, c’est-à-dire la dimension axiale de la carcasse 15 du stator 7 et la dimension axiale du rotor, notamment de son paquet de tôles, si l’on souhaite par exemple conserver la même constante de couple entre la machine refroidie à 40°C et celle refroidie à 70°C et conserver également le même courant de court-circuit pour ces deux machines. On peut également augmenter le nombre de spires au stator par phase.- reducing the active length of the electrical machine, that is to say the axial dimension of the carcass 15 of the stator 7 and the axial dimension of the rotor, in particular of its stack of laminations, if one wishes for example to keep the same torque constant between the machine cooled to 40°C and that cooled to 70°C and also keep the same short-circuit current for these two machines. It is also possible to increase the number of stator turns per phase.
- augmenter les performances de la machine électrique en conservant la même longueur active que pour une machine refroidie à 70°C et le même nombre de spires au stator par phase.- increase the performance of the electric machine by maintaining the same active length as for a machine cooled to 70°C and the same number of stator turns per phase.
Dans un exemple plus détaillé et non limitatif, on considère une machine électrique tournante 2 refroidie par de l’eau à 70°C dont les caractéristiques sont les suivantes:In a more detailed and non-limiting example, a rotating electrical machine 2 cooled by water at 70° C. is considered, the characteristics of which are as follows:
- dimension axiale de la carcasse du stator: 66 mm- axial dimension of the stator frame: 66 mm
- dimension axiale du paquet de tôles du rotor: 66 mm- axial dimension of the rotor sheet pack: 66 mm
- diamètre extérieur du stator: 161 mm- outer diameter of the stator: 161 mm
- diamètre intérieur du stator 123 mm- internal diameter of the stator 123 mm
- diamètre extérieur du rotor: 122 mm- rotor outer diameter: 122 mm
- diamètre intérieur du rotor: 28 mm- inner rotor diameter: 28 mm
- taille de l’entrefer: 0,5 mm- air gap size: 0.5 mm
- nombre de phases de l’enroulement électrique de stator: 6- number of phases of the electric stator winding: 6
- couplage de l’enroulement électrique de stator: triangle- coupling of the electrical stator winding: triangle
- nombre de paires de poles du rotor: 5- number of rotor pole pairs: 5
- nombre d’encoches dans la carcasse du stator: 60,- number of notches in the stator carcass: 60,
- type d’enroulement électrique du stator: barres conductrices reliées les unes les autres,- type of electrical winding of the stator: conductive bars connected to each other,
- nombre de spires par phaseau stator: 20,- number of turns per stator phase: 20,
- valeur efficace de la force électromotrice interphases à 1000 tr/min: 8,32 V- effective value of the interphase electromotive force at 1000 rpm: 8.32 V
- valeur efficace du court de ligne en court-circuità 21000 tr/min : 152 A- effective value of line short in short-circuit at 21000 rpm: 152 A
- valeur efficace du courant de phase en court-circuit à 21000 tr/min: 88 A- rms value of short-circuit phase current at 21000 rpm: 88 A
- puissance électrique: 20,333 kW- electrical power: 20.333 kW
L’application de l’invention à cet exemple permet, si l’on souhaite conserver la même puissance de 20,333 kW lorsque la machine est refroidie par de l’eau à 40°C, de réduire la dimension axiale de la carcasse 15 du stator et du paquet de tôles du rotor à 46 mm, soit une réduction de 32% de cette dimension axiale. Dans ce cas, on augmente le nombre de spires par phase au stator à 23, soit une augmentation de 16%.The application of the invention to this example makes it possible, if it is desired to maintain the same power of 20.333 kW when the machine is cooled by water at 40° C., to reduce the axial dimension of the carcass 15 of the stator and the rotor lamination package to 46 mm, a reduction of 32% of this axial dimension. In this case, the number of turns per phase at the stator is increased to 23, ie an increase of 16%.
Si l’on souhaite conserver, pour une machine refroidie par de l’eau à 40°C, les mêmes dimensions géométriques et le même nombre de spires par phase que dans le cas de la machine initiale refroidie par de l’eau à 70°C, la valeur efficace de la force électromotrice interphases à 1000 tr/min passe à 11 V, soit une augmentation de 30%. Le couple passe de 85 Nm à 105 Nm.If it is desired to retain, for a machine cooled by water at 40°C, the same geometric dimensions and the same number of turns per phase as in the case of the initial machine cooled by water at 70° C, the effective value of the interphase electromotive force at 1000 rpm increases to 11 V, an increase of 30%. The torque increases from 85 Nm to 105 Nm.
L’invention n’est pas limitée aux exemples qui viennent d’être décrits.The invention is not limited to the examples which have just been described.
Claims (5)
procédé dans lequel :
- on connait la plage de valeurs dans laquelle se trouve la température du fluide de refroidissement,
- on détermine la valeur de la puissance mécanique nominale sur l’arbre de la machine électrique (2), et
- on détermine au moins un paramètre structurel de la machine électrique de manière à ce que cette puissance nominale soit présente sur l’arbre de la machine électrique lorsqu’elle est refroidie par le fluide de refroidissement dont la température se trouve dans la plage de valeurs,
procédé dans lequel on réalise la machine de telle sorte que le rapport entre la puissance mécanique nominale sur l’arbre de la machine électrique et le volume occupé par cette machine électrique soit supérieur à 10500 kW/m3, étant par exemple supérieur à 11000 kW/m3, par exemple supérieur à 12000 kW/m3.Method for making an electric propulsion machine (2) for a vehicle, the machine rotating around an axis (X) and being cooled by a cooling circuit (30) using a cooling fluid, this cooling fluid being cooled via a heat exchange interface (35) by a refrigerant fluid circulating in an air conditioning loop (40) of the vehicle,
process in which:
- we know the range of values in which the temperature of the cooling fluid is found,
- the value of the nominal mechanical power on the shaft of the electrical machine (2) is determined, and
- at least one structural parameter of the electric machine is determined so that this nominal power is present on the shaft of the electric machine when it is cooled by the cooling fluid whose temperature is in the range of values ,
process in which the machine is made in such a way that the ratio between the nominal mechanical power on the shaft of the electric machine and the volume occupied by this electric machine is greater than 10500 kW/m 3 , being for example greater than 11000 kW /m 3 , for example greater than 12000 kW/m 3 .
- une machine électrique de propulsion (2) d’un véhicule, tournant autour d’un axe (X), et
- un système de refroidissement (3) de cette machine électrique, ce système de refroidissement comprenant :
- un circuit de refroidissement (30) de la machine électrique parcouru par un fluide de refroidissement,
- une boucle de climatisation (40) utilisant un fluide réfrigérant, et
- une interface d’échange thermique (35) entre ce circuit de refroidissement (30) et la boucle de climatisation (40), cette interface (35) étant agencée pour permettre de refroidir le fluide du circuit de refroidissement (30) en évacuant de la chaleur par le fluide réfrigérant de la boucle de climatisation (40),
le rapport entre la puissance mécanique nominale sur l’arbre de la machine et le volume de la machine étant supérieur à 10 500 kW/m3, étant par exemple supérieur à 11 000 kW/m3, par exemple supérieur à 12 000 kW/m3, étant notamment compris entre 12 388 kW/m3et 12 391 kW/m3.Set (1), including:
- an electric propulsion machine (2) of a vehicle, rotating around an axis (X), and
- a cooling system (3) for this electric machine, this cooling system comprising:
- a cooling circuit (30) of the electric machine traversed by a cooling fluid,
- an air conditioning loop (40) using a refrigerant fluid, and
- a heat exchange interface (35) between this cooling circuit (30) and the air conditioning loop (40), this interface (35) being arranged to make it possible to cool the fluid from the cooling circuit (30) by evacuating the heat by the refrigerant of the air conditioning loop (40),
the ratio between the nominal mechanical power on the shaft of the machine and the volume of the machine being greater than 10,500 kW/m 3 , being for example greater than 11,000 kW/m 3 , for example greater than 12,000 kW/ m 3 , being in particular between 12,388 kW/m 3 and 12,391 kW/m 3 .
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