FR2971376A1 - Dispositif de refroidissement des bobines des moteurs electriques d'un vehicule par caloduc - Google Patents

Abstract

Dispositif de refroidissement d'un moteur électrique comportant au moins un caloduc caractérisé en ce que ledit au moins un caloduc est implanté sur le stator dudit moteur, perpendiculairement aux encoches utilisées par le bobinage dudit stator, en contact d'au moins une tête de bobine dudit stator.

Description

Dispositif de refroidissement des bobines des moteurs électriques d'un véhicule par caloduc L'invention concerne les systèmes de refroidissement des moteurs électriques des véhicules et, plus précisément, un dispositif de refroidissement par caloducs destinés à refroidir les bobinages des machines électriques utilisés dans un véhicule automobile. Le refroidissement des bobinages d'une machine électrique assume un rôle essentiel car parmi les pertes de rendement d'un moteur électrique ou d'un générateur, u ne part importante est prise par les pertes Joule qui sont proportionnelles à la température du fil des bobinages. Refroidir le fil est d'autant plus difficile que le fil présente une surface limitée pour l'échange de chaleur. Pour cela, on ne dispose, en effet, que de la surface d'échange des têtes des bobines. De plus la surface utile est seulement la surface extérieure des têtes de bobines car elle est la seule à être exposée. Dans un souci d'efficacité il semble nécessaire d'augmenter la capacité d'échange en rajoutant des éléments de refroidissement supplémentaire qui peuvent servir d'échangeur complémentaire aux têtes de bobines, ou des éléments externes qui puissent pulser du fluide frais sur le stator. Toutefois, si l'on dispose d'un quelconque élément ou dispositif de refroidissement, qui occupe partiellement ou complètement une ou plusieurs encoches, le taux de remplissage utile de l'encoche pour les bobinages est fortement diminué. Ils s'en suivent des dimensionnements en courant de ces machines bien inférieurs et des pertes Joule qui augmente. Les techniques actuelles connues consistent à utiliser différents moyens complémentaires pour refroidir les têtes des bobines et notamment des caloducs. Dans le domaine des machines électriques ferroviaires il est fréquent de 30 trouver des systèmes de refroidissement complémentaires à base de moteur à air pulsé. - 2 Le brevet US801843 nous décrit un refroidissement à base de caloducs justement insérés dans les encoches, ce qui a comme inconvénient d'augmenter les pertes Joule. En effet, le dispositif de refroidissement occupe une partie de la section de l'encoche, ce qui fait que le même courant doit passer par une section plus réduite, d'où des pertes Joules plus importantes. De plus l'occupation d'une partie de la section de l'encoche amène à réduire le dimensionnement en courant des machines : le refroidissement est en concurrence avec le remplissage des encoches.

L'augmentation de surface d'échange se fait au détriment de la disponibilité de l'encoche. Nous connaissons comme reporté dans le brevet JP 57062754A, l'utilisation d'un bain liquide qui change de phase et se condense dans un échangeur extérieur à la machine au dessus des têtes des bobines ; cette méthode a l'inconvénient d'avoir une surface exposée du fluide caloporteur très faible. Le brevet JP 60118039A, nous décrit un système de refroidissement par caloducs situés sur des échangeurs également insérés dans les encoches. Malheureusement lorsqu'on remplit les encoches on réduit d'autant la section utile du conducteur et on augmente donc les pertes joules. Tous ces cas cités ci-dessus ont l'inconvénient de disposer d'une surface d'échange très faible pour le refroidissement de l'ensemble des bobinages. Dans ces types d'applications, il semble important de pouvoir refroidir les bobines en augmentant la surface d'échange. Un but de la présente invention est de pallier aux inconvénients cités par un système de refroidissement basé sur au moins un caloduc: - situés sur un stator bobiné sur dents, - en contact avec des couches de bobinage qui fait baisser la température du fil grâce à une augmentation notable de la surface d'échange thermique. 2971376 -3 Dans ce but l'invention propose dispositif de refroidissement d'un moteur électrique comportant au moins un caloduc implanté sur le stator dudit moteur, perpendiculairement aux encoches utilisées par le bobinage dudit stator, en contact d'au moins une tête de bobine dudit stator ce qui permet de libérer de 5 l'espace dans l'encoche en laissant une plus grande disponibilité pour le bobinage. La surface d'échange est considérablement augmentée en multipliant le nombre des caloducs utilisés sur chaque dent du stator. Egalement, chaque couche du bobinage peut être exposée à l'échange 10 thermique sur les deux faces du stator, par l'intermédiaire d'au moins un couple de caloducs par dent. On peut, avantageusement, augmenter la surface d'échange en maximisant le nombre de couches de bobinage intercalées avec des caloducs. Chaque couche de bobinage est avantageusement refroidie par 15 l'échange thermique qui se produit entre chaque caloduc situé de chaque côté du stator. Avantageusement, le cuivre et l'aluminium, qui sont des excellents conducteurs thermiques et électriques, seront les matières choisies pour la réalisation des bobinages et du caloduc. 20 Un autre avantage, est la très grande uniformité de température dans le dispositif car la thermique est ainsi maîtrisée non seulement sur la section latérale de l'encoche mais également en profondeur dans l'encoche. Avantageusement les caloducs peuvent être plats et les fils du bobinage carrés afin d'avoir une plus grande adhérence entre ces éléments et donc un 25 meilleur échange thermique. Par rapport à un système de refroidissement d'un moteur électrique bénéficiant d'un circuit de refroidissement à eau, qui entoure le carter, l'invention est un dispositif qui bénéficie avantageusement d'une résistance thermique plus faible car la chaleur n'a pas besoin de traverser tout le 30 bobinage en plus du stator et de la paroi intérieure du carter, pour être évacuée. - 4 Un autre avantage de l'invention est que le changement de phase dans le caloduc permet d'absorber de la chaleur à un différentiel de température constant et donc de maximiser le flux de chaleur échangé. Et enfin on peut avantageusement encapsuler le moteur dans un carter en réduisant considérablement les émissions acoustiques dues aux mouvements d'air, tout en laissant les caloducs exposés au flux d'air qui les refroidit. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée illustrée par les figures suivantes sur le quelles : - la figure 1 est une vue en perspective de l'implantation sur le stator d'un caloduc avec des fils carrés, selon l'invention, - les figures 2a et 2 b représentent deux vues en coupe, respectivement, longitudinale, selon le plan qui passe par les axes V et T, et transversale, selon le plan qui passe par les axes T et L, d'une dent du stator équipée de caloducs positionnés entre les couches successives de bobinages, - la figure 3 représente un schéma de principe d'une machine utilisant, les caloducs pour son refroidissement, selon l'invention, - Les figures 4a et 4b représentent deux vues en coupe transversale, et longitudinale d'une dent du stator avec des caloducs tenus par une résine de fixation, - La figura 5 représente le caloduc à structure capillaire pour le refroidissement, - La figure 6 représente le dispositif de refroidissement, selon l'invention, utilisé sur un stator à bobinage diamétrale - La figure 7 représente le positionnement des caloducs par rapport au bobinage diamétral.

Dans la description qui va suivre on a adopté, par commodité, une orientation longitudinale, verticale et transversale selon le trièdre LVT, représenté sur les figures. 2971376 -5 En figure 1 on observe l'implantation d'au moins deux caloducs plats 11 sur une dent 12 d'un stator 13 bobiné sur dents. Au moins un caloduc 11 est fixé sur chaque coté du stator le long d'une direction radiale qui suit le rayon de la surface latérale du stator 13 qui passe par la dent 12. Les caloducs 11 sont 5 disposés symétriquement, chacun sur les deux faces de la dent, dans la direction radiale qui passe par son axe. Les caloducs adhèrent à la surface externe de la dent et sont recouverts à la base par un bobinage réalisé avec des fils. Pour un contact plus étendu et en vue d'un échange thermique amélioré, les caloducs 11 sont plats et les fils 10 peuvent être carrés.

10 Un premier mode de réalisation est illustré en figure 2a où une vue de section selon un plan orthogonal à l'axe L, qui passe par un rayon du stator et par les axes T et V met en évidence l'implantation des bobinages 10 alternés avec des caloducs 11 sur une dent 12. Chaque couche de bobinage sur une dent est suivie d'un couple de caloducs 11, chaque caloduc du couple étant 15 disposé à plat de chaque côté de la dent 12. Une couche de bobinages 10 est à son tour embobiné autour de ce couple de caloducs 11. Ainsi de suite, encore un couple de caloducs 11 est alterné aux bobines jusqu' à obtenir, dans cet exemple, l'alternance de cinq bobinages 10 intercalés avec quatre couples de caloducs 11 par dent 12, ce qui fait un total de 8 caloducs par dent 12.

20 La figure 2b montre ce même mode de réalisation, où on observe les cinq couches de bobinages et les 4 couples de caloducs par dent, à travers une section orthogonale à la dent 12, et à l'axe V, sur un plan qui passe par L et T. Les couches de bobinages 10 s'alternent avec les caloducs 11 qui sont disposés par quatre. On observe les quatre caloducs d'un côté et d'autre de la 25 dent 12 dans la direction de l'axe T. Quatre caloducs sont disposés sur une face de la dent 12 du stator 13, les quatre autres sont disposés sur la face opposée du stator 13. Les caloducs 11 sont montés en alternance avec les couches de bobinage 10 et de manière symétrique. En figure 3 on observe une vue de face selon un plan orthogonal à l'axe 30 T qui passe par V et L. Le schéma de principe illustré dans cette figure montre un mode de réalisation qui associe chaque dent 12 du stator 13 à un couple de caloducs 11, chacun disposé sur une face de la dent 13, pour un total de seize 2971376 -6 caloducs. Le stator 13 comporte huit dents 12 sur lesquels les bobinages 10 sont enroulés autour des caloducs 11. Le refroidissement est réalisé par l'échange thermique provoqué par le passage d'un fluide frais sur les ailettes des caloducs 11.

5 La figure 3 illustre également les caloducs disposés autour du stator 13 sur 360 degrés : trois des caloducs 30 représentés sont positionnés à l'envers de leur position naturelle c'est-à-dire avec leur condenseur au-dessous de l'évaporateur. En effet la base des caloducs avec les bobinages sont en haut alors que la tête avec les ailettes 17 des ces mêmes caloducs 30 sont en bas 10 et refroidissent la partie basse du moteur. Il s'agit de caloducs capillaires. En figure 4a il est illustré un caloduc 11 capillaire. Comme on peut le voir en figure 4a, pour assurer un bon retour de liquide, une structure capillaire est créée à l'intérieur du caloduc. Comme on peut le constater, en regardant en figure 4b, le caloduc a une 15 section circulaire avec des parois internes 15 à structure capillaire. La figure 4 b, en effet, qui représente la coupe orthogonale à l'axe V, du corps de ce caloduc, sur un plan qui passe par les axes L et T, montre qu'elle est circulaire et correspond à cet autre mode de réalisation qui utilise des caloducs capillaires.

20 En effet, le caloduc étant positionné tête en bas il est nécessaire de créer des rayures 14. Elles peuvent être mises en place lors de la fabrication du caloduc 11 plat soit par l'extrusion soit par un matériel rapporté. Cette structure capillaire permet de faire fonctionner un caloduc positionné à l'envers c'est-à-dire la tête 25 en bas. Le fluide présent à l'intérieur des capillarités passe systématiquement de l'état liquide 16 à l'état de gaz 17. Quand il circule dans la zone chaude qui est la zone en contact avec les bobinages il s'évapore 17 et quand il circule dans la zone froide qui est la zone où se trouvent les ailettes il se condense et redevient liquide. En effet le contact des ailettes avec le flux d'air frais de 30 l'extérieur permet grâce à cet échange de refroidir le caloduc. Egalement en figure 4a on peut observer le parcours du fluide avec ses changements d'état, à l'intérieur du caloduc capillaire. 2971376 -7 En figure 5 on peut observer un autre mode de réalisation qui permet au moteur de bénéficier d'une amélioration acoustique. En effet le moteur est carterisé et bénéficie d'un isolement acoustique dû au carter qui entoure complètement le moteur. La carterisation prévue dans ce mode de réalisation 5 n'affecte pas le refroidissement car il est assuré par les caloducs 11. En effet les caloducs 11 sont en dehors de la protection acoustique du moteur et restent soumis au passage du flux du fluide de refroidissement. Pour tenir les caloducs solidaires au stator on utilise des émaux de fil thermo-fusibles ou de la résine d'imprégnation. L'avantage des résines est de 10 ne pas imposer des brides pour tenir les caloducs 11. En figure 5, l'encapsulage du moteur est réalisé et une résine spécifique 21 bride les caloducs. L'invention est également transposable sur un stator 20 à bobinage diamétral.

15 La figure 6 montre une vue de face d'un stator à bobinage diamétral qui comporte au moins un couple de caloducs par dent. On peut observer l'assemblage des caloducs en figure 7. Ce système utilisé sur un stator à bobinage diamétral est toutefois moins performant à cause d'une moindre surface d'échange au vue de la difficulté 20 d'intercaler les bobinages et les caloducs. Les caloducs 11 sont fixés sur les têtes de bobine et malgré la complexité de réalisation le refroidissement est toujours efficace grâce aux seize fois deux caloducs présents en figure 6 qui exposés au flux d'air frais font baisser la température des bobinages 10.

25 L'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits ci-dessus. En particulier le nombre des caloducs est variable et peut aller d'un à plusieurs dizaines par encoche. Quand à la forme nous avons décrit deux types de réalisation de caloducs, plat et cylindrique mais toute forme est acceptable compatiblement avec les performances recherchés.

30 Le bobinage n'est pas forcement carré et peut être un fil classique. Le dispositif de refroidissement selon l'invention s'applique à tout type de véhicule automobile équipé de moteur électrique.

Claims (11)

1. REVENDICATIONS1. Dispositif de refroidissement d'un moteur électrique comportant au moins un caloduc caractérisé en ce que ledit au moins un caloduc est implanté sur le stator dudit moteur, perpendiculairement aux encoches utilisées par le bobinage dudit stator, en contact d'au moins une tête de bobine dudit stator.
2. 2. Dispositif de refroidissement d'un moteur électrique selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit au moins un caloduc est intercalé entre deux couches de bobinage de la dite tête de bobine ou entre la surface latérale d'une dent dudit stator et une couche de bobinage de la dite tête de bobine.
3. 3. Dispositif de refroidissement d'un moteur électrique selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que un caloduc est intercalé entre chaque couche de bobinage de ladite tête de bobine.
4. 4. Dispositif de refroidissement d'un moteur électrique selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que ledit au moins un caloduc est disposé sur chacune des deux faces du stator.
5. 5. Dispositif de refroidissement d'un moteur électrique selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il comporte au moins un caloduc sur chaque dent dudit stator. 30
6. 6. Dispositif de refroidissement d'un moteur électrique selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que ledit au moins un caloduc est du type capillaire à changement de phase. 2971376 -10-
7. 7. Dispositif de refroidissement d'un moteur électrique selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le moteur comprenant ladite tête de bobine est encapsulé dans un carter, 5 les ailettes dudit au moins un caloduc restant exposées à un flux d'air extérieur.
8. 8. Dispositif de refroidissement d'un moteur électrique selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que ledit 10 au moins un caloduc est implanté sur un stator bobiné sur dents ou à bobinage diamétral.
9. 9. Dispositif de refroidissement d'un moteur électrique selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que ledit 15 au moins un caloduc est en aluminium ou en cuivre.
10. 10. Dispositif de refroidissement d'un moteur électrique selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le dit au moins un caloduc est plat et implanté entre au moins deux couches 20 successives de fils carrés.
11. 11.Véhicule électrique caractérisé en ce qu'il est équipé du dispositif de refroidissement selon l'une quelconque des revendications précédentes.