FR3004868A1 - Moteur electrique de traction muni de canaux de refroidissement thermoformes par soufflage - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un moteur électrique de traction pour véhicule automobile, comportant un stator muni d'encoches (E) de bobinage, chacune desdites encoches (E) comportant des fils conducteurs (FC) refroidis par un fluide caloporteur, caractérisé en ce que ledit fluide caloporteur est au moins en partie contenu dans une gaine thermoformée (G) comprimée entre lesdits fils conducteurs (FC) d'une desdites encoches (E), au moins une partie de ladite gaine (G) épousant la forme gondolée d'une surface externe de plusieurs desdits fils conducteurs (FC) accolés les uns aux autres.

Description

Moteur électrique de traction muni de canaux de refroidissement thermoformés par soufflage La présente invention se rapporte de manière générale au domaine de l'électrotechnique, et concerne plus précisément un moteur électrique refroidi par fluide caloporteur pour véhicule automobile électrique ou hybride. Une méthode usuelle de refroidissement d'un moteur électrique consiste à faire circuler un fluide caloporteur dans une chemise rapportée à la culasse de ce moteur électrique. Cependant avec cette méthode, la chaleur dégagée par les bobinages du moteur doit être conduite, pour être évacuée par le fluide caloporteur contenu dans la chemise interne de la culasse, à travers : - l'émail des fils électriques constituant ces bobinages, - puis une résine d'imprégnation de ces bobinages, - puis un isolant de protection des encoches de bobinages du moteur, - puis le circuit magnétique formant ces encoches, - et enfin à travers la culasse.

La résistance thermique entre les fils des bobinages du moteur à refroidir et le fluide caloporteur est donc très importante ce qui réduit l'efficacité de cette méthode de refroidissement. Une autre méthode connue de refroidissement consiste à asperger les têtes de bobines du moteur électrique à refroidir, d'huile préalablement refroidie. Cette méthode présente l'inconvénient de limiter le fluide caloporteur à de l'huile pour des raisons d'isolation électrique et de corrosion, ainsi que de nécessiter un carter étanche pour le moteur électrique. Enfin il est connu d'insérer des conduites rigides de fluide caloporteur dans les encoches de bobinage d'un moteur électrique à refroidir. Cette méthode est plus efficace que les précédentes car les fils conducteurs du moteur sont directement en contact avec les conduites de fluide caloporteur aux endroits où ces fils s'échauffent. Cependant elle présente les inconvénients d'occuper une partie du volume utile destiné au bobinage du moteur, et de ne pas assurer un contact optimal avec les fils conducteurs des bobinages à refroidir. Cette dernière solution est donc peu utilisée.

Un des buts de l'invention est de remédier à au moins une partie des inconvénients de la technique antérieure en fournissant un moteur électrique et un procédé de mise en place d'un circuit de refroidissement d'un stator de moteur électrique, qui assurent une faible résistance thermique entre les fils des bobinages du moteur à refroidir et un fluide caloporteur, sans nécessiter de carter étanche pour le moteur. A cette fin, l'invention propose un moteur électrique de traction pour véhicule automobile, comportant un stator muni d'encoches de bobinage, chacune desdites encoches comportant des fils conducteurs refroidis par un fluide caloporteur, caractérisé en ce que ledit fluide caloporteur est au moins en partie contenu dans une gaine thermoformée insérée entre lesdits fils conducteurs d'une desdites encoches, au moins une partie de ladite gaine épousant la forme gondolée d'une surface externe de plusieurs desdits fils conducteurs accolés les uns aux autres. Il est à noter qu'une gaine thermoformée désigne une gaine ayant fait l'objet d'une opération de thermoformage. Par ailleurs on qualifie de « thermoformable » une matière adaptée pour être mise en forme par thermoformage. Grâce à l'invention, le moteur électrique est efficacement refroidi car la résistance thermique entre les fils conducteur et le fluide caloporteur est minimisée par un contact maximal entre la gaine et ces fils conducteurs, aux endroits où les fils s'échauffent le plus c'est-à-dire dans les encoches. La technique du thermoformage permet de minimiser le volume utile des encoches destiné au refroidissement du bobinage. De plus le moteur électrique selon l'invention présente l'avantage de pouvoir être refroidi par une variété de fluides caloporteurs, qu'il s'agisse d'huile, d'eau ou de gaz. Enfin le moteur électrique selon l'invention est peu coûteux et aisé à fabriquer.

Selon une caractéristique avantageuse du moteur électrique selon l'invention, l'épaisseur de ladite gaine thermoformée est comprise entre 25pm (micromètre) et 0.5 mm. Cette faible épaisseur permet à la gaine thermoformée d'épouser d'autant mieux les contours des fils conducteurs avec lesquels elle est en contact, et de diminuer encore la résistance thermique entre les fils conducteurs et le fluide caloporteur. Selon une autre caractéristique avantageuse, ladite gaine thermoformée est en matière thermo-adhérente ou enduite d'une matière thermo-adhérente. Le terme « thermo-adhérent(e)» dans cette demande signifie « apte à coller sous l'effet de la chaleur ». Cette caractéristique permet à la gaine thermoformée de garder sa tenue au plus près des fils conducteurs lors de son thermoformage, avant son refroidissement assurant sa rigidité et sa forme finale. Selon une autre caractéristique avantageuse, lesdits fils conducteurs sont imprégnés d'une résine isolante et thermo-adhérente. Cette caractéristique permet également de maintenir la tenue de la gaine au plus près des fils conducteurs lors de son thermoformage, et permet de diminuer encore la résistance thermique entre les fils conducteurs et le fluide caloporteur.

Avantageusement, ledit fluide caloporteur est de l'huile, de l'éthanol ou du méthanol. En effet, le refroidissement par gaz caloporteur est envisageable mais nécessite un débit de circulation important pour être efficace. De plus le refroidissement à l'eau entraîne corrosion et court-circuit en cas de fuite. L'usage d'huile est avantageux car ce fluide est à la fois non-corrosif, non conducteur et a une constante diélectrique faible.

L'éthanol ou le méthanol présentent l'avantage de changer de phase à des températures de fonctionnement du moteur électrique et donc d'absorber de grosses quantités de chaleur (et donc en assurant un flux de chaleur important).

Selon une autre caractéristique avantageuse, chacune desdites encoches est pourvue d'une gaine thermoformée destinée à son refroidissement. Ainsi le refroidissement du moteur est homogénéisé et d'autant plus efficace que le nombre de gaines thermoformées est important.

L'invention concerne aussi un procédé de mise en place d'un circuit de refroidissement d'un stator de moteur électrique de traction pour véhicule automobile, ledit stator étant muni d'encoches de bobinage, lesdites encoches comportant des fils conducteurs, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes de : montage d'une gaine thermo-formable dans une desdites encoches, ladite gaine étant insérée entre des fils conducteurs de ladite encoche, et raccordée à un collecteur d'admission et à un collecteur d'échappement d'un circuit de formage, et envoi d'un fluide chauffé à une température de formage supérieure à la température maximale de fonctionnement dudit moteur électrique, dans ledit circuit de formage. Outre les avantages liés au moteur électrique selon l'invention, le procédé de mise en place d'un circuit de refroidissement d'un stator de moteur électrique selon l'invention présente l'avantage d'être simple et peu coûteux.

Notamment la mise en place de gaines thermo-formables dans les encoches de bobinage est facilitée par le fait qu'avant thermoformage ces gaines sont de faible diamètre. Selon une caractéristique avantageuse du procédé selon l'invention, ledit circuit de formage est le circuit de refroidissement du moteur électrique en 30 fonctionnement. Cette caractéristique permet d'éviter une étape supplémentaire de démontage du circuit de formage.

Selon une autre caractéristique avantageuse, ladite étape de montage est précédée d'une étape de revêtement de ladite gaine thermo-formable d'une matière thermo-adhérente. Selon une autre caractéristique avantageuse, ladite étape d'envoi est suivie d'une étape d'imprégnation desdits fils conducteurs de ladite encoche d'une résine thermo-conductrice. D'autres caractéristiques et avantages apparaîtront à la lecture d'un mode de réalisation préféré décrit en référence aux figures dans lesquelles : - la figure 1 représente des étapes d'un procédé de mise en place d'un circuit de refroidissement d'un stator de moteur électrique selon l'invention, dans ce mode de réalisation, - la figure 2 représente une étape de thermoformage de ce procédé, - la figure 3 représente une gaine thermo-formable avant cette étape de thermoformage, - et la figure 4 représente une gaine thermoformée après cette étape de thermoformage.

Selon un mode préféré de réalisation de l'invention représenté à la figure 1, un procédé de mise en place d'un circuit de refroidissement d'un stator de moteur électrique selon l'invention est représenté sous la forme d'un algorithme comportant des étapes El à E4. L'étape El est le revêtement de gaines thermo-formables G d'une matière thermo-adhérente, telle qu'une résine isolante et thermo-conductrice partiellement polymérisée apte à finir sa polymérisation lors du thermoformage des gaines. Chaque gaine thermo-formable G est par exemple en polyéthylène, en polypropylène, en acrylique ou en des matières similaires possédant les mêmes propriétés thermiques et isolantes, si le moteur électrique fonctionne à une température inférieure à 1000 (degrés Celsius). Si le moteur électrique fonctionne à plus haute température, les gaines thermo-formables G sont par exemple en polyéthylène téréphtalate (PET), en polycarbonate, en polyester, en polyéther-cétone ou en des matières similaires possédant les mêmes propriétés thermiques et isolantes.

L'étape E2 est le montage des gaines thermo-formables G dans les encoches d'un stator S du moteur électrique représenté en coupe sur la figure 2. Le moteur électrique comporte également un rotor. Le stator S comporte des encoches de bobinages dans lesquels sont insérés des fils conducteurs FC formant le bobinage B du moteur électrique. Plus précisément sur la figure 3, une gaine thermo-formable G, rigide et de volume réduit car non encore thermoformée, est représentée montée, dans cette étape E2, entre deux rangées de fils conducteurs FC présents dans une encoche E de stator. Bien entendu de préférence la gaine thermoformée occupe moins d'espace dans l'encoche E formée dans le circuit magnétique CM du stator S, et est idéalement entourée de plus de fils conducteurs FC. Il est à noter que lors de cette étape E2, les dents et les isolants d'encoche tiennent les fils en place du fait de leur forme (ces dents sont par exemple pourvues de becs d'encoche). De plus, l'insertion d'une gaine dans une encoche a tendance à repousser ces fils à l'intérieur. Le gonflage ultérieur de l'étape E3 aura donc pour effet de plaquer les fils contre la dent. Si les fils ont tendance à rester dans le passage pour l'insertion de la gaine, on peut envisager de les coller au moins partiellement grâce à une résine thermoadhérente dont ils seraient enduits.

Dans cette étape E2, on monte une gaine dans chaque encoche E du stator, mais en variante seules certaines encoches, par exemple une encoche par phase, reçoit une gaine thermoformée. Dans une autre variante, chaque encoche du stator reçoit plusieurs gaines thermoformées. Ces gaines sont de préférence de section rectangulaire pour mieux épouser la forme des fils conducteurs FC lors de leur mise en forme, mais en variante il est possible d'utiliser des gaines de section circulaire ou de section oblongue et/ou courbée pour homogénéiser le refroidissement des fils conducteurs. Cependant des gaines présentant une section de forme complexe seront plus difficiles à monter dans les encoches. De préférence le rapport entre le volume occupé par une gaine G et le volume utile de l'encoche E qui la reçoit est compris entre 5% et 50%. Dans cette étape E2, chaque gaine thermo-formable G est raccordée à l'une de ses extrémités à un collecteur d'admission CA d'un circuit de formage, et à l'autre de ses extrémités à un collecteur d'échappement CE de ce circuit de formage. Ce circuit de formage est le même que celui qui sera utilisé pour le refroidissement du moteur électrique en fonctionnement. L'étape E3 est l'envoi d'un fluide FF chauffé à une température de formage des gaines G, sous pression, dans le circuit de formage. Cette température de formage doit être supérieure à la température maximale du moteur électrique en fonctionnement, ainsi les gaines G seront toujours rigides lors du fonctionnement du moteur électrique. Le thermoformage des gaines G dans cette étape E3, permet de plaquer les gaines G contre le bobinage B. Comme représenté sur la figure 4, après thermoformage chaque gaine G est plaquée contre les fils conducteurs FC ce qui assure un contact maximal et une résistance thermique minimale entre chaque gaine G et les fils conducteurs FC. Chaque gaine G thermoformée comporte de plus une épaisseur plus fine qu'a l'étape E2, du fait du thermoformage sous pression. La diminution de l'épaisseur des gaines G et la pression du fluide FF de formage permettent ce plaquage des gaines G, leur faisant épouser au maximum les contours des fils conducteurs FC. La souplesse et la malléabilité des gaines G lors du thermoformage est d'autant plus nécessaire que les fils conducteurs sont fins car le rayon de courbure des sections de ces fils conducteurs est d'autant plus petit que ces derniers sont fins.

La matière thermo-adhérente dont sont revêtues les gaines à l'étape El permet de maintenir les gaines G collées aux fils conducteurs lors de leur refroidissement. La rigidité des gaines G après refroidissement est de préférence entre 50MPa et 3GPa (module d'Young) : cette raideur doit être assez importante pour que les gaines G maintiennent leur forme après thermoformage, mais pas trop importante pour que le contact entre les gaines G et les fils conducteurs FC soit maintenu lors des vibrations du moteur électrique en fonctionnement. Les gaines G sont par exemple conçues dans une matière souple qui polymérise et se durcit partiellement après cette étape E3.

L'étape E4 est l'imprégnation des fils conducteurs FC dans les encoches E d'une résine thermo-adhérente R. Cette résine thermo-adhérente est par exemple une résine polyuréthane, polyvinylformal, polyesterimide ou polyester. Cette imprégnation permet de créer un contact thermique maximal entre fils conducteurs FC, et entre les fils conducteurs FC et les gaines G, et permet de maintenir les gaines G en forme malgré les vibrations du moteur électrique en fonctionnement. Elle permet également d'augmenter la résistance des gaines G à la circulation du fluide de refroidissement lors du fonctionnement du moteur électrique, malgré la finesse de l'épaisseur des gaines G. On utilise avantageusement, pour refroidir le moteur électrique en fonctionnement, de l'huile refroidie que l'on fait circuler dans le circuit de formage. Cette huile est par exemple une huile minérale ou une huile de ricin. Il est à noter que d'autres modes de réalisation de l'invention que ce mode de réalisation préféré sont envisageables. Par exemple en variante, on ne réalise pas les étapes El et/ou E4. Dans cette variante on utilise par exemple des gaines thermo-formables réalisées dans une matière thermoadhérente ce qui facilite leur adhérence aux fils conducteurs lors de leur refroidissement et lors du fonctionnement du moteur électrique.30

Claims (10)

1. REVENDICATIONS1. Moteur électrique de traction pour véhicule automobile, comportant un stator (S) muni d'encoches (E) de bobinage, chacune desdites encoches (E) comportant des fils conducteurs (FC) refroidis par un fluide caloporteur, caractérisé en ce que ledit fluide caloporteur est au moins en partie contenu dans une gaine (G) thermoformée insérée entre lesdits fils conducteurs (FC) d'une desdites encoches (E), au moins une partie de ladite gaine (G) épousant la forme gondolée d'une surface externe de plusieurs desdits fils conducteurs (FC) accolés les uns aux autres.
2. 2. Moteur électrique selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'épaisseur de ladite gaine (G) thermoformée est comprise entre 25um et 0.5 mm.
3. 3. Moteur électrique selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que ladite gaine (G) thermoformée est en matière thermo-adhérente ou enduite d'une matière thermo-adhérente.
4. 4. Moteur électrique selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que lesdits fils conducteurs (FC) sont imprégnés d'une résine (R) isolante et thermo-adhérente.
5. 5. Moteur électrique selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que ledit fluide caloporteur est choisi dans une liste comprenant de l'huile, de l'éthanol ou du méthanol.
6. 6. Moteur électrique selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que chacune desdites encoches (E) est pourvue d'une gaine (G) thermoformée destinée à son refroidissement.
7. 7. Procédé de mise en place d'un circuit de refroidissement d'un stator (S) de moteur électrique de traction pour véhicule automobile, ledit stator (S) étant muni d'encoches (E) de bobinage, lesdites encoches (E) comportant des fils conducteurs (FC), caractérisé en ce qu'il comprend les étapes de : montage (E2) d'une gaine (G) thermo-formable dans une desdites encoches (E), ladite gaine (G) étant insérée entre des fils conducteurs (FC) de ladite encoche (E), et raccordée à un collecteur d'admission et à un collecteur d'échappement d'un circuit de formage, et envoi (E3) d'un fluide chauffé à une température de formage supérieure à la température maximale de fonctionnement dudit moteur électrique, dans ledit circuit de formage.
8. 8. Procédé de mise en place d'un circuit de refroidissement d'un stator (S) de moteur électrique selon la revendication 7, caractérisé en ce que ledit circuit de formage est le circuit de refroidissement du moteur électrique en fonctionnement.
9. 9. Procédé de mise en place d'un circuit de refroidissement d'un stator (S) de moteur électrique selon la revendication 7 ou 8, caractérisé en ce que ladite étape de montage (E2) est précédée d'une étape (El) ) de revêtement de ladite gaine (G) thermo-formable d'une matière thermo-adhérente.
10. 10. Procédé de mise en place d'un circuit de refroidissement d'un stator (S) de moteur électrique selon l'une quelconque des revendications 7 à 9, caractérisé en ce que ladite étape (E3) d'envoi est suivie d'une étape (E4) d'imprégnation desdits fils conducteurs (FC) de ladite encoche d'une résine (R) thermoadhérente.30