FR3098056A1 - Machine electrique tournante refroidie par air - Google Patents
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Abstract
L’invention porte principalement sur une machine électrique tournante (10) comportant: - un stator (12) et un rotor (13), - un carter (11) contenant ledit stator (12) et ledit rotor (13), et - un module électronique de commande (15) comportant un onduleur de puissance (16), ledit module électronique de commande (15) étant disposé d'un côté d'une extrémité axiale du carter (11), - l'onduleur de puissance (16) comportant des éléments de commutation (17) à faible résistance thermique, notamment des éléments de commutation (17) à base de nitrure de gallium, ladite machine électrique tournante (10) comportant en outre des moyens de dissipation thermique (18) ainsi qu'une source de génération de flux d'air (20) pour le refroidissement de la machine électrique tournante (10). Figure pour abrégé : Figure 1
Description
La présente invention porte sur une machine électrique tournante refroidie par air. L'invention trouve une application particulièrement avantageuse, mais non exclusive, avec les machines électriques tournantes équipant les véhicules automobiles de faible puissance.
De façon connue en soi, une machine électrique tournante comporte un stator et un rotor solidaire d'un arbre. Le rotor pourra être solidaire d'un arbre menant et/ou mené et pourra appartenir à une machine électrique tournante sous la forme d'un alternateur, d'un moteur électrique, ou d'une machine réversible pouvant fonctionner dans les deux modes.
Le stator est monté dans un carter configuré pour porter à rotation l'arbre par exemple par l'intermédiaire de roulements. Le rotor comporte un corps formé par un empilage de feuilles de tôles maintenues sous forme de paquet au moyen d'un système de fixation adapté, tel que des rivets traversant axialement le corps du rotor de part en part. Le rotor comporte des pôles formés par exemple par des aimants permanents logés dans des cavités ménagées dans la masse magnétique du rotor, comme cela est décrit par exemple dans le document EP0803962. Alternativement, dans une architecture dite à pôles "saillants", les pôles sont formés par des bobines enroulées autour de bras du rotor.
Par ailleurs, le stator comporte un corps constitué par un empilage de tôles minces formant une couronne, dont la face intérieure est pourvue d'encoches ouvertes vers l'intérieur pour recevoir des enroulements de phase. Les enroulements de phase sont obtenus par exemple à partir d'un fil continu recouvert d'émail ou d'épingles soudées entre elles. Ces enroulements sont des enroulements polyphasés connectés en étoile ou en triangle dont les sorties sont reliées à un module électronique de commande comportant un onduleur de puissance.
Du fait des courants électriques qui circulent dans le bobinage statorique et l'onduleur de puissance, les machines électriques génèrent une quantité importante de chaleur qu'il est nécessaire d'évacuer. Leurs composants sont donc dimensionnés pour permettre l'évacuation de cette chaleur, ce qui rend les machines électriques encombrantes.
La présente invention vise à remédier efficacement à cet inconvénient en proposant une machine électrique tournante comportant:
- un stator et un rotor,
- un carter contenant ledit stator et ledit rotor, et
- un module électronique de commande comportant un onduleur de puissance, ledit module électronique de commande étant disposé d'un côté d'une extrémité axiale du carter,
- l'onduleur de puissance comportant des éléments de commutation à faible résistance thermique, notamment des éléments de commutation à base de nitrure de gallium, ladite machine électrique tournante comportant en outre des moyens de dissipation thermique ainsi qu'une source de génération de flux d'air pour le refroidissement de la machine électrique tournante.
- un stator et un rotor,
- un carter contenant ledit stator et ledit rotor, et
- un module électronique de commande comportant un onduleur de puissance, ledit module électronique de commande étant disposé d'un côté d'une extrémité axiale du carter,
- l'onduleur de puissance comportant des éléments de commutation à faible résistance thermique, notamment des éléments de commutation à base de nitrure de gallium, ladite machine électrique tournante comportant en outre des moyens de dissipation thermique ainsi qu'une source de génération de flux d'air pour le refroidissement de la machine électrique tournante.
L'invention permet ainsi de tirer profit de la présence des éléments de commutation à faible résistance thermique pour réaliser une machine électrique tournante à refroidissement par air à faible encombrement. Alternativement, à encombrement égal, la machine électrique tournante selon l'invention pourra être plus puissante qu'une machine électrique tournante de l'état de la technique.
Selon une réalisation, la source de génération de flux d'air est constituée par au moins un ventilateur solidaire du rotor.
Selon une réalisation, la source de génération de flux d'air est une source externe au carter.
Selon une réalisation, la source de génération de flux d'air est apte à générer un flux d'air s'écoulant radialement dans un espace entre le module électronique de commande et une extrémité axiale du carter puis axialement à l'intérieur de la machine électrique tournante.
Selon une réalisation, la source de génération de flux d'air est apte à générer un flux d'air traversant des ouvertures périphériques réalisées dans le module électronique de commande puis s'écoulant suivant une périphérie externe du carter.
Selon une réalisation, la source de génération de flux d'air est apte à générer un flux d'air traversant des ouvertures périphériques et des ouvertures centrales réalisées dans le module électronique de commande puis s'écoulant suivant une périphérie externe du carter.
Selon une réalisation, les moyens de dissipation thermique sont disposés sur une périphérie externe du carter.
Selon une réalisation, les moyens de dissipation thermique comportent une pluralité de picots.
Selon une réalisation, les moyens de dissipation thermique comportent une pluralité d'ailettes de refroidissement longitudinales.
Selon une réalisation, ladite machine électrique tournante présente une tension de fonctionnement inférieure à 60 Volts, et valant de préférence 48 Volts.
L’invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit et à l’examen des figures qui l’accompagnent. Ces figures ne sont données qu’à titre illustratif mais nullement limitatif de l’invention.
Les éléments identiques, similaires, ou analogues conservent la même référence d’une figure à l’autre.
La figure 1 montre une machine électrique tournante 10 qui pourra être intégrée à une architecture de traction de véhicule automobile, notamment un véhicule de faible puissance. La machine électrique tournante 10 est avantageusement de type réversible, c’est-à-dire qu'elle est apte à fonctionner dans un mode moteur pour appliquer un couple moteur aux roues à partir de l'énergie électrique de la batterie, et dans un mode générateur pour recharger une batterie à partir d'une puissance mécanique prélevée aux roues.
La machine électrique tournante 10 présente avantageusement une tension de fonctionnement inférieure à 60 Volts, et valant de préférence 48 Volts. Typiquement, le couple fourni par la machine électrique est compris entre 300N.m et 500N.m. La machine électrique présente par exemple une puissance comprise entre 15kW et 30kW.
Plus précisément, la machine électrique tournante 10 comporte un carter 11 contenant un stator 12 et un rotor 13. Le rotor 13 présente un axe X correspondant à l'axe de la machine électrique tournante 10.
Le rotor 13 est un rotor de type classique qui pourra comporter un corps formé par un empilage de feuilles de tôles maintenues sous forme de paquet au moyen d'un système de fixation adapté, tel que des rivets traversant axialement le corps du rotor de part en part. Le rotor 13 comporte des pôles formés par exemple par des aimants permanents logés dans des cavités ménagées dans la masse magnétique du rotor, comme cela est décrit par exemple dans le document EP0803962. Alternativement, dans une architecture dite à pôles "saillants", les pôles sont formés par des bobines enroulées autour de bras du rotor.
Par ailleurs, le stator 12 est un stator de type classique comportant un corps constitué par un empilage de tôles minces formant une couronne, dont la face intérieure est pourvue d'encoches ouvertes vers l'intérieur pour recevoir des enroulements de phase. Les enroulements de phase sont obtenus par exemple à partir d'un fil continu recouvert d'émail. Ces enroulements sont des enroulements polyphasés connectés en étoile ou en triangle dont les sorties sont reliées à un module électronique de commande 15.
Le module électronique de commande 15 comporte un onduleur de puissance 16 ainsi que d'autres composants électroniques, notamment des capacités, et un dissipateur thermique. Le module électronique de commande 15 est disposé d'un côté d'une extrémité axiale du carter 11.
L'onduleur de puissance 16 comporte des éléments de commutation 17, tels que des transistors, à faible résistance thermique. Ces éléments de commutation 17 sont de préférence à base de nitrure de gallium (GaN).
La machine électrique tournante 10 comporte également des moyens de dissipation thermique 18, ainsi qu'une source de génération de flux d'air 20 pour permettre le refroidissement de la machine électrique 10. La source de génération de flux d'air 20 pourra être constituée par un ventilateur solidaire du rotor 13. Alternativement, la source de génération de flux d'air 20 est constituée par une source externe au carter 11, notamment un ventilateur externe au carter 11.
Dans le mode de réalisation de la figure 1, la machine électrique 10 étant ouverte, la source de génération de flux d'air 20 est apte à générer un flux d'air F s'écoulant radialement de l’extérieur vers l’intérieur de la machine dans un espace 22 entre le module électronique de commande 15 et une extrémité axiale du carter 11 puis axialement à l'intérieur de la machine électrique tournante 10. A cet effet, des ouvertures 23 pourront être réalisées dans les extrémités axiales du carter 11.
Dans le mode de réalisation de la figure 2, la source de génération de flux d'air 20 est apte à générer un flux d'air F traversant des ouvertures périphériques 24 réalisées dans le module électronique de commande 15 puis s'écoulant suivant une périphérie externe du carter 11.
Dans le mode de réalisation de la figure 3, la source de génération de flux d'air 20 est apte à générer un flux d'air F traversant des ouvertures périphériques 24 et des ouvertures centrales 25 réalisées dans le module électronique de commande 15 puis s'écoulant suivant une périphérie externe du carter 11. Le flux d'air F s'écoule radialement dans l'espace 22 entre le module électronique de commande 15 et une extrémité axiale du carter 11.
Dans les modes de réalisation des figures 2 et 3, la portion du flux d'air F d'orientation axiale pourra venir lécher les moyens de dissipation thermique 18 disposés sur une périphérie externe du carter 11. La périphérie externe du carter 11 sur laquelle sont disposés les moyens de dissipation thermique 18 s'étend parallèlement à l'axe X de la machine électrique 10. En variante, les moyens de dissipation thermique 18 pourraient être disposés dans l'espace 22, notamment sur une face d'extrémité axiale du carter 11, tel que montré en figure 1.
Les moyens de dissipation thermique 18 pourront comporter une pluralité de picots 27, tel que cela est illustré par les figures 4a, 4b, et 4c. Un picot 27 présente une forme sensiblement cylindrique ou tronconique. La section transversale d'un picot 27 pourra être sensiblement ronde ou de toute autre forme (triangle, carrée, ellipsoïdale, ou autre).
Alternativement, les moyens de dissipation thermique 18 pourront comporter une pluralité d'ailettes de refroidissement longitudinales 28, tel que cela est illustré sur les figures 5a et 5b. Les ailettes 28 s'étendent longitudinalement suivant une direction parallèle à l'axe X de la machine électrique 10.
On compare ci-après les surfaces d'échange thermique des picots 27 (surface S1) avec celle des ailettes 28 (surface S2).
La surface d'échange thermique S1 des picots 27 peut être globalement déterminée à l'aide de la formule suivante:
S1 = π x D x n
- n étant le nombre de picots 27, et
- D le diamètre d'un picot 27 valant par exemple 1mm
Par ailleurs, sur la figure 4a, on considère que la longueur L vaut L=21mm, tandis que la largeur l comporte 5 picots et des intervalles spécifiques pour conserver 1mm entre les picots 27.
S1 = π x D x n
- n étant le nombre de picots 27, et
- D le diamètre d'un picot 27 valant par exemple 1mm
Par ailleurs, sur la figure 4a, on considère que la longueur L vaut L=21mm, tandis que la largeur l comporte 5 picots et des intervalles spécifiques pour conserver 1mm entre les picots 27.
Comme on peut le voir sur la figure 4c, on a:
a2= b2+ c2
a et b étant des écarts entre les centres de picots 27 adjacents et c la médiane du triangle ayant ses côtés passant par trois picots adjacents, soit
a = 0,5 + 1 + 0,5 = 2
b = 1
c = 2– b2) = – 1) = 1,73
L'interface i entre deux picots 27 vaut i = c - 0,5 - 0,5 = 0.73
d'où l = 5 + 1 + 1 + 4 x 0,73 = 9,92
Soit S1 = π x D x 10 x 5 = 157 mm2
a2= b2+ c2
a et b étant des écarts entre les centres de picots 27 adjacents et c la médiane du triangle ayant ses côtés passant par trois picots adjacents, soit
a = 0,5 + 1 + 0,5 = 2
b = 1
c =
L'interface i entre deux picots 27 vaut i = c - 0,5 - 0,5 = 0.73
d'où l = 5 + 1 + 1 + 4 x 0,73 = 9,92
Soit S1 = π x D x 10 x 5 = 157 mm2
Si on réduit l'interface i entre les picots à 0,5 mm sur la longueur L = 21 mm, on peut disposer suivant cette longueur 21/1,5 = 14 picots.
Par ailleurs, on peut poser c = 2– b2)
avec a = 0,5 + 0,5 + 0,5 = 1,5
b = 0,5 + 0,27 = 0,77
c = 1,3, et
i = c - 0,5 - 0,5 = 0,3
avec a = 0,5 + 0,5 + 0,5 = 1,5
b = 0,5 + 0,27 = 0,77
c = 1,3, et
i = c - 0,5 - 0,5 = 0,3
Le nombre de picots 27 possibles devient alors:
9,9 = 2 - (n - 1) x 0,3 + n
n = 10,8 ≈ 10
9,9 = 2 - (n - 1) x 0,3 + n
n = 10,8 ≈ 10
Donc la surface d'échange S1 devient: S1 = π x D x 14 x 10 = 440 mm2
La surface d'échange thermique S2 des ailettes 28 montrées sur les figures 5a et 5b peut être globalement déterminée à l'aide de la formule suivante:
S2= l1 x n x 2 (faces)
l1 étant la longueur linéaire et
n étant le nombre de picots.
S2= l1 x n x 2 (faces)
l1 étant la longueur linéaire et
n étant le nombre de picots.
On considère des ailettes 28 ayant une épaisseur de 1mm et rapprochées entre elles de 0,5mm. La surface d'échange S2 vaut S2 = l1 x n x 2, avec l1 = 9,9/1,5 = 6,7 que l'on arrondit à 7.
On a donc S2 = 21 x 7 x 2 = 294 mm2, soit plus de 30% de surface d'échange thermique en moins qu'avec des picots 27.
Bien entendu, la description qui précède a été donnée à titre d'exemple uniquement et ne limite pas le domaine de l'invention dont on ne sortirait pas en remplaçant les différents éléments par tous autres équivalents.
En outre, les différentes caractéristiques, variantes, et/ou formes de réalisation de la présente invention peuvent être associées les unes avec les autres selon diverses combinaisons, dans la mesure où elles ne sont pas incompatibles ou exclusives les unes des autres.
Claims (10)
- Machine électrique tournante (10) comportant:
- un stator (12) et un rotor (13),
- un carter (11) contenant ledit stator (12) et ledit rotor (13), et
- un module électronique de commande (15) comportant un onduleur de puissance (16), ledit module électronique de commande (15) étant disposé d'un côté d'une extrémité axiale du carter (11),
caractérisée en ce que l'onduleur de puissance (16) comporte des éléments de commutation (17) à faible résistance thermique, notamment des éléments de commutation (17) à base de nitrure de gallium, et en ce que ladite machine électrique tournante (10) comporte en outre des moyens de dissipation thermique (18), ainsi qu'une source de génération de flux d'air (20) pour le refroidissement de la machine électrique tournante (10). - Machine électrique tournante selon la revendication 1, caractérisée en ce que la source de génération de flux d'air (20) est constituée par au moins un ventilateur solidaire du rotor (13).
- Machine électrique tournante selon la revendication 1, caractérisée en ce que la source de génération de flux d'air (20) est une source externe au carter (11).
- Machine électrique tournante selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que la source de génération de flux d'air (20) est apte à générer un flux d'air (F) s'écoulant radialement dans un espace (22) entre le module électronique de commande (15) et une extrémité axiale du carter (11) puis axialement à l'intérieur de la machine électrique tournante (10).
- Machine électrique tournante selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que la source de génération de flux d'air (20) est apte à générer un flux d'air (F) traversant des ouvertures périphériques (24) réalisées dans le module électronique de commande (15) puis s'écoulant suivant une périphérie externe du carter (11).
- Machine électrique tournante selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que la source de génération de flux d'air (20) est apte à générer un flux d'air (F) traversant des ouvertures périphériques (24) et des ouvertures centrales (25) réalisées dans le module électronique de commande (15) puis s'écoulant suivant une périphérie externe du carter (11).
- Machine électrique tournante selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que les moyens de dissipation thermique (18) sont disposés sur une périphérie externe du carter (11).
- Machine électrique tournante selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que les moyens de dissipation thermique (18) comportent une pluralité de picots (27).
- Machine électrique tournante selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisée en ce que les moyens de dissipation thermique (18) comportent une pluralité d'ailettes de refroidissement longitudinales (28).
- Machine électrique tournante selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisée en ce qu'elle présente une tension de fonctionnement inférieure à 60 Volts, et valant de préférence 48 Volts.
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