FR3132991A1 - Bobinage à refroidissement intégré et machine électrique comprenant un tel bobinage - Google Patents
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Abstract
BOBINAGE À REFROIDISSEMENT INTÉGRÉ ET MACHINE ÉLECTRIQUE COMPRENANT UN TEL BOBINAGE Un aspect de l’invention concerne un bobinage (100) comprenant : un corps de bobine (110) électriquement isolant comprenant :un premier canal interne (111) délimité au moins en partie par une paroi étanche (113) ; etun deuxième canal interne (112) distinct du premier canal interne (111) et destiné à recevoir un fluide de refroidissement ; etun enroulement de fil conducteur (120) disposé à l’intérieur du premier canal interne (111) ; et dans lequel la paroi étanche (113) esst agencée de sorte à être en contact avec le fluide de refroidissement lorsque le fluide de refroidissement circule dans le deuxième canal interne (112). Figure à publier avec l’abrégé : Figure 2C
Description
Le domaine technique de l’invention est celui du refroidissement des machines électriques. La présente invention concerne plus particulièrement un bobinage présentant un refroidissement amélioré et une machine électrique comprenant un tel bobinage.
Le développement des avions électriques accentue le besoin de machines électriques de forte puissance (de l’ordre de la centaine de kW à quelques MW). Le dimensionnement d’une telle machine électrique requiert une prise en compte des transferts thermiques, notamment au niveau des bobinages de la machine.
Les bobinages sont en effet le siège d’importantes pertes par effet Joule, qui se dissipent sous la forme de chaleur. Or la densité de courant maximale que peut supporter la machine électrique est limitée par la température maximale des bobinages.
Pour pouvoir atteindre des densités de courant élevées tout en évitant un emballement thermique ou un vieillissement prématuré de la machine électrique, il est donc nécessaire d’extraire la chaleur produite par les bobinages. Les solutions communément employées pour le refroidissement des machines électriques sont essentiellement de trois ordres : la convection naturelle, la convection forcée par air et la convection forcée par liquide.
La demande de brevet FR3093252A1 décrit par ailleurs une solution consistant à refroidir les têtes de bobine des bobinages au moyen d’un dissipateur thermique comprenant un matériau à changement de phase (ou PCM, pour « phase change material » en anglais).
La représente une machine électrique 10 décrite dans la demande de brevet FR3093252A1. La machine électrique 10 comporte un rotor externe comprenant une culasse rotorique 12 et un stator interne comprenant une culasse statorique 16, concentrique au rotor. Des aimants permanents 14 sont disposés sur une surface intérieure de la culasse rotorique 12. Le stator comprend à sa périphérie une pluralité de dents magnétiques 18. Autour de chaque dent 18 est disposé un bobinage 20 comprenant un corps de bobine 22 et des conducteurs 23. Deux têtes de bobine 24 émergent aux extrémités du corps de bobine 22. Un dissipateur thermique 26 est disposée au niveau de chaque tête de bobine 24, afin d’extraire rapidement la chaleur produite par les conducteurs 23. Le dissipateur thermique 26, qui est formé en deux parties creuses 26A, 26B emboitables l’une dans l’autre, est interposé entre le corps de bobine 22 et les conducteurs 23. Il comporte une cavité interne 26C pour recevoir à l’état liquide un matériau à changement de phase 28. Le matériau à changement de phase 28 est capable d’absorber un surplus de quantité de chaleur lorsque la densité de courant à travers les conducteurs 23 augmente.
Les dissipateurs thermiques 26 comprenant le matériau à changement de phase sont des éléments rapportés sur le corps de bobine, qui assurent une refroidissement limité aux têtes de bobine. Leur mise en œuvre est en outre délicate.
Il existe un besoin de prévoir un bobinage doté d’une fonction de refroidissement plus efficace et plus simple d’utilisation.
Selon un premier aspect de l’invention, on tend à satisfaire ce besoin en prévoyant un bobinage comprenant :
- un corps de bobine électriquement isolant comprenant :
- un premier canal interne délimité au moins en partie par une paroi étanche ; et
- un deuxième canal interne distinct du premier canal interne et destiné à recevoir un fluide de refroidissement ; et
- un enroulement de fil conducteur disposé à l’intérieur du premier canal interne ;
Grâce à ses deux canaux internes adjacents, l’un renfermant l’enroulement de fil conducteur et l’autre destiné au fluide de refroidissement, le bobinage dispose d’une fonction de refroidissement globale, et pas seulement limitée aux têtes de bobine. L’utilisation du bobinage est en outre simplifiée, étant donné que le deuxième canal interne forme un circuit de refroidissement intégré au bobinage dès sa fabrication.
De préférence, l’enroulement de fil conducteur comprend une pluralité de spires et le premier canal interne comprend une pluralité de portions annulaires, chaque portion annulaire du premier canal interne contenant une unique spire.
La paroi étanche est avantageusement agencée de sorte que plusieurs portions annulaires du premier canal interne soient en contact avec le fluide de refroidissement lorsque le fluide de refroidissement circule dans le deuxième canal interne.
Le bobinage selon le premier aspect de l’invention peut également présenter une ou plusieurs des caractéristiques ci-dessous, considérées individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles :
- le deuxième canal interne est disposé autour du premier canal interne ;
- l’enroulement de fil conducteur est en contact avec la paroi étanche ;
- la paroi étanche est constituée d’un matériau électriquement isolant présentant une conductivité thermique supérieure à 5 W.m- 1.K-1 ;
- la paroi étanche est constituée d’un matériau électriquement isolant présentant une conductivité électrique inférieure à 10-12S.cm ;
- le corps de bobine est formé d’une seule pièce ;
- le corps de bobine est constitué d’un unique matériau, de préférence un matériau céramique, par exemple à base de zircone ou d’alumine ;
- le corps de bobine est constitué d’un matériau polymère, par exemple le polytéréphtalate d'éthylène (PET) ; et
- le corps de bobine est constitué d’un matériau réfractaire.
Un deuxième aspect de l’invention concerne une machine électrique comprenant un bobinage selon le premier aspect de l’invention.
Un troisième aspect de l’invention concerne un procédé de fabrication d’un bobinage comprenant les étapes suivantes :
- former un corps de bobine électriquement isolant comprenant :
- un premier canal interne délimité au moins en partie par une paroi étanche ; et
- un deuxième canal interne distinct du premier canal interne et destiné à recevoir un fluide de refroidissement ;
- former un enroulement de fil conducteur à l’intérieur du premier canal interne.
De préférence, le corps de bobine est obtenu par une technique de fabrication additive.
Dans un premier mode de mise en œuvre du procédé de fabrication, l’étape de formation de l’enroulement de fil conducteur comprend une sous-étape d’insertion d’un métal en fusion dans le premier canal interne puis une étape de solidification du métal.
Dans un deuxième mode de mise en œuvre, l’étape de formation de l’enroulement de fil conducteur comprend une sous-étape d’insertion d’une poudre métallique dans le premier canal interne, une étape de fusion de la poudre métallique pour former un cordon de métal en fusion puis une étape de solidification du métal.
De préférence, le premier canal interne est entièrement rempli par le métal en fusion.
Dans un troisième mode de mise en œuvre, l’étape de formation de l’enroulement de fil conducteur comprend l’insertion d’un fil conducteur dans le premier canal interne.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront clairement de la description qui en est donnée ci-dessous, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux figures suivantes.
Pour plus de clarté, les éléments identiques ou similaires sont repérés par des signes de référence identiques sur l’ensemble des figures.
Les figures 2A, 2B et 2C représentent dans un repère orthogonal d’axes un bobinage à refroidissement intégré 100 selon un premier mode de réalisation. La figure 2A est une vue complète en perspective, la figue 2B est une vue de dessus (dans le plan d’axes ) et la est une vue en perspective, partielle et éclatée, montrant l’intérieur du bobinage 100. Ces figures seront décrites conjointement.
Le bobinage 100 comprend un corps de bobine 110, creux et électriquement isolant, et un enroulement de fil conducteur 120 disposé à l’intérieur du corps de bobine 110.
Le corps de bobine 110 est avantageusement formé d’une seule pièce. Extérieurement, il présente une forme sensiblement annulaire. Il comprend une cavité centrale 130 dimensionnée pour recevoir un noyau magnétique, par exemple une dent magnétique de machine électrique.
Le corps de bobine 110 comprend un premier canal interne 111, dans lequel est disposé l’enroulement de fil conducteur 120, et un deuxième canal interne 112 distinct du premier canal interne 111. Le deuxième canal interne 112 est destiné à recevoir un fluide de refroidissement, de préférence un liquide tel que de l’huile ou de l’eau glycolée, afin d’extraire la chaleur produite par l’enroulement de fil conducteur 120 (lorsqu’un courant électrique circule dans l’enroulement).
Le premier canal interne 111 est délimité, au moins en partie, par une première paroi étanche 113, aussi appelée paroi interne, du corps de bobine 110. Le deuxième canal 112 est délimité par la première paroi étanche 113 et une deuxième paroi étanche 114, dite paroi externe, du corps de bobine 110. De préférence, les premier et deuxième canaux internes 111-112 occupent tout le volume intérieur du corps de bobine 110. Ils peuvent également être appelés « cavités » ou « sections ».
La première paroi étanche 113 est agencée de sorte à être en contact avec le fluide de refroidissement lorsque celui-ci circule dans le deuxième canal interne 112. Ainsi, la chaleur produite par l’enroulement de fil conducteur 120 disposé à l’intérieur du premier canal interne 111 (c.-à-d. de l’autre côté de la première paroi étanche 113) est extraite par le fluide de refroidissement. La première paroi étanche 113 empêche le fluide de refroidissement d’entrer en contact avec l’enroulement de fil conducteur 120, ce qui pourrait provoquer un court-circuit dans le cas d’une fluide électriquement conducteur.
La première paroi étanche 113 est avantageusement agencée de sorte que le fluide de refroidissement puisse circuler autour du premier canal interne 111. Dans cette configuration, il peut également être considéré que le deuxième canal interne 112 est disposé autour du premier canal interne 111. Le premier canal interne 111 peut être délimité entièrement par la première paroi étanche 113, comme cela est illustré par la .
Le premier canal interne 111 forme avantageusement un tube enroulé, à la manière d’un serpentin. Il comprend alors une pluralité de portions annulaires qui se succèdent et communiquent entre elle.
L’enroulement de fil conducteur 120 est de préférence constitué d’un métal, par exemple du cuivre ou de l’aluminium. Il comprend plusieurs spires et chaque portion annulaire du premier canal interne 111 contient une unique spire de l’enroulement. En outre, la première paroi étanche 113 est avantageusement agencée de sorte que plusieurs portions du premier canal interne 111 soient en contact avec le fluide de refroidissement, et de préférence que toutes les portions annulaires soient en contact avec le fluide de refroidissement. Le refroidissement de l’enroulement de fil conducteur 120 est alors maximal.
Un premier canal interne 111 en forme de serpentin garantit en outre un espacement minimal entre deux spires successives de l’enroulement de fil conducteur 120. Cet espacement minimal est par exemple égal à deux fois l’épaisseur de la première paroi étanche 113. Le bobinage 100 est alors moins sujet aux décharges partielles que les bobinages classiques, où le maintien des spires n’est que partiellement assuré (bobinages dits multibrins ou « fils en main »). Dans les bobinages classiques, les décharges partielles peuvent détruire l’isolant électrique qui enrobe les spires et provoquer des courts-circuits.
Afin d’augmenter les échanges thermiques entre l’enroulement de fil conducteur 120 et le fluide de refroidissement, et ainsi obtenir un meilleur refroidissement du bobinage, l’enroulement de fil conducteur 120 est avantageusement en contact avec la première paroi étanche 113. La première paroi étanche 113 est de préférence constituée d’un matériau électriquement isolant présentant une conductivité thermique supérieure à 5 W.m- 1.K-1. La conductivité électrique du matériau électriquement isolant est avantageusement inférieure à 10-12S.cm.
Le corps de bobine 110 est de préférence constitué d’un seul matériau électriquement isolant. Etant donné qu’il constitue les première et deuxième parois étanches 113-114, ce matériau est non poreux. Outre une conductivité thermique supérieure à 5 W.m- 1.K-1et/ou une conductivité électrique inférieure à 10-12S.cm, le matériau du corps de bobine 110 peut présenter une résistance mécanique élevée, avec un module de Young supérieur à 150 GPa.
Le corps de bobine 110 peut être constitué d’un matériau céramique, par exemple à base de zircone ou d’alumine. Alternativement, le corps de bobine 110 est en un matériau polymère, par exemple le polytéréphtalate d'éthylène (PET).
Toujours en référence aux figures 2A-2C, le corps de bobine 110 comprend également :
- un premier orifice d’entrée 111a et un premier orifice de sortie 111b, entre lesquels s’étend le premier canal interne 111 ; et
- un deuxième orifice d’entrée 112a et un deuxième orifice de sortie 112b, entre lesquels s’étend le deuxième canal interne 112.
Le premier orifice d’entrée 111a et le premier orifice de sortie 111b forme les entrée-sorties d’un circuit électrique, tandis que le deuxième orifice d’entrée 112a et le deuxième orifice de sortie 112b forme les entrée-sorties d’un circuit de refroidissement.
Le premier orifice d’entrée 111a et le premier orifice de sortie 111b sont avantageusement situés à une même extrémité du corps de bobine 110. Cette disposition facilite le raccordement électrique du bobinage 100 dans la machine électrique.
Le deuxième orifice d’entrée 112a et le deuxième orifice de sortie 112b sont avantageusement situées à des extrémités opposées du corps de bobine 110. Le fluide de refroidissement peut ainsi circuler dans tout le corps de bobine 110, ce qui a pour effet d’améliorer le refroidissement.
Dans le premier mode de réalisation du bobinage 100, représenté par les 2A à 2C, le premier orifice d’entrée 111a et le premier orifice de sortie 111b s’étendent parallèlement à un premier plan, tandis que le deuxième orifice d’entrée 112a et le deuxième orifice de sortie 112b s’étendent parallèlement à un deuxième plan. Les premier et deuxième plans sont sécants, de préférence orthogonaux. Dans le repère des figures 2A à 2C, le premier plan est le plan d’axes et le deuxième plan est le plan d’axes .
Les figures 3A et 3B illustrent un deuxième mode de réalisation du bobinage à refroidissement intégré 100. La figure 3A est une vue complète en perspective, tandis que la figure 2B est une vue partielle en perspective du bobinage 100, coupé selon un plan parallèle au plan d’axes .
Ce deuxième mode de réalisation diffère du premier mode de réalisation essentiellement dans l’orientation des entrées-sorties du circuit de refroidissement. Le premier orifice d’entrée 111a, le premier orifice de sortie 111b, le deuxième orifice d’entrée 112a et le deuxième orifice de sortie 112b s’étendent tous parallèlement à un même plan. Dans le repère des figures 3A-3B, il s’agit du plan d’axes
Le bobinage 100 des figures 3A et 3B est par ailleurs représenté dans une position typique au sein d’une machine électrique, c’est-à-dire autour d’une dent magnétique 18. Le corps de bobine 110 est inséré dans deux encoches 19, chaque encoche 19 séparant deux dents magnétiques 18 successives de la machine électrique. La machine électrique peut être un moteur électrique, un générateur électrique, un alternateur, un transformateur électrique, un actionneur…
Un procédé de fabrication du bobinage à refroidissement intégré 100 va maintenant être décrit en relation avec la .
De manière générale, le procédé de fabrication comprend une étape S1 de formation du corps de bobine 110 et une étape S2 de formation de l’enroulement de fil conducteur 120 à l’intérieur du corps de bobine 110.
Le corps de bobine 110 est avantageusement obtenu grâce à une technique de fabrication additive. A titre d’illustration, on peut citer le frittage sous charge dit « flash » (ou SPS pour « spark plasma sintering » en anglais), le moulage par injection de poudre (ou PIM, pour « powder injection molding »), le dépôt de fil fondu (ou FFF, pour « fused fabrication filament ») ou les procédés de fusion de lit de poudre, par faisceau d’électrons (EBM pour « electron beam melting ») ou par faisceau laser (LBM pour « laser beam melting »).
Les techniques de fabrication additive permettent de fabriquer le corps de bobine 110 facilement et à moindre coût. Elles offrent en outre de nombreuses possibilités pour réaliser et lier mécaniquement les premier et deuxième canaux internes 111-112. Comme indiqué précédemment, le premier canal interne 111 présente avantageusement la forme d’un tube (par exemple de section ronde comme sur les figures 2A-2C ou rectangulaire comme sur les figures 3A-3B) afin d’y loger facilement l’enroulement de fil conducteur 120. Etant donné qu’il reçoit le fluide de refroidissement, le deuxième canal interne 112 peut adopter une configuration plus complexe, comme une structure lattice (ex. structure en nid d’abeille) illustrée par les figures 3A-3B.
L’enroulement de fil conducteur 120 peut être formé dans le premier canal interne 111 de différentes façons.
Dans un premier mode de mise en œuvre de l’étape S2, la formation de l’enroulement de fil conducteur 120 comprend une sous-étape d’insertion d’un métal en fusion dans le premier canal interne 111 puis une sous-étape de solidification du métal. Au préalable, le corps de bobine 110 peut être disposé dans un four et porté à une température supérieure ou égale à la température de fusion du métal. Le métal en fusion est avantageusement introduit sous pression, afin qu’il remplisse entièrement le premier canal interne 111 (absence de bulles d’air). Le métal se solidifie lors du refroidissement du corps de bobine 110.
Dans un deuxième mode de mise en œuvre, la formation de l’enroulement de fil conducteur 120 comprend une sous-étape d’insertion d’une poudre métallique dans le premier canal interne 111, une sous-étape de fusion de la poudre métallique, lors de laquelle les particules métalliques s’agglomèrent pour former un cordon de métal en fusion, et une sous-étape de solidification du métal. A nouveau, une pression peut être exercé pour que le métal en fusion remplisse entièrement le premier canal interne 111.
Ces deux premiers modes de mise en œuvre peuvent être envisagés lorsque la première paroi étanche 113 (au moins) est constituée d’un matériau réfractaire. Tel est le cas des matériaux céramiques précités.
Dans un troisième mode de mise en œuvre, la formation de l’enroulement de fil conducteur 120 comprend l’insertion d’un fil conducteur dans le premier canal interne, par poussée ou traction.
Enfin, dans une quatrième mode de mise en œuvre, l’enroulement de fil conducteur 120 est formé par fabrication additive, en même temps que le corps de bobine 120, grâce à une technique de fabrication additive bi-matériaux (par exemple métal et céramique).
Claims (14)
- Bobinage (100) comprenant :
- un corps de bobine (110) électriquement isolant comprenant :
- un premier canal interne (111) délimité au moins en partie par une paroi étanche (113) ; et
- un deuxième canal interne (112) distinct du premier canal interne (111) et destiné à recevoir un fluide de refroidissement ; et
- un enroulement de fil conducteur (120) disposé à l’intérieur du premier canal interne (111) ;
- un corps de bobine (110) électriquement isolant comprenant :
- Bobinage selon la revendication 1, dans lequel l’enroulement de fil conducteur (120) comprend une pluralité de spires et dans lequel le premier canal interne (111) comprend une pluralité de portions annulaires, chaque portion annulaire du premier canal interne (111) contenant une unique spire.
- Bobinage selon la revendication 2, dans lequel la paroi étanche (113) est agencée de sorte que plusieurs portions annulaires du premier canal interne (111) soient en contact avec le fluide de refroidissement lorsque le fluide de refroidissement circule dans le deuxième canal interne (112).
- Bobinage selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel le deuxième canal interne (112) est disposé autour du premier canal interne (111).
- Bobinage selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel l’enroulement de fil conducteur (120) est en contact avec la paroi étanche (113).
- Bobinage selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel la paroi étanche (113) est constituée d’un matériau électriquement isolant présentant une conductivité thermique supérieure à 5 W.m- 1.K-1.
- Bobinage selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel la paroi étanche (113) est constituée d’un matériau électriquement isolant présentant une conductivité électrique inférieure à 10-12S.cm.
- Bobinage selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel le corps de bobine (110) est constitué d’un unique matériau, de préférence un matériau céramique, par exemple à base de zircone ou d’alumine.
- Machine électrique comprenant un bobinage (100) selon l’une quelconque des revendications 1 à 8.
- Procédé de fabrication d’un bobinage (100) comprenant les étapes suivantes :
- former (S1) un corps de bobine électriquement isolant (110) comprenant :
- un premier canal interne (111) délimité au moins en partie par une paroi étanche (113) ; et
- un deuxième canal interne (112) distinct du premier canal interne (111) et destiné à recevoir un fluide de refroidissement ;
- former (S2) un enroulement de fil conducteur (120) à l’intérieur du premier canal interne (111).
- former (S1) un corps de bobine électriquement isolant (110) comprenant :
- Procédé selon la revendication 10, dans lequel le corps de bobine (110) est obtenu par une technique de fabrication additive.
- Procédé selon l’une des revendications 10 et 11, dans lequel l’étape de formation de l’enroulement de fil conducteur (120) comprend une sous-étape d’insertion d’un métal en fusion dans le premier canal interne (111) puis une étape de solidification du métal.
- Procédé selon l’une des revendications 10 et 11, dans lequel l’étape de formation de l’enroulement de fil conducteur (120) comprend une sous-étape d’insertion d’une poudre métallique dans le premier canal interne (111), une étape de fusion de la poudre métallique pour former un cordon de métal en fusion puis une étape de solidification du métal.
- Procédé selon l’une des revendications 10 et 11, dans lequel l’étape de formation de l’enroulement de fil conducteur (120) comprend l’insertion d’un fil conducteur dans le premier canal interne (111).
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|---|---|---|---|
| FR2201479A FR3132991A1 (fr) | 2022-02-18 | 2022-02-18 | Bobinage à refroidissement intégré et machine électrique comprenant un tel bobinage |
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| Publication Number | Publication Date |
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| FR3132991A1 true FR3132991A1 (fr) | 2023-08-25 |
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|---|---|---|---|
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Citations (3)
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|---|---|---|---|---|
| EP2586586A1 (fr) * | 2011-10-24 | 2013-05-01 | GE Energy Power Conversion Technology Ltd | Éléments de support de bobines |
| FR3093252A1 (fr) | 2019-02-21 | 2020-08-28 | Safran | Bobinage de machine électrique à refroidissement amélioré |
| EP3940925A1 (fr) * | 2020-07-17 | 2022-01-19 | Universiteit Gent | Refroidissement efficace de bobines électromagnétiques |
-
2022
- 2022-02-18 FR FR2201479A patent/FR3132991A1/fr active Pending
Patent Citations (3)
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|---|---|---|---|---|
| EP2586586A1 (fr) * | 2011-10-24 | 2013-05-01 | GE Energy Power Conversion Technology Ltd | Éléments de support de bobines |
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