WO2021058265A1 - Refroidissement double parois - Google Patents

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WO2021058265A1
WO2021058265A1 PCT/EP2020/074797 EP2020074797W WO2021058265A1 WO 2021058265 A1 WO2021058265 A1 WO 2021058265A1 EP 2020074797 W EP2020074797 W EP 2020074797W WO 2021058265 A1 WO2021058265 A1 WO 2021058265A1
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WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
cooling device
chamber
chambers
wall
connection means
Prior art date
Application number
PCT/EP2020/074797
Other languages
English (en)
Inventor
Thomas VALIN
Pierre VIOT
Benjamin GAUSSENS
Samy LAABIDI
Abdenour ABDELLI
Baptiste CHAREYRON
Wissam DIB
Original Assignee
IFP Energies Nouvelles
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by IFP Energies Nouvelles filed Critical IFP Energies Nouvelles
Publication of WO2021058265A1 publication Critical patent/WO2021058265A1/fr

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K5/00—Casings; Enclosures; Supports
    • H02K5/04—Casings or enclosures characterised by the shape, form or construction thereof
    • H02K5/20—Casings or enclosures characterised by the shape, form or construction thereof with channels or ducts for flow of cooling medium

Definitions

  • the present invention relates to the field of rotating electrical machines, in particular the cooling of rotating electrical machines.
  • a rotating electrical machine conventionally comprises a fixed part, the stator, and a rotating part, the rotor, arranged coaxially one inside the other.
  • the rotor is generally housed inside the stator which carries electrical windings generating a rotating magnetic field making it possible to drive the rotor in rotation.
  • the rotor typically comprises a body formed from a stack of sheets, and placed on a rotation shaft. These sheets include housings for permanent magnets or coils forming magnetic poles at the periphery of the rotor. The magnets can appear on the surface of the rotor or be completely integrated within the rotor.
  • the rotor may include permanent magnets housed inside flux barriers carried by this rotor, these flux barriers typically being empty spaces.
  • the main sources of heat in an electrical machine are the windings, and especially the coil heads, on the stator side, and the magnets and bearings on the rotor side. Typically, if the rotor magnets are not cooled, the magnetic flux is less intense, which leads to a loss of torque and therefore a degradation of the performance of the electrical machine.
  • stator winding is also sensitive to temperature rises: the higher the temperature of the winding, the more the electrical conductivity of the copper and the service life of the winding are reduced. As the resistance of copper increases, there is also a loss of efficiency.
  • the various electromagnetic components of a rotating electrical machine, as well as certain insulating materials used in the parts of the electrical machine, are thus sensitive to heating produced in operation, and their cooling is essential to dissipate the heat produced, in order to maintain a good efficiency of the electric machine, ensure repeatability of its performance, extend its service life and limit maintenance.
  • air cooling systems for example by water or oil, in particular used as soon as the losses are important as in the case of electric traction motors.
  • Other helium or liquid nitrogen cooling systems can be used for electrical machines in power plants.
  • the cooling devices according to the prior art have the drawback of requiring a high manufacturing effort, in particular to produce the walls for the circulation of the fluid. In addition, these devices of the prior art exhibit significant pressure drops.
  • a general objective of the invention is to provide efficient and inexpensive cooling for a closed rotating electrical machine, in particular a synchronous reluctance rotating electrical machine, also called synchronous reluctance, with a view to guaranteeing performance and reliability.
  • desired efficiency of the electrical machine in particular in the case of a closed rotating electrical machine with synchronous reluctance, and in particular when the electrical machine has a high degree of protection "IP" in accordance with standard EN 60529, typically an index of protection IP67, while reducing the manufacturing costs of the cooling device.
  • the present invention relates to a device for cooling the external part of said stator of a rotating electrical machine comprising a stator, a rotor arranged within said stator, said cooling device being substantially cylindrical and said cooling device comprising:
  • cooling device being characterized in that:
  • the connecting channel has a substantially annular shape.
  • said cooling device comprises
  • the first fluidic connection means being in fluid connection with the first chamber
  • the second fluidic connection means being in fluid connection with the second chamber.
  • At least one of the two fluidic connection means is located substantially perpendicular to the upper wall or substantially perpendicular to a radial wall.
  • the first chamber has a thickness of 0.5 to 4 mm, preferably 1 to 2 mm and / or the second chamber has a thickness of 0.5 to 4 mm, preferably 1 to 2 mm.
  • said cooling device comprises a lower wall delimiting the second chamber and comprising at least one of the two radial walls.
  • said cooling device comprises an upper wall delimiting the first chamber, said upper wall having an annular, substantially circular shape.
  • the intermediate wall is held relative to the lower wall by means of a set of pins and / or grooves.
  • said cooling device comprises a set of protuberances, said protuberances being in the second chamber, in contact with the lower wall.
  • the set of protuberances comprises one or more pins and / or more grooves.
  • the second chamber comprises a flare near the second fluidic connection means.
  • the flare has an annular shape.
  • said cooling device comprises a third chamber located between the first fluidic connection means and the first chamber.
  • the third chamber has a substantially annular shape concentric with the first chamber, said third chamber extending over all or part of the circumference of the cooling device.
  • said cooling device has a length at least equal to the axial length of the body of said stator.
  • FIG. 1 illustrates, schematically and in a non-limiting manner, an electric machine equipped with a cooling system according to the prior art.
  • FIG. 2 illustrates, schematically and in a nonlimiting manner, an electric machine equipped with a cooling system according to the prior art.
  • Figure 3 illustrates, schematically and without limitation, an electric machine equipped with a cooling system according to the prior art.
  • Figure 4 illustrates, schematically and in a non-limiting manner, an electric machine equipped with a cooling system according to the prior art (WO2019 / 037930) for which we have carried out a CFD simulation.
  • FIG. 5 illustrates, schematically and in a non-limiting manner, an electric machine equipped with a cooling system according to an embodiment of the invention for which we have carried out a CFD simulation.
  • Figure 6 illustrates, schematically and in a non-limiting manner, an electric machine equipped with a cooling system according to one embodiment of the invention.
  • Figure 7 illustrates, schematically and in a non-limiting manner, an implementation of the invention according to one embodiment.
  • Figure 8 illustrates, schematically and in a non-limiting manner, the detail of an implementation of the invention according to one embodiment.
  • FIG. 9 illustrates, schematically and in a nonlimiting manner, the detail of an implementation of the invention according to one embodiment.
  • FIG. 10 illustrates, schematically and in a nonlimiting manner, the detail of an implementation of the invention. Description of the embodiments
  • This device has been optimized in order to ensure better cooling efficiency of a device producing heat and more particularly, but not limited to this application, of an electric motor, identified in the following description of the electric machine.
  • the electric machine comprises:
  • stator arranged in a casing
  • stator may comprise a stator body supporting magnetic flux generators such as windings,
  • the rotor arranged within the stator, preferably, the rotor is arranged coaxially with the stator, the rotor comprises magnetic flux generators such as magnets,
  • the cooling device is arranged around the stator, the cooling device comprises a circulation channel for a heat transfer fluid (also called coolant), in particular a heat transfer liquid, for example water, to cool the stator.
  • a heat transfer fluid also called coolant
  • a heat transfer liquid for example water
  • the flux generators of the stator (windings) and of the rotor (magnets) make it possible to generate a magnetic field allowing the rotor to be driven in rotation in association with the magnetic field generated by the magnets and / or the windings of the rotor.
  • the body of the stator and the body of the rotor can be produced by a stack of sheets.
  • the method of assembly between the cooling device and the electrical machine must allow optimal transfer of the calories to be removed and can be carried out according to different methods of the art, for example by stacking, machining in the mass, 3d printing, etc.
  • Figure 6 illustrates, schematically and in a non-limiting manner, an embodiment of the invention.
  • the cooling device (1) is substantially cylindrical in order to match the outer surface of the body to be cooled, namely the stator of the electric machine.
  • the cooling device comprises two concentric annular chambers (2, 3) in which the cooling fluid circulates.
  • the cooling fluid circulates consecutively in the first chamber (2) then in the second chamber (3).
  • the first (2) and the second chamber (3) both have a substantially concentric annular shape in order to match the outer shape of the stator of the electric machine.
  • the first chamber (2) has a role of homogenizing the fluid over the entire periphery of the intermediate wall (4). This effect is achieved thanks to the judicious selection of the thickness of the chamber, thickness measured between the intermediate wall (4) and the upper wall (10).
  • the second chamber (3) is located near the outer surface of the body to be cooled, in order to achieve this cooling.
  • the invention uses a judiciously sized intermediate wall (4) which ensures a high radially homogeneous exchange coefficient with moderate pressure drops in the cooling system.
  • This intermediate wall of substantially annular shape which separates the two chambers (5, 6).
  • This intermediate wall (4) has a substantially cylindrical shape and can be produced by various manufacturing means such as molding, pushing, stretching, etc.
  • this wall can be equipped with a shoulder to facilitate assembly and to provide a seal between the two chambers.
  • This wall extends over substantially the length of the cooling system (1).
  • the heat transfer fluid can be water, oil, or any other fluid desirable for transporting calories.
  • the fluid passes between the two chambers at the location of the end of the intermediate wall (4).
  • the cooling fluid flows in a longitudinal direction in the two chambers (2, 3).
  • the cooling fluid crosses in counter-current with respect to the direction of circulation in the first chamber (2) in a perfectly radially homogeneous on the lower wall (9) as close as possible to the surface which is to be cooled.
  • the cooling device may include a bottom wall (9) delimiting the second chamber.
  • This lower wall has a role of transmitting heat from the engine to the coolant, so it will preferably be made of a material characterized by high thermal conductivity.
  • This wall also ensures the geometric stability of the cooling device, which conditions its dimensional characteristics.
  • This wall may have an annular shape, substantially circular, matching the periphery of the stator. It may be noted that in order to reduce the production costs, this wall can have a cylindrical annular shape, easy to manufacture and guaranteeing an optimized flow of the heat transfer fluid.
  • the cooling device may comprise an upper wall (10) delimiting the second chamber.
  • this wall may include the fluidic connection means (7, 8) axially, perpendicular to said wall.
  • This wall may have an annular shape with a reinforcement at the location of the fluidic connection means, cf. FIG. 6. The role of this reinforcement is to ensure the positioning of the fluidic connection means.
  • This wall also contributes to ensuring the geometric stability of the cooling device, which conditions its dimensional characteristics.
  • This wall may have an annular shape, substantially circular, matching the periphery of the stator. It can be noted that in order to reduce the production costs, this wall can have a cylindrical annular shape, easy to manufacture and guaranteeing an optimized flow of the heat transfer fluid.
  • the two chambers are delimited longitudinally by means of two radial walls (5, 6) located substantially at the longitudinal ends of the device (1). These radial walls (5, 6) can form an integral part of the lower wall (9).
  • radial walls (5, 6) can form an integral part of the lower wall (9).
  • other mounting methods are conceivable for those skilled in the art, such as, for example, by means of radial flanges which can be mounted for example by screwing, threading, etc. on the lower wall (9).
  • the seal between the radial walls (5, 6) and the upper wall can be achieved by O-rings, visible in Fig 6.
  • Other embodiments of the seal are considered by those skilled in the art. art, depending on the circumstances.
  • a connecting channel (17) is arranged between the two chambers. Ideally, this connecting channel (17) is located near one of the two radial walls (6) in order to maximize the dimensions of the chamber (2).
  • the heat transfer fluid can enter the device via one or more fluid connection means (7) and exit via one or more connection means.
  • fluidics (8). These means can have various shapes with a variety of sections depending on the needs of the installation.
  • These fluidic connection means can be located substantially perpendicular to the upper wall (10) or substantially perpendicular to a radial wall.
  • the quality of the homogenization of the front of the heat transfer fluid is ensured by a length of path chosen in an optimum manner between the point of entry of the fluid into the device by the fluidic connection means (7) and the location of the passage of the fluid. between the two chambers, namely the edge of the intermediate wall (4).
  • the dimension (A) being the dimension between the axial wall (6) and the fluidic connection means (7), cf. Fig 6, it directly impacts the dimensioning of the volume necessary to achieve the axisymmetric flow.
  • the dimension (B), being the distance between the lower wall (9) and the intermediate wall (4), cf. Fig 6, it makes it possible to define the passage section and therefore the flow speed of the fluid at the level of the second chamber.
  • the chambers (2, 3) can have a thickness which takes into account the dimensions of the electrical machine.
  • the chambers (2, 3) can have a thickness of the order of 0.5 to 4 mm, preferably 1 to 2 mm.
  • the dimension (A) can be of the order of 3 to 200 mm, depending on the dimensions of the electrical machine.
  • the dimension (A) can be adapted as a function of the cooling requirement, namely whether it is desired to obtain a high convective coefficient or rather to further reduce the pressure losses.
  • the device of the invention consists of two concentric chambers (2 and 3) separated by an intermediate wall (4) (cf. FIG. 6).
  • the positioning of this intermediate wall (4), separating the two chambers of the cooling device, requires a person skilled in the art to pay particular attention to its production and its installation.
  • One solution that is proposed is the use of pins or grooves on the internal part of the channel flow (see Figure 7).
  • pins or grooves can be provided in the second chamber to ensure the positioning of the intermediate wall.
  • An example of a cooling casing with pins is shown in Figure 8.
  • the pins or grooves can be ground on the outside of the bottom wall (9).
  • the intermediate wall can be held in position relative to the lower wall by means of a set of pins (11) and / or grooves (12).
  • the cooling device may include a set of protuberances (13, 14), said protuberances being in the second chamber, in contact with the lower wall (9).
  • These protuberances (13, 14) have a role of increasing the surface area in contact with the fluid in order to increase the heat exchange.
  • These protuberances (13, 14) also have a role of guiding the flow of fluid inside the chambers.
  • the set of protuberances (13, 14) can comprise one or more pins (13) and / or more grooves (14). These pins (13) and / or grooves (14) are clearly differentiated from the set of pins (11) and / or grooves (12) described above in that the former do not come into contact with the intermediate wall (4).
  • At least one of the pins, sets of pins, grooves or protuberances are arranged along one or more paths of the substantially rectilinear, circumferential, helical type or in sub-groups of different trajectories.
  • Figure 9 illustrates such an embodiment, in which the pins of the set of pins (11) are aligned longitudinally in several lines.
  • the second chamber has a flare (15) near the second fluid connection means.
  • This flare has a preferably annular shape.
  • This flaring has a role of relaxing the layer of fluid which is located at the outlet of the second chamber in order to allow an optimized flow towards the outlet of the cooling device.
  • a third chamber (16) may be located between the first fluidic connection means and the first chamber.
  • This third chamber (16) has a substantially annular shape concentric with the first chamber, said third chamber extending over all or part of the circumference of the cooling device.
  • This third chamber (16) has a role additional homogenization upstream of the first chamber (2).
  • a person skilled in the art can, depending on particular circumstances such as dimensional constraints or related to the characteristics of the fluid used, stack this third chamber (16) upstream of the first chamber (2) and can also add another chamber downstream of the second bedroom (3).
  • the cooling device may have a length at least equal to the axial length of the body of said stator.
  • the objective of the invention is to maximize the calorimetric exchanges by optimally using the contact surface around the stator of the electric machine.

Abstract

La présente invention concerne un dispositif de refroidissement (1) pour une machine électrique tournante, comprenant deux chambres (2, 3) de forme sensiblement annulaire concentriques, une paroi intermédiaire (4) de forme sensiblement annulaire qui sépare les deux chambres qui s'étend sur sensiblement la longueur du système de refroidissement (1), deux parois radiales (5, 6) se situant sensiblement aux extrémités longitudinales du dispositif (1) délimitant longitudinalement lesdites chambres et un canal annulaire de liaison (17) entre les deux chambres.

Description

REFROIDISSEMENT DOUBLE PAROIS
Domaine technique La présente invention concerne le domaine des machines électriques tournantes, en particulier le refroidissement de machines électriques tournantes.
Elle concerne plus particulièrement le refroidissement d’une machine électrique tournante fermée à réluctance synchrone. Une machine électrique tournante comporte classiquement une partie fixe, le stator, et une partie mobile en rotation, le rotor, disposées coaxialement l'une dans l'autre. Le rotor est généralement logé à l'intérieur du stator qui porte des bobinages électriques générant un champ magnétique tournant permettant d'entraîner en rotation le rotor. Le rotor comprend typiquement un corps formé d’un empilage de tôles, et placé sur un arbre de rotation. Ces tôles comprennent des logements pour des aimants permanents ou des bobines formant des pôles magnétiques à la périphérie du rotor. Les aimants peuvent apparaître à la surface du rotor ou être complètement intégrés au sein du rotor. Dans le cas des machines électriques tournantes synchro-reluctantes, le rotor peut comporter des aimants permanents logés à l’intérieur de barrières de flux portées par ce rotor, ces barrières de flux étant typiquement des espaces vides. On parle aussi de machine synchro-réluctante assistée par des aimants permanents. Les machines électriques s’échauffent du fait des pertes par conduction (effet Joule), électromagnétiques (pertes fer) et mécaniques. Cet échauffement nuit à leur fonctionnement et conduit à la dégradation de leurs performances. Les principales sources de chaleur dans une machine électrique sont les bobinages, et notamment les têtes de bobines, du côté du stator, et les aimants et les paliers du côté du rotor. Typiquement, si les aimants du rotor ne sont pas refroidis, le flux magnétique est moins intense, ce qui conduit à une perte de couple et donc une dégradation des performances de la machine électrique. Une démagnétisation irréversible des aimants peut se produire. Le bobinage du stator est également sensible aux élévations de température : plus la température du bobinage est élevée, plus la conductivité électrique du cuivre et la durée de vie du bobinage sont réduites. La résistance du cuivre augmentant, il y a également une perte de rendement. Les divers composants électromagnétiques d’une machine électrique tournante, ainsi que certains matériaux isolants utilisés dans les pièces de la machine électrique, sont ainsi sensibles à réchauffement produit en fonctionnement, et leur refroidissement est indispensable pour dissiper la chaleur produite, afin de conserver un bon rendement de la machine électrique, d’assurer une répétabilité de ses performances, d’allonger sa durée de vie et de limiter la maintenance.
La recherche d’un refroidissement performant est donc une préoccupation majeure pour les fabricants et les intégrateurs de machines électriques tournantes.
Différents types de refroidissement existent, souvent adaptés à la puissance de la machine, parmi lesquels les systèmes de refroidissement par air, constituant une solution généralement économique mais souvent cantonnée à des machines électriques peu puissantes du fait de son efficacité limitée (par exemple des moteurs électriques d’une puissance inférieure à 20 kW dans les applications de traction) et/ou des machines ouvertes (non étanches), les systèmes de refroidissement par fluide, par exemple par eau ou de l’huile, notamment utilisés dès que les pertes sont importantes comme dans le cas des moteurs de traction électriques. D’autres systèmes de refroidissement par hélium ou azote liquide peuvent être utilisés pour les machines électriques de centrales électriques.
Technique antérieure
Les dispositifs de refroidissement selon l’art antérieur présentent l’inconvénient de nécessiter un effort de fabrication élevé, notamment pour produire les parois de circulation du fluide. De plus, ces dispositifs de l’art antérieur présentent des pertes de charge importantes.
Le document WO2019/037930 décrit un tel dispositif constitué de zones circonférentielles et de zones hélicoïdales et le canal de circulation du fluide est subdivisé en plusieurs passages, cf. figures 1 et 2. Néanmoins, ce dispositif de refroidissement présente les inconvénients suivants : des pertes de charge dans le circuit d’eau inhérentes à la présence des rainures ; • un usinage complexe ;
• des échanges non-axymétriques ou radialement hétérogène sur tout le cylindre (circuit en serpentin). Le document CN207732553 décrit une structure de dissipation de la chaleur mettant en œuvre des chambres de circulation d’eau autour de la carcasse d’un moteur et des valves de communication entre les chambres, cf. figure 3. Néanmoins, ce dispositif de refroidissement présente les inconvénients suivants : les valves ne permettent pas de passer un débit important entre les chambres, limitant d’autant l’efficacité de refroidissement. De plus, cette réalisation avec les valves rend la conception du système de refroidissement complexe et onéreux.
Un objectif général visé par l’invention est de fournir un refroidissement performant et peu coûteux pour une machine électrique tournante fermée, en particulier d’une machine électrique tournante à réluctance synchrone, aussi appelée synchro-réluctante, en vue de garantir les performances et le rendement souhaités de la machine électrique, en particulier dans le cas d’une machine électrique tournante fermée à réluctance synchrone, et notamment lorsque la machine électrique présente un indice de protection « IP » élevé conformément à la norme EN 60529, typiquement un indice de protection IP67, tout en réduisant les coûts de fabrication du dispositif de refroidissement. Résumé de l’invention
La présente invention concerne un dispositif de refroidissement de la partie externe dudit stator d’une machine électrique tournante comportant un stator, un rotor agencé au sein dudit stator, ledit dispositif de refroidissement étant sensiblement cylindrique et ledit dispositif de refroidissement comprenant :
-une première chambre,
-une deuxième chambre,
-les deux chambres étant de forme sensiblement annulaire concentriques,
-une paroi intermédiaire de forme sensiblement annulaire qui sépare les deux chambres qui s’étend sur sensiblement la longueur du système de refroidissement,
-deux parois radiales se situant sensiblement aux extrémités longitudinales du dispositif (1) délimitant longitudinalement lesdites chambres,
-un canal de liaison entre les deux chambres situé à proximité de l’une des deux parois radiales, ledit dispositif de refroidissement étant caractérisé en ce que :
-le canal de liaison a une forme sensiblement annulaire.
Selon un mode de réalisation, ledit dispositif de refroidissement comprend
-un premier moyen de connexion fluidique, -un deuxième moyen de connexion fluidique,
-le premier moyen de connexion fluidique étant en connexion fluidique avec la première chambre,
-le deuxième moyen de connexion fluidique étant en connexion fluidique avec la deuxième chambre.
Selon un mode de réalisation, au moins un des deux moyens de connexion fluidique se situe de manière sensiblement perpendiculaire à la paroi supérieure ou sensiblement perpendiculaire à une paroi radiale.
Selon un mode de réalisation, la première chambre a une épaisseur de 0.5 à 4 mm, préférablement 1 à 2 mm et/ou la deuxième chambre a une épaisseur de 0.5 à 4 mm, préférablement 1 à 2 mm.
Selon un mode de réalisation, ledit dispositif de refroidissement comprend une paroi inférieure délimitant la deuxième chambre et comportant au moins une des deux parois radiales. Selon un mode de réalisation, ledit dispositif de refroidissement comprend une paroi supérieure délimitant la première chambre, ladite paroi supérieure ayant une forme annulaire, sensiblement circulaire. Selon un mode de réalisation, la paroi intermédiaire est maintenue par rapport à la paroi inférieure au moyen d’un ensemble de picots et/ou rainures.
Selon un mode de réalisation, ledit dispositif de refroidissement comprend un ensemble de protubérances, lesdites protubérances se trouvant dans la deuxième chambre, en contact avec la paroi inférieure.
Selon un mode de réalisation, l’ensemble de protubérances comprend un ou plusieurs picots et/ou plusieurs rainures.
Selon un mode de réalisation, au moins l’un des picots, des ensembles de picots, de rainures ou de protubérances sont agencés suivant une ou plusieurs trajectoires du type sensiblement rectiligne, circonférentielle, hélicoïdale ou en sous- groupes de trajectoires différentes. Selon un mode de réalisation, la deuxième chambre comporte un évasement à proximité du deuxième moyen de connexion fluidique. Préférablement, l’évasement a une forme annulaire.
Selon un mode de réalisation, ledit dispositif de refroidissement comprend une troisième chambre se situant entre le premier moyen de connexion fluidique et la première chambre. Préférablement, la troisième chambre a une forme sensiblement annulaire concentrique par rapport à la première chambre, ladite troisième chambre s’élongeant sur tout ou partie de la circonférence du dispositif de refroidissement.
Selon un mode de réalisation, ledit dispositif de refroidissement a une longueur au moins égale à la longueur axiale du corps dudit stator.
D'autres caractéristiques et avantages du procédé selon l'invention, apparaîtront à la lecture de la description ci-après d'exemples non limitatifs de réalisations, en se référant aux figures annexées et décrites ci-après.
Liste des figures
La figure 1 illustre, schématiquement et de manière non limitative, une machine électrique équipée d’un système de refroidissement selon l’art antérieur. La figure 2 illustre, schématiquement et de manière non limitative, une machine électrique équipée d’un système de refroidissement selon l’art antérieur.
La figure 3 illustre, schématiquement et de manière non limitative, une machine électrique équipée d’un système de refroidissement selon l’art antérieur. La figure 4 illustre, schématiquement et de manière non limitative, une machine électrique équipée d’un système de refroidissement selon l’art antérieur (WO2019/037930) pour lequel nous avons réalisé une simulation CFD.
La figure 5 illustre, schématiquement et de manière non limitative, une machine électrique équipée d’un système de refroidissement selon un mode de réalisation de l’invention pour lequel nous avons réalisé une simulation CFD.
La figure 6 illustre, schématiquement et de manière non limitative, une machine électrique équipée d’un système de refroidissement selon un mode de réalisation de l’invention.
La figure 7 illustre, schématiquement et de manière non limitative, une mise en œuvre de l’invention selon un mode de réalisation.
La figure 8 illustre, schématiquement et de manière non limitative, le détail d’une mise en œuvre de l’invention selon un mode de réalisation.
La figure 9 illustre, schématiquement et de manière non limitative, le détail d’une mise en œuvre de l’invention selon un mode de réalisation. La figure 10 illustre, schématiquement et de manière non limitative, le détail d’une mise en œuvre de l’invention. Description des modes de réalisation
Ce dispositif a été optimisé afin d’assurer une meilleure efficacité du refroidissement d’un appareil produisant de la chaleur et plus particulièrement, mais sans se limiter à cette application, d’un moteur électrique, identifié dans la suite de la description machine électrique.
La machine électrique comporte :
- un stator disposé dans un carter, le stator peut comprendre un corps de stator supportant des générateurs de flux magnétiques tels que des bobinages,
- un rotor agencé au sein du stator, de préférence, le rotor est agencé coaxialement au stator, le rotor comprend des générateurs de flux magnétiques tels que des aimants,
- un dispositif de refroidissement de la partie extérieure du stator, le dispositif de refroidissement est agencé autour du stator, le dispositif de refroidissement comprend un canal de circulation d’un fluide caloporteur (appelé aussi fluide de refroidissement), en particulier un liquide caloporteur, par exemple de l’eau, pour refroidir le stator.
De manière classique, les générateurs de flux du stator (bobinages) et du rotor (aimants) permettent de générer un champ magnétique permettant d'entraîner en rotation le rotor en association avec le champ magnétique généré par les aimants et/ou les bobinages du rotor. Selon un exemple de réalisation, le corps du stator et le corps du rotor peuvent être réalisés par un empilement de tôles.
Le mode d’assemblage entre le dispositif de refroidissement et la machine électrique doit permettre un transfert optimal des calories à évacuer et peut être réalisé suivant différente méthodes de l’art, par exemple par empilement, usinage dans la masse, impression 3d, etc.
La figure 6 illustre, schématiquement et de manière non limitative, un mode de réalisation de l’invention.
Selon l’invention, le dispositif de refroidissement (1) est sensiblement cylindrique afin d’épouser la surface extérieure du corps à refroidir, à savoir le stator de la machine électrique. Dans ce but, le dispositif de refroidissement comprend deux chambres annulaire concentriques (2, 3) dans lesquelles circule le fluide de refroidissement. Le fluide de refroidissement circule consécutivement dans la première chambre (2) puis dans la deuxième chambre (3). La première (2) et la deuxième chambre (3) ont toutes deux une forme sensiblement annulaire concentrique afin d’épouser la forme extérieure du stator de la machine électrique. La première chambre (2) a un rôle d’homogénéisation du fluide sur tout le pourtour de la paroi intermédiaire (4). Cet effet est réalisé grâce à la sélection judicieuse de l’épaisseur de la chambre, épaisseur mesurée entre la paroi intermédiaire (4) et la paroi supérieure (10). La deuxième chambre (3) est située à proximité de la surface extérieure du corps à refroidir, afin de réaliser ce refroidissement.
L’invention met en œuvre une paroi intermédiaire (4) judicieusement dimensionnée qui permet d’assurer un fort coefficient d’échange radialement homogène avec des pertes de charge modérées dans le système de refroidissement. Cette paroi intermédiaire de forme sensiblement annulaire qui sépare les deux chambres (5, 6). Cette paroi intermédiaire (4) a une forme sensiblement cylindrique et peut être produite par divers moyens de fabrication comme moulage, poussage, étirage, etc. Avantageusement, cette paroi peut être équipée avec un épaulement pour faciliter le montage et pour réaliser l’étanchéité entre les deux chambres. Cette paroi s’étend sur sensiblement la longueur du système de refroidissement (1). Le fluide caloporteur peut être de l’eau, de l’huile ou tout autre fluide souhaitable pour transporter les calories.
Le passage du fluide entre les deux chambres s’effectue à l’endroit de l’extrémité de la paroi intermédiaire (4). Le fluide de refroidissement s’écoule selon une direction longitudinale dans les deux chambres (2, 3). Dans la deuxième chambre (3), le fluide de refroidissement traverse en contre-courant par rapport à la direction de circulation dans la première chambre (2) de façon parfaitement radialement homogène sur la parois inférieure (9) au plus proche de la surface que l’on cherche à refroidir.
Conformément à une mise en œuvre de l’invention, le dispositif de refroidissement peut comprendre une paroi inférieure (9) délimitant la deuxième chambre. Cette paroi inférieure a un rôle de transmission de la chaleur du moteur vers le fluide caloporteur, donc elle sera réalisée de préférence d’un matériau caractérisé par une haute conductivité thermique. Cette paroi assure également la stabilité géométrique du dispositif de refroidissement, ce qui conditionne ses caractéristiques dimensionnelles. Cette paroi peut avoir une forme annulaire, sensiblement circulaire, épousant le pourtour du stator. On peut noter qu’afin de diminuer les coûts de réalisation, cette paroi peut avoir une forme annulaire cylindrique, facile à fabriquer et garantissant un écoulement optimisé du fluide caloporteur.
Conformément à une mise en œuvre de l’invention, le dispositif de refroidissement peut comprendre une paroi supérieure (10) délimitant la deuxième chambre. Dans un mode de réalisation préférentiel, cette paroi peut comporter les moyens de connexion fluidique (7, 8) axialement, de manière perpendiculaire à ladite paroi. Cette paroi peut avoir une forme annulaire avec un renforcement à l’endroit des moyens de connexion fluidique, cf. figure 6. Ce renforcement a pour rôle d’assurer le positionnement des moyens de connexion fluidique. Cette paroi contribue également à assurer la stabilité géométrique du dispositif de refroidissement, ce qui conditionne ses caractéristiques dimensionnelles. Cette paroi peut avoir une forme annulaire, sensiblement circulaire, épousant le pourtour du stator. On peut noter qu’afin de diminuer les coûts de réalisation, cette paroi peut avoir une forme annulaire cylindrique, facile à fabriquer et garantissant un écoulement optimisé du fluide caloporteur.
Les deux chambres sont délimitées longitudinalement au moyen de deux parois radiales (5, 6) se situant sensiblement aux extrémités longitudinales du dispositif (1). Ces parois radiales (5, 6) peuvent faire partie intégrante de la paroi inférieure (9). Cependant d’autres modes de montage sont envisageables pour l’homme de l’art, comme par exemple au moyen de flasques radiales qui peuvent être montées par exemple par vissage, par filetage, etc. sur la paroi inférieure (9). Avantageusement, l’étanchéité entre les parois radiales (5, 6) et la paroi supérieure peut être réalisée par joints toriques, visibles dans la Fig 6. D’autres modes de réalisation de l’étanchéité sont envisagés par l’homme de l’art, suivant les circonstances.
Selon l’invention, un canal de liaison (17) est disposé entre les deux chambres. Idéalement, ce canal de liaison (17) est situé à proximité de l’une des deux parois radiales (6) afin de maximiser les dimensions de la chambre (2). Le canal de liaison
(17) a une forme sensiblement annulaire et une section de passage adaptée au débit désiré. Selon l’invention, on obtient un échange thermique optimal car l’entrée du flux au niveau de la trajectoire du fluide de refroidissement dans la deuxième chambre (3), est complément axisymétrique. Les vitesses du fluide sont donc homogènes tout le long de la paroi inférieure (9). Les pertes de charge sont limitées grâce à une réduction significative du nombre de parois et en choisissant des parois lisses. Finalement la fabrication est effectuée à moindre coût grâce à un nombre réduit de composants, grâce à une facilité de réalisation des composants et grâce à un montage simplifié.
Conformément à une mise en œuvre de l’invention, le fluide caloporteur peut pénétrer dans le dispositif par l’intermédiaire d’un ou plusieurs moyens de connexion fluidique (7) et en ressort par l’intermédiaire d’un ou plusieurs moyens de connexion fluidique (8). Ces moyens peuvent avoir des formes diverses avec une variété de sections suivant les besoins de l’installation. Ces moyens de connexion fluidique peuvent se situer de manière sensiblement perpendiculaire à la paroi supérieure (10) ou sensiblement perpendiculaire à une paroi radiale.
La qualité de l’homogénéisation du front du fluide caloporteur est assurée par une longueur de parcours choisie de manière optimale entre le point d’entrée du fluide dans le dispositif par le moyen de connexion fluidique (7) et l’endroit du passage du fluide entre les deux chambres, à savoir le bord de la paroi intermédiaire (4). La dimension (A) étant la dimension entre la paroi axiale (6) et le moyen de connexion fluidique (7), cf. Fig 6, elle impacte directement le dimensionnement du volume nécessaire pour réaliser le flux axisymétrique. La dimension (B), étant la distance entre la paroi inférieure (9) et la paroi intermédiaire (4), cf. Fig 6, elle permet de définir la section de passage et donc la vitesse d’écoulement du fluide au niveau de la deuxième chambre.
Conformément à une mise en œuvre de l’invention, les chambres (2, 3) peuvent avoir une épaisseur qui tient compte des dimensions de la machine électrique. Avantageusement, les chambres (2, 3) peuvent avoir une épaisseur de l’ordre de 0.5 à 4 mm, préférablement 1 à 2 mm. Toujours afin d’optimiser l’homogénéisation du fluide de manière axisymétrique, la dimension (A) peut être de l’ordre de 3 à 200 mm, suivant les dimensions de la machine électrique. De plus, la dimension (A) peut être adaptée en fonction du besoin en refroidissement, à savoir si on souhaite obtenir un fort coefficient convectif ou plutôt de réduire davantage les pertes de charges.
Réalisation du dispositif de l’invention : le dispositif de l’invention est constitué de deux chambres concentriques (2 et 3) séparées par une paroi intermédiaire (4) (cf. Figure 6). Le positionnement de cette paroi intermédiaire (4), séparant les deux chambres du dispositif de refroidissement, requiert de la part de l’homme du métier une attention particulière quant à sa réalisation et à sa mise en place. Une solution que l’on propose est l’utilisation de picots ou de rainures sur la partie interne du canal d’écoulement (cf. Figure 7). En d’autres termes, des picots ou des rainures peuvent être prévus dans la deuxième chambre pour assurer le positionnement de la paroi intermédiaire. Un exemple de carter de refroidissement avec picots est présenté à la Figure 8. En terme de réalisation, les picots ou rainures peuvent être rectifiés sur l’extérieur de la paroi inférieure (9).
Conformément à une mise en œuvre de l’invention, la paroi intermédiaire peut être maintenue en position par rapport à la paroi inférieure au moyen d’un ensemble de picots (11) et/ou rainures (12).
Conformément à une mise en œuvre de l’invention, le dispositif de refroidissement peut comprendre un ensemble de protubérances (13, 14), lesdites protubérances se trouvant dans la deuxième chambre, en contact avec la paroi inférieure (9). Ces protubérances (13, 14) ont un rôle d’augmentation de la surface en contact avec le fluide afin d’augmenter l’échange thermique. Ces protubérances (13, 14) ont également un rôle de guidage du flux de fluide à l’intérieur des chambres.
Conformément à une mise en œuvre de l’invention, l’ensemble de protubérances (13, 14) peut comprendre un ou plusieurs picots (13) et/ou plusieurs rainures (14). Ces picots (13) et/ou rainures (14) sont clairement différenciés de l’ensemble de picots (11) et/ou rainures (12) décrits ci-dessus en ce que les premiers ne viennent pas en contact avec la paroi intermédiaire (4).
Conformément à une mise en œuvre de l’invention, au moins l’un des picots, des ensembles de picots, de rainures ou de protubérances sont agencés suivant une ou plusieurs trajectoires du type sensiblement rectiligne, circonférentielle, hélicoïdale ou en sous-groupes de trajectoires différentes. La figure 9 illustre une telle réalisation, dans laquelle les picots de l’ensemble de picots (11) sont alignés longitudinalement sur plusieurs lignes.
Conformément à une mise en œuvre de l’invention, la deuxième chambre comporte un évasement (15) à proximité du deuxième moyen de connexion fluidique. Cet évasement a une forme préférablement annulaire. Cet évasement a un rôle de relaxation de la couche de fluide qui se situe en sortie de la deuxième chambre afin de permettre un écoulement optimisé vers la sortie du dispositif de refroidissement.
Tel qu’illustrée en figure 10 et conformément à une mise en œuvre de l’invention de manière avantageuse, une troisième chambre (16) peut se situer entre le premier moyen de connexion fluidique et la première chambre. Cette troisième chambre (16) a une forme sensiblement annulaire concentrique par rapport à la première chambre, ladite troisième chambre s’élongeant sur tout ou partie de la circonférence du dispositif de refroidissement. Cette troisième chambre (16) a un rôle d’homogénéisation supplémentaire en amont de la première chambre (2). L’homme du métier peut, en fonction de circonstances particulières comme des contraintes dimensionnelles ou liés au caractéristiques du fluide employé, empiler cette troisième chambre (16) en amont de la première chambre (2) et peut également rajouter une autre chambre en aval de la deuxième chambre (3).
Conformément à une mise en œuvre de l’invention, le dispositif de refroidissement peut avoir une longueur au moins égale à la longueur axiale du corps dudit stator. En effet, l’objectif de l’invention est de maximiser les échanges calorimétriques en utilisant de manière optimale la surface de contact autour du stator de la machine électrique.
Comme il va de soi, l’invention ne se limite pas aux seules formes de réalisation des évidements, décrits ci-dessus à titre d’exemple, elle embrasse au contraire toutes les variantes de réalisation.
Exemples
Les avantages du dispositif selon l’invention apparaissent plus clairement à la lecture de l’exemple d’application ci-après.
Afin de comparer l’efficacité de refroidissement du dispositif de l’art antérieur
(WO2019/037930) par rapport à celui de l’invention (figure 6), nous avons réalisé une simulation CFD (Computational Fluid Dynamics, pouvant être traduit par mécanique des fluides numérique) pour un débit d’entrée d’eau équivalent à 1m/s (débit massique: 93,3 g/s). Les résultats sur la dispositif de l’art antérieur (WO2019/037930) sont présentés à la Fig 4. Les pertes de charge sont de 1397 Pa pour un coefficient d’échange thermique moyen de 2594W/m2/K. Les mêmes résultats (même conditions de simulation) sont présentées à la Fig 5 pour le dispositif de l’invention. Les pertes de charges sont beaucoup plus faibles dans cette configuration, seulement 590 Pa, soit une diminution de 57% de pertes de charges. Concernant le coefficient d’échange thermique, ce dernier augmente de 42%, en passant de 2594 à 3688 W/m2/K. Ces deux derniers résultats, à savoir une forte augmentation du coefficient d’échange et une forte diminution des pertes de charge, sont vraiment significatifs.

Claims

Revendications
1. Dispositif de refroidissement (1) pour une machine électrique tournante comportant un stator, un rotor agencé au sein dudit stator, ledit dispositif de refroidissement (1) étant sensiblement cylindrique et ledit dispositif de refroidissement comprenant :
-une première chambre (2),
-une deuxième chambre (3), -les deux chambres (2, 3) étant de forme sensiblement annulaire concentriques,
-une paroi intermédiaire (4) de forme sensiblement annulaire qui sépare les deux chambres qui s’étend sur sensiblement la longueur du système de refroidissement (1),
-deux parois radiales (5, 6) se situant sensiblement aux extrémités longitudinales du dispositif (1) délimitant longitudinalement lesdites chambres,
-un canal de liaison (17) entre les deux chambres situé à proximité de l’une des deux parois radiales (6), ledit dispositif de refroidissement étant caractérisé en ce que :
-le canal de liaison (17) a une forme sensiblement annulaire.
2. Dispositif de refroidissement selon la revendication 1, dans lequel ledit dispositif de refroidissement comprend
-un premier moyen de connexion fluidique (7),
-un deuxième moyen de connexion fluidique (8), -le premier moyen de connexion fluidique (7) étant en connexion fluidique avec la première chambre (2),
-le deuxième moyen de connexion fluidique (8) étant en connexion fluidique avec la deuxième chambre (3).
3. Dispositif de refroidissement selon la revendication 2, dans lequel au moins un des deux moyens de connexion fluidique se situe de manière sensiblement perpendiculaire à la paroi supérieure ou sensiblement perpendiculaire à une paroi radiale.
4. Dispositif de refroidissement selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la première chambre a une épaisseur de 0.5 à 4 mm, préférablement 1 à 2 mm et/ou la deuxième chambre a une épaisseur de 0.5 à 4 mm, préférablement 1 à 2 mm.
5. Dispositif de refroidissement selon l’une des revendications précédentes, dans lequel ledit dispositif de refroidissement comprend une paroi inférieure (9) délimitant la deuxième chambre et comportant au moins une des deux parois radiales.
6. Dispositif de refroidissement selon l’une des revendications précédentes, dans lequel ledit dispositif de refroidissement comprend une paroi supérieure (10) délimitant la première chambre, ladite paroi supérieure ayant une forme annulaire, sensiblement circulaire.
7. Dispositif de refroidissement selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la paroi intermédiaire est maintenue par rapport à la paroi inférieure au moyen d’un ensemble de picots (11) et/ou rainures (12).
8. Dispositif de refroidissement selon l’une des revendications précédentes, dans lequel ledit dispositif de refroidissement comprend un ensemble de protubérances (13, 14), lesdites protubérances se trouvant dans la deuxième chambre, en contact avec la paroi inférieure.
9. Dispositif de refroidissement selon la revendication 8 dans lequel l’ensemble de protubérances comprend un ou plusieurs picots (13) et/ou plusieurs rainures (14).
10. Dispositif de refroidissement selon l’une des revendications 7 à 9, dans lequel au moins l’un des picots, des ensembles de picots, de rainures ou de protubérances sont agencés suivant une ou plusieurs trajectoires du type sensiblement rectiligne, circonférentielle, hélicoïdale ou en sous-groupes de trajectoires différentes.
11. Dispositif de refroidissement selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la deuxième chambre comporte un évasement (15) à proximité du deuxième moyen de connexion fluidique.
12. Dispositif de refroidissement selon la revendication 11, dans lequel l’évasement a une forme annulaire.
13. Dispositif de refroidissement selon l’une des revendications précédentes, dans lequel ledit dispositif de refroidissement comprend une troisième chambre (16) se situant entre le premier moyen de connexion fluidique et la première chambre.
14 Dispositif de refroidissement selon la revendication 13, dans lequel la troisième chambre a une forme sensiblement annulaire concentrique par rapport à la première chambre, ladite troisième chambre s’élongeant sur tout ou partie de la circonférence du dispositif de refroidissement.
15. Dispositif de refroidissement selon l’une des revendications précédentes, dans lequel ledit dispositif de refroidissement a une longueur au moins égale à la longueur axiale du corps dudit stator.
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