WO2021110356A1 - Machine electrique pour vehicule - Google Patents

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WO2021110356A1
WO2021110356A1 PCT/EP2020/081354 EP2020081354W WO2021110356A1 WO 2021110356 A1 WO2021110356 A1 WO 2021110356A1 EP 2020081354 W EP2020081354 W EP 2020081354W WO 2021110356 A1 WO2021110356 A1 WO 2021110356A1
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cooling
machine
fluid
cooled
electric
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PCT/EP2020/081354
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English (en)
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Paul Armiroli
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Valeo Equipements Electriques Moteur
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    • H02K9/19—Arrangements for cooling or ventilating for machines with closed casing and closed-circuit cooling using a liquid cooling medium, e.g. oil
    • H02K9/20—Arrangements for cooling or ventilating for machines with closed casing and closed-circuit cooling using a liquid cooling medium, e.g. oil wherein the cooling medium vaporises within the machine casing
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    • B60K2001/003—Arrangement or mounting of electrical propulsion units with means for cooling the electrical propulsion units
    • B60K2001/006—Arrangement or mounting of electrical propulsion units with means for cooling the electrical propulsion units the electric motors

Definitions

  • the present invention relates to a rotary electrical machine for a vehicle.
  • the electrical machine is for example an alternator or an alternator-starter supplied by a nominal voltage of 12V or 48V, or even more.
  • This electric machine can be integrated into a hybrid or purely electric powered vehicle, for example an automobile.
  • cooling liquid such as glycol water circulating in an outer casing of the stator of the machine or oil circulating inside the machine.
  • the temperature of the coolant remains above 70 ° C. in known applications. Consequently, the sizing and performance of the electric machine are impacted by this coolant temperature value.
  • the object of the invention is to meet this need and it achieves it, according to one of its aspects, with the aid of a method for producing an electric machine for propelling a vehicle, the machine rotating around of an axis and being cooled by a cooling circuit using a cooling fluid, this cooling fluid being cooled via a heat exchange interface by a refrigerating fluid circulating in an air conditioning loop of the vehicle, process in which:
  • At least one structural parameter of the electric machine is determined so that this nominal power is present on the shaft of the electric machine when it is cooled by the cooling fluid, the temperature of which is in the range of values .
  • the method includes the step of making (or manufacturing) the electrical machine.
  • the invention is to take advantage of the lowering of the temperature of the coolant compared to the prior art, and therefore to take advantage of the increased efficiency of the cooling, to size the electric machine.
  • the structural parameter of the machine used is, for example, one of: the axial dimension of the rotor, for example of the bundle of sheets forming said rotor, the axial dimension of the carcass of the stator on which the electric stator winding is mounted, or again the number of turns per phase of the electric stator winding.
  • the structural parameters of the electrical machine can be determined so that this nominal value of mechanical power is present on the shaft of the electrical machine when it is cooled by the cooling fluid, the temperature of which is in the range. range of values.
  • the nominal mechanical power on the rotor shaft is for example 15 kW or 25 kW, or the like.
  • the range of values in which the temperature of the cooling fluid is located can be between 35 ° C and 45 ° C, being for example between 35 ° C and 40 ° C, being in particular equal to 40 ° C.
  • the ratio between the nominal mechanical power on the shaft of the electric machine and the volume occupied by this electric machine is for example greater than 10,500 kW / m 3 , being for example greater than 11,000 kW / m 3 , for example greater than 12,000 kW / m 3 .
  • This ratio is in particular between 12388 kW / m 3 and 12391 kW / m 3 when the temperature of the cooling fluid, for example water, is at 40 ° C.
  • this same ratio can be equal to 10326 kW / m 3 when the cooling fluid is water at 70 ° C.
  • the invention may consist of:
  • Another subject of the invention is, according to another of its aspects, a set, comprising:
  • this cooling system comprising:
  • this interface being arranged to allow cooling of the fluid of the cooling circuit by removing heat by the refrigerant fluid of the air conditioning loop, the ratio between the nominal mechanical power on the machine shaft and the volume of the machine being greater than 10,500 kW / m 3 , being for example greater than 11,000 kW / m 3 , for example greater than 12,000 kW / m 3 , being in particular between 12388 kW / m 3 and 12391 kW / m 3 .
  • the fluid in the cooling circuit can be water, for example glycol water.
  • the cooling circuit may comprise at least one cooling channel through which the cooling fluid passes, and this cooling channel may at least partially surround the stator of the electric machine.
  • This channel may be located within a cooling space extending between two walls that are substantially concentric with respect to the axis of the rotor shaft.
  • the radially inner wall of this space may be in direct contact with the carcass of the stator of the electric machine.
  • the radially outer wall of this space may include at least one fitting to define the inlet or outlet for cooling fluid in the channel.
  • the radially outer wall of the cooling space is, for example, the casing of the electrical machine.
  • All of the coolant can occupy the cooling space, in which case the cooling space and the cooling channel are the same.
  • the refrigerant fluid of the air conditioning loop is for example 1234yF fluid.
  • This air conditioning loop can cool the vehicle interior.
  • the air conditioning loop comprises, for example, a pipe extending inside the aforementioned cooling space, in particular the aforementioned cooling channel.
  • the heat exchange interface can be formed by the wall of this pipe, the heat exchange between the refrigerant fluid and the cooling fluid taking place via this wall.
  • This pipe wall is for example made of steel, aluminum or stainless steel.
  • This pipe can define a plurality of branches mounted in parallel, each of these branches extending inside the aforementioned cooling space.
  • the pipe may have a refrigerant fluid inlet and a refrigerant fluid outlet for connection to the rest of the air conditioning loop.
  • the air conditioning loop does not include such a pipe extending inside the cooling space and through which the refrigerant fluid passes.
  • a specific heat exchanger is present to define the heat exchange interface allowing the transfer of heat from the cooling fluid to the refrigerating fluid.
  • the air conditioning loop can include one or more expansion valves, an evaporator and a compressor.
  • the rotor can be a claw rotor.
  • This rotor then comprises a first and a second nested pole wheel, the first pole wheel defining a series of claws of generally trapezoidal shape, each claw extending axially in the direction of the second pole wheel, the second pole wheel defining a series of claws of generally trapezoidal shape, each claw extending axially in the direction of the first pole wheel.
  • a permanent magnet can be received between two consecutive claws circumferentially speaking for the rotor.
  • the rotor may be other than a claw rotor, comprising for example a bundle of sheets.
  • the rotor can include any number of pole pairs, for example six or eight pole pairs.
  • the rotating electrical machine may have a stator having a polyphase electrical winding, for example formed by wires or by conductive bars connected to each other.
  • the rotating electrical machine may include an electronic power component, able to be connected to the on-board network of the vehicle.
  • This electronic power component comprises, for example, an inverter / rectifier making it possible, depending on whether the electric machine operates as a motor or as a generator, to charge an on-board network of the vehicle or to be electrically supplied from this network.
  • the rotating electric machine can also include a pulley or any other means of connection to the rest of the vehicle's powertrain.
  • the electric machine is for example connected, in particular via a belt, to the crankshaft of the heat engine of the vehicle.
  • the electric machine is connected to other locations of the powertrain, for example to the input of the gearbox from the point of view of the torque passing through to the wheels of the vehicle, at the output of the gearbox at the point view of the torque passing through the wheels of the vehicle, at the level of the gearbox from the point of view of the torque passing through the wheels of the vehicle, or even on the front axle or the rear axle of this powertrain.
  • the rotating electrical machine is not necessarily a synchronous machine, which may be an asynchronous machine.
  • Another subject of the invention is a method for producing an electric machine for propelling a vehicle, the machine rotating about an axis and being cooled by a cooling circuit using a fluid. cooling, this cooling fluid being cooled via a heat exchange interface by a refrigerant fluid circulating in an air conditioning loop of the vehicle, process in which:
  • At least one structural parameter is known of a rotating electrical machine cooled by a cooling circuit using a cooling fluid not cooled by a refrigerant fluid circulating in an air conditioning loop of the vehicle, this structural parameter having a given value and a power mechanism of given nominal value being present on the shaft of this rotating electrical machine,
  • this structural parameter is modified so that the given nominal value of mechanical power is present on the shaft of this electrical machine when it is cooled by a cooling circuit using a cooling fluid cooled by a fluid refrigerant circulating in an air conditioning loop of the vehicle, or the given value of this structural parameter is kept so that a nominal value of mechanical power greater than the given nominal value of mechanical power is present on the shaft of this machine electric when it is cooled by a cooling circuit using a cooling fluid cooled by a refrigerant fluid circulating in an air conditioning loop of the vehicle, and
  • the structural parameter can be one from among the axial dimension of the rotor, in particular of the packet of sheets of said rotor, the axial dimension of the carcass of the stator on which the electric stator winding is mounted, or the number of turns per phase of the electric stator winding,
  • the structural parameter can be one of: the axial dimension of the rotor, in particular of the pack of sheets of said rotor, and the axial dimension of the stator frame on which the electric stator winding is mounted, and the modification of the value of this structural parameter may consist of a reduction of this value compared to the given value,
  • the ratio between the nominal mechanical power on the shaft of the electric machine produced and the volume occupied by this electric machine can be greater than 10,500 kW / m 3 , being for example greater than 11,000 kW / m 3 , for example greater at 12,000 kW / m 3
  • the temperature of the cooling fluid may be between 65 ° C and 75 ° C, being in particular equal to 70 ° C, in the absence of cooling of the cooling fluid by the refrigerant fluid, and the temperature of this cooling fluid can be between 35 ° C and 45 ° C, being for example between 35 ° C and 40 ° C, being in particular equal to 40 ° C, when this cooling fluid is cooled by the refrigerant fluid.
  • FIG. 1 schematically shows an assembly according to an exemplary implementation, comprising a rotating electrical machine and a cooling system for this machine
  • FIG. 1 shows a sectional view of an exemplary implementation of part of the assembly of Figure 1
  • FIG. 3 shows a more detailed view of an electric machine that can be integrated into the assembly of Figure 2.
  • FIG. 1 An assembly 1, comprising an electric machine 2 for propelling a vehicle and a cooling system 3 of this electric machine 2.
  • the machine will now be described in more detail with reference to Figures 2 and 3. .
  • the rotating electrical machine 2 can form an alternator or an alternator-starter of the vehicle.
  • This rotating electrical machine can be supplied via a power electronic component 20 comprising an inverter / rectifier by a battery whose nominal voltage is 48V or a value greater than 300V, for example.
  • the rotating electrical machine 2 comprises a casing 4. Inside this casing 4, it further comprises a shaft 5, a rotor 6 integral in rotation with the shaft 5 and a stator 7 surrounding the rotor 6. The Rotational movement of the rotor 6 takes place around an X axis.
  • the rotating electrical machine 2 is for example as shown in FIG. 3.
  • the housing 4 comprises for example a front bearing 8 and a rear bearing 9 which are assembled together. These bearings 8, 9 are hollow in shape and each carry a respective ball bearing 10, 11 centrally for the rotational mounting of the shaft 5.
  • a pulley 12 is in the example considered fixed to a front end of the shaft 5, at the level of the front bearing 8, for example using a nut resting on the bottom of the cavity of this pulley.
  • This pulley 12 transmits the rotational movement to the shaft 5 and it can be connected via a belt to the crankshaft of the heat engine of the vehicle.
  • the stator 7 comprises a carcass 15 in the form of a bundle of sheets provided with notches, for example of the semi-closed or open type, equipped with insulating notches for mounting the electrical winding. polyphase of the stator. Each phase comprises a winding 16 passing through the notches of the carcass 15 and forming, with all the phases, a front chignon and a rear chignon on either side of the body of the stator.
  • the windings 16 are for example obtained from a continuous wire covered with enamel or from conductive elements in the form of a bar such as pins connected together.
  • the electric winding of the stator is for example three-phase, then implementing a star or delta connection, the outputs of which are connected to the electronic power component 20.
  • rotor 6 is a claw rotor. It has two pole wheels 17. The first pole wheel 17 is turned towards the electronic power component 20 while the second pole wheel 17 is turned towards the pulley 12.
  • Each of the pole wheels 17 includes a bottom 18 extending radially on either side of the X axis, the wheel defining a series of claws 19 of generally trapezoidal shape.
  • Each claw of a pole wheel 17 extends axially in the direction of the other pole wheel from a base arranged on the radially outer periphery of the bottom 18.
  • the rotor is not clawed, implementing a stacking of sheets for example.
  • This cooling system 3 uses two different fluids, namely a cooling fluid which is here glycol water, and a refrigerating fluid which. here is 1234yF.
  • the cooling fluid circulates in a cooling circuit 30 while the refrigerant circulates in an air conditioning loop 40 of the passenger compartment.
  • the cooling circuit comprises in the example considered a cooling channel 31 which is in the example of Figure 2 formed in the space defined between a radially inner wall in contact with the casing 15 of the stator 7 and a radially outer wall being the casing 4 of the electrical machine.
  • This cooling channel 31 therefore surrounds the stator 7 in the example considered.
  • the channel has an inlet and an outlet for its connection to the rest of the cooling circuit 30. These inlets and outlets may be in the form of pipes projecting from the wall of the casing 4 of the electrical machine 2.
  • the cooling circuit 30 may also include a pump 32 forcing the circulation of cooling fluid in the channel 31 to cool the electrical machine 2.
  • the cooling circuit 30 further comprises a heat exchange interface 35 for cooling by the refrigerant fluid.
  • the exchange interface thermal 35 is, for example, a heat exchanger taking the form, for example, of a housing or other, as described later.
  • the air conditioning loop 40 comprises in the example described two branches 41 and 42.
  • Each of these branches 41 and 42 comprises for example an inlet valve 43 controlling the passage of the refrigerant fluid in said branch, and an expansion valve 44.
  • One of the branches further comprises, downstream of the expansion valve 44, an evaporator 45, while that the other branch also comprises, downstream of the expansion valve 44, the heat exchange interface 35.
  • These two branches 41 and 42 meet in the example considered upstream of a compressor 48.
  • the air conditioning loop 40 also comprises, in the example considered a condenser 49 arranged downstream of the compressor 48. This condenser 49 can be placed in the air flow circulating on the front face of the vehicle
  • the air conditioning loop 40 comprises a pipe 50 extending inside the cooling channel 31.
  • This pipe 50 is here defined by a tube which has a cylindrical shape and which has a plurality of branches in parallel, each of these branches extending inside the aforementioned cooling space. Each branch extends in the example considered following a circle or an arc of a circle.
  • the pipe has an inlet 52 for refrigerant fluid and an outlet 53 for refrigerant fluid for connection to the rest of the air conditioning loop 40.
  • the passage of the refrigerant fluid via the pipe 50 inside the channel 31 of the cooling circuit 30 allows heat exchange through the wall of the pipe 50 between the refrigerant circulating at the end. 'inside the pipe 50 and the cooling fluid flowing outside the latter in the cooling channel 31.
  • This cooperation defines in this example the heat exchange interface 35 allowing the cooling of the cooling fluid by the refrigerant fluid.
  • This cooperation can promote the maintenance of the temperature of the cooling fluid coming into contact with the stator 7 of the rotating electrical machine at a maximum temperature of 40 ° C. If necessary, exceeding this temperature value of 40 ° C may be accompanied by compensatory measures, such as derating.
  • the invention aims to take advantage of this range of values for the temperature of the cooling fluid of the electrical machine to dimension this electrical machine 2 accordingly, also taking into account the nominal mechanical power which it is desired to have on the shaft 5. of the electric machine.
  • the power can be considered as proportional to the short-circuit current in the electric winding of the stator 16.
  • the loss In this mode of operation 70% can be considered to be caused by copper losses which are proportional to the square of this short-circuit current.
  • the invention takes advantage of the passage of this temperature difference from a value of 110 ° C for a cooling fluid at 70 ° C to a value of 140 ° C for a cooling fluid at 40 ° C, to size the rotating electrical machine 2.
  • N being the number of turns in the stator
  • the ampere turns NI are increased by 16%.
  • This 16% increase in NI corresponds to a 16% increase in electromotive force for a coil.
  • the result of this latter increase is a 16% increase in the effective value of the short-circuit current of the machine, hence an increase of 32% in the motor torque supplied by this electric machine.
  • the active length of the electrical machine that is to say the axial dimension of the casing 15 of the stator 7 and the axial dimension of the rotor, in particular of its bundle of sheets, if one wishes for example to keep the same torque constant between the machine cooled to 40 ° C and the one cooled to 70 ° C and also keep the same short-circuit current for these two machines. It is also possible to increase the number of turns in the stator per phase.
  • stator frame 66 mm
  • the application of the invention to this example makes it possible, if one wishes to keep the same power of 20.333 kW when the machine is cooled by water to 40 ° C., to reduce the axial dimension of the frame 15 of the stator. and the rotor plate package to 46 mm, a reduction of 32% of this axial dimension. In this case, the number of turns per stator phase is increased to 23, ie an increase of 16%.
  • the RMS interphase electromotive force at 1000 rpm changes to 11 V, an increase of 30%.
  • the torque goes from 85 Nm to 105 Nm.
  • the invention is not limited to the examples which have just been described.

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Abstract

Ensemble, comprenant : - une machine électrique de propulsion d'un véhicule, tournant autour d'un axe, et - un système de refroidissement de cette machine électrique, ce système de refroidissement comprenant : - un circuit de refroidissement de la machine électrique parcouru par un fluide de refroidissement, - une boucle de climatisation utilisant un fluide réfrigérant, et - une interface d'échange thermique entre ce circuit de refroidissement et la boucle de climatisation, cette interface étant agencée pour permettre de refroidir le fluide du circuit de refroidissement en évacuant de la chaleur par le fluide réfrigérant de la boucle de climatisation, le rapport entre la puissance mécanique nominale sur l'arbre de la machine et le volume de la machine étant supérieur à 10 500 kW/m3.

Description

Machine électrique pour véhicule
La présente invention concerne une machine électrique tournante pour véhicule.
La machine électrique est par exemple un alternateur ou un alterno-démarreur alimenté par une tension nominale de 12V ou de 48V, voire plus.
Cette machine électrique peut être intégrée à un véhicule à propulsion hybrique ou purement électrique, par exemple une automobile.
Il est connu de refroidir la machine électrique par du liquide de refroidissement tel que de l’eau glycolée circulant dans une enveloppe extérieure au stator de la machine ou de l’huile circulant à l’intérieur de la machine.
La température du liquide de refroidissement reste supérieure à 70°C dans les applications connues. En conséquence, le dimensionnement et les performances de la machine électrique sont impactées par cette valeur de température du liquide de refroidissement.
Il existe un besoin pour améliorer encore les performances ou le dimensionnement des machines électriques tournantes refroidies par du liquide de refroidissement.
L’invention a pour objet de répondre à ce besoin et elle y parvient, selon l’un de ses aspects, à l’aide d’un procédé de réalisation d’une machine électrique de propulsion d’un véhicule, la machine tournant autour d’un axe et étant refroidie par un circuit de refroidissement utilisant un fluide de refroidissement, ce fluide de refroidissement étant refroidi via une interface d’échange thermique par un fluide réfrigérant circulant dans une boucle de climatisation du véhicule, procédé dans lequel :
- on connaît la plage de valeurs dans laquelle se trouve la température du fluide de refroidissement,
- on détermine la valeur de la puissance mécanique nominale sur l’arbre de la machine électrique, et
- on détermine au moins un paramètre structurel de la machine électrique de manière à ce que cette puissance nominale soit présente sur l’arbre de la machine électrique lorsqu’elle est refroidie par le fluide de refroidissement dont la température se trouve dans la plage de valeurs.
Le procédé comprend l’étape de réalisation (ou fabrication) de la machine électrique. Autrement dit, l’invention consiste à tirer parti de l’abaissement de température du fluide de refroidissement par rapport à l’art antérieur, et donc à tirer parti de l’efficacité accrue du refroidissement, pour dimensionner la machine électrique.
Au sens de la présente demande :
- « axialement » signifie « parallèlement à l’axe de rotation de l’arbre »,
- « radialement » signifie « dans un plan perpendiculaire à l’axe de rotation de l’arbre et le long d’une droite coupant cet axe de rotation », - « circonférentiellement » signifie « dans un plan perpendiculaire à l’axe de rotation de l’arbre et en se déplaçant autour de cet axe ».
Le paramètre structurel de la machine utilisée est par exemple l’un parmi : la dimension axiale du rotor, par exemple du paquet de tôles formant ledit rotor, la dimension axiale de la carcasse du stator sur laquelle est monté G enroulement électrique de stator, ou encore le nombre de spires par phase de l’enroulement électrique de stator. On peut déterminer plusieurs des paramètres stmcturels précités de la machine électrique de manière à ce que cette valeur nominale de puissance mécanique soit présente sur l’arbre de la machine électrique lorsqu’elle est refroidie par le fluide de refroidissement dont la température se trouve dans la plage de valeurs.
La puissance mécanique nominale sur l’arbre du rotor est par exemple de 15 kW ou de 25 kW, ou autre.
La plage de valeurs dans laquelle se trouve la température du fluide de refroidissement peut être comprise entre 35°C et 45°C, étant par exemple comprise entre 35°C et 40°C, étant notamment égale à 40°C.
Le rapport entre la puissance mécanique nominale sur l’arbre de la machine électrique et le volume occupé par cette machine électrique est par exemple supérieur à 10500 kW/m3, étant par exemple supérieur à 11 000 kW/m3, par exemple supérieur à 12000 kW/m3. Ce rapport est notamment compris entre 12388 kW/m3 et 12391 kW/m3 lorsque la température du fluide de refroidissement, par exemple l’eau, est à 40°C. A titre de comparaison, ce même rapport peut être égal à 10326 kW/m3 lorsque le fluide refroidissement est de l’eau à 70°C.
L’invention peut consister :
- soit à profiter de l’efficacité améliorée du refroidissement pour réduire la dimension axiale du rotor, notamment de son paquet de tôles, et de la carcasse du stator, donc le volume de la machine, tout en conservant la puissance mécanique nominale sur l’arbre identique à celle des machines refroidies à une température supérieure selon l’art antérieur. Cette réduction est par exemple comprise entre 10% et 33% de la dimension axiale du rotor et du stator d’une machine refroidie avec de l’eau à 70°C,
- soit à profiter de l’efficacité améliorée du refroidissement pour conserver la dimension axiale du rotor, notamment de son paquet de tôles, et de la carcasse du stator, donc le volume de la machine identique à celui des machines refroidies à une température supérieure selon l’art antérieur, tout en augmentant la puissance mécanique nominale sur l’arbre par rapport à celle de ces machines selon l’art antérieur. Cette augmentation est par exemple de l’ordre de 10% à 20% de la puissance mécanique nominale d’une machine refroidie avec de l’eau à 70°C.
L’invention a encore pour objet, selon un autre de ses aspects, un ensemble, comprenant :
- une machine électrique de propulsion d’un véhicule, tournant autour d’un axe, et - un système de refroidissement de cette machine électrique, ce système de refroidissement comprenant :
- un circuit de refroidissement de la machine électrique parcouru par un fluide de refroidissement,
- une boucle de climatisation utilisant un fluide réfrigérant, et
- une interface d’échange thermique entre ce circuit de refroidissement et la boucle de climatisation, cette interface étant agencée pour permettre de refroidir le fluide du circuit de refroidissement en évacuant de la chaleur par le fluide réfrigérant de la boucle de climatisation, le rapport entre la puissance mécanique nominale sur l’arbre de la machine et le volume de la machine étant supérieur à 10500 kW/m3, étant par exemple supérieur à 11 000 kW/m3, par exemple supérieur à 12000 kW/m3, étant notamment compris entre 12388 kW/m3 et 12391 kW/m3.
Le fluide du circuit de refroidissement peut être de l’eau, par exemple de l’eau glycolée.
Le circuit de refroidissement peut comprendre au moins un canal de refroidissement parcouru par le fluide de refroidissement, et ce canal de refroidissement peut entourer au moins partiellement le stator de la machine électrique.
Ce canal peut se trouver à l’intérieur d’un espace de refroidissement s’étendant entre deux parois sensiblement concentriques par rapport à l’axe de l’arbre du rotor. La paroi radialement intérieure de cet espace peut être directement en contact avec la carcasse du stator de la machine électrique. La paroi radialement extérieure de cet espace peut comprendre au moins un raccord pour définir l’entrée ou la sortie en fluide de refroidissement dans le canal. La paroi radialement extérieure de l’espace de refroidissement est par exemple le carter de la machine électrique.
Le fluide de refroidissement peut occuper en totalité l’espace de refroidissement, auquel cas l’espace de refroidissement et le canal de refroidissement sont confondus.
Le fluide réfrigérant de la boucle de climatisation est par exemple du fluide 1234yF. Cette boucle de climatisation peut refroidir l’habitacle du véhicule.
La boucle de climatisation comprend par exemple une conduite s’étendant à l’intérieur de l’espace de refroidissement précité, notamment du canal de refroidissement précité. Ainsi l’interface d’échange thermique peut être formée par la paroi de cette conduite, l’échange de chaleur entre le fluide réfrigérant et le fluide de refroidissement se faisant via cette paroi. Cette paroi de la conduite est par exemple réalisée en acier, en aluminium ou en inox.
Cette conduite peut définir une pluralité de branches montées en parallèle, chacune de ces branches s’étendant à l’intérieur de l’espace de refroidissement précité. La conduite peut présenter une entrée en fluide réfrigérant et une sortie en fluide réfrigérant pour la connexion au reste de la boucle de climatisation. En variante, la boucle de climatisation ne comprend pas une telle conduite s’étendant à l’intérieur de l’espace de refroidissement et parcourue par le fluide réfrigérant. Un échangeur de chaleur spécifique est dans ce cas présent pour définir l’interface d’échange thermique permettant le transfert de chaleur du fluide de refroidissement vers le fluide réfrigérant.
La boucle de climatisation peut comprendre un ou plusieurs détendeurs, un évaporateur et un compresseur.
Dans tout ce qui précède, le rotor peut être un rotor à griffes. Ce rotor comprend alors une première et une deuxième roues polaires imbriquées, la première roue polaire définissant une série de griffes de forme globalement trapézoïdale, chaque griffe s'étendant axialement en direction de la deuxième roue polaire, la deuxième roue polaire définissant une série de griffes de forme globalement trapézoïdale, chaque griffe s'étendant axialement en direction de la première roue polaire. Un aimant permanent peut être reçu entre deux griffes consécutives circonférentiellement parlant pour le rotor. En variante, le rotor peut être autre qu’un rotor à griffes, comprenant par exemple un paquet de tôles.
Dans tout ce qui précède, le rotor peut comprendre un nombre de paires de pôles quelconque, par exemple six ou huit paires de pôles.
Dans tout ce qui précède, la machine électrique tournante peut avoir un stator ayant un enroulement électrique polyphasé, par exemple formé par des fils ou par des barres conductrices reliées les unes les autres.
La machine électrique tournante peut comprendre un composant électronique de puissance, apte à être connecté au réseau de bord du véhicule. Ce composant électronique de puissance comprend par exemple un onduleur/redresseur permettant, selon que la machine électrique fonctionne en moteur ou en génératrice, de charger un réseau de bord du véhicule ou d’être électriquement alimenté depuis ce réseau.
La machine électrique tournante peut encore comprendre une poulie ou tout autre moyen de liaison vers le reste du groupe motopropulseur du véhicule. La machine électrique est par exemple reliée, notamment via une courroie, au vilebrequin du moteur thermique du véhicule. En variante, la machine électrique est reliée à d’autres emplacement du groupe motopropulseur, par exemple à l’entrée de la boîte de vitesses du point de vue du couple transitant vers les roues du véhicule, en sortie de la boîte de vitesses du point de vue du couple transitant vers les roues du véhicule, au niveau de la boîte de vitesses du point de vue du couple transitant vers les roues du véhicule, ou encore sur le train avant ou le train arrière de ce groupe motopropulseur.
La machine électrique tournante n’est pas nécessairement une machine synchrone, pouvant être une machine asynchrone. L’invention a encore pour objet, selon un autre de ses aspects, un procédé de réalisation d’une machine électrique de propulsion d’un véhicule, la machine tournant autour d’un axe et étant refroidie par un circuit de refroidissement utilisant un fluide de refroidissement, ce fluide de refroidissement étant refroidi via une interface d’échange thermique par un fluide réfrigérant circulant dans une boucle de climatisation du véhicule, procédé dans lequel :
- on connaît au moins un paramètre structurel d’une machine électrique tournante refroidie par un circuit de refroidissement utilisant un fluide de refroidissement non refroidi par un fluide réfrigérant circulant dans une boucle de climatisation du véhicule, ce paramètre structurel ayant une valeur donnée et une puissance mécanique de valeur nominale donnée étant présente sur l’arbre de cette machine électrique tournante,
- on modifie la valeur de ce paramètre structurel de manière à ce que la valeur nominale donnée de puissance mécanique soit présente sur l’arbre de cette machine électrique lorsqu’elle est refroidie par un circuit de refroidissement utilisant un fluide de refroidissement refroidi par un fluide réfrigérant circulant dans une boucle de climatisation du véhicule, ou on conserve la valeur donnée de ce paramètre structurel de manière à ce qu’une valeur nominale de puissance mécanique supérieure à la valeur nominale donnée de puissance mécanique soit présente sur l’arbre de cette machine électrique lorsqu’elle est refroidie par un circuit de refroidissement utilisant un fluide de refroidissement refroidi par un fluide réfrigérant circulant dans une boucle de climatisation du véhicule, et
- on réalise une telle machine électrique avec la valeur modifiée du paramètre structurel ou la valeur nominale de puissance mécanique augmentée.
Tout ce qui précède s’applique encore à cet autre aspect de l’invention.
En particulier :
- le paramètre structurel peut être l’un parmi la dimension axiale du rotor, notamment du paquet de tôles dudit rotor, la dimension axiale de la carcasse du stator sur laquelle est monté l’enroulement électrique de stator, ou encore le nombre de spires par phase de l’enroulement électrique de stator,
- le paramètre structurel peut être l’un parmi : la dimension axiale du rotor, notamment du paquet de tôles dudit rotor, et la dimension axiale de la carcasse du stator sur laquelle est monté l’enroulement électrique de stator, et la modification de la valeur de ce paramètre structurel peut consister en une réduction de cette valeur par rapport à la valeur donnée,
- le rapport entre la puissance mécanique nominale sur l’arbre de la machine électrique réalisée et le volume occupé par cette machine électrique peut être supérieur à 10500 kW/m3, étant par exemple supérieur à 11 000 kW/m3, par exemple supérieur à 12000 kW/m3, - la température du fluide de refroidissement peut être comprise entre 65°C et 75°C, étant notamment égale à 70°C, en l’absence de refroidissement du fluide de refroidissement par le fluide réfrigérant, et la température de ce fluide de refroidissement peut être comprise entre 35°C et 45°C, étant par exemple comprise entre 35°C et 40°C, étant notamment égale à 40°C, lorsque ce fluide de refroidissement est refroidi par le fluide réfrigérant.
L’invention pourra être mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre d’un exemple non limitatif de mise en œuvre de celle-ci et à l’examen du dessin annexé sur lequel :
- la figure 1 représente de façon schématique un ensemble selon un exemple de mise en œuvre, comprenant une machine électrique tournante et un système de refroidissement de cette machine
- la figure 2 représente une vue en coupe d’un exemple de mise en œuvre d’une partie de l’ensemble de la figure 1, et
- la figure 3 représente une vue plus détaillée d’une machine électrique pouvant être intégrée à l’ensemble de la figure 2.
On a représenté sur la Figure 1 un ensemble 1 , comprenant une machine électrique 2 de propulsion d’un véhicule et un système de refroidissement 3 de cette machine électrique 2. La machine va maintenant être décrite plus en détail en référence aux figures 2 et 3.
La machine électrique tournante 2 peut former un alternateur ou un alterno-démarreur du véhicule. Cette machine électrique tournante peut être alimentée via un composant électronique de puissance 20 comprenant un onduleur/redresseur par une batterie dont la tension nominale est de 48V ou d’une valeur supérieure à 300V, par exemple.
La machine électrique tournante 2 comporte un carter 4. A l'intérieur de ce carter 4, elle comporte, en outre, un arbre 5, un rotor 6 solidaire en rotation de l’arbre 5 et un stator 7 entourant le rotor 6. Le mouvement de rotation du rotor 6 se fait autour d’un axe X. La machine électrique tournante 2 est par exemple telle que représentée à la figure 3.
Le carter 4 comporte par exemple un palier avant 8 et un palier arrière 9 qui sont assemblés ensemble. Ces paliers 8, 9 sont de forme creuse et portent, chacun, centralement un roulement à billes 10, 11 respectif pour le montage à rotation de l'arbre 5.
Une poulie 12 est dans l’exemple considéré fixée sur une extrémité avant de l’arbre 5, au niveau du palier avant 8, par exemple à l’aide d’un écrou en appui sur le fond de la cavité de cette poulie. Cette poulie 12 permet de transmettre le mouvement de rotation à l’arbre 5 et elle peut être reliée via une courroie au vilebrequin du moteur thermique du véhicule.
L’extrémité arrière de l’arbre 5 porte, ici, des bagues collectrices appartenant à un collecteur et reliées par des liaisons filaires au bobinage. Des balais appartenant à un porte-balais sont disposés de façon à frotter sur les bagues collectrices. Dans cet exemple de réalisation, le stator 7 comporte une carcasse 15 en forme d'un paquet de tôles doté d'encoches, par exemple du type semi fermée ou ouverte, équipées d’isolant d’encoches pour le montage de l’enroulement électrique polyphasé du stator. Chaque phase comporte un enroulement 16 traversant les encoches de la carcasse 15 et formant, avec toutes les phases, un chignon avant et un chignon arrière de part et d'autre du corps du stator. Les enroulements 16 sont par exemple obtenus à partir d’un fil continu recouvert d’émail ou à partir d’éléments conducteurs en forme de barre tels que des épingles reliées entre elles. L’enroulement électrique du stator est par exemple triphasé, mettant alors en œuvre un montage en étoile ou en triangle dont les sorties sont reliées au composant électronique de puissance 20.
Dans l’exemple de la figure 3, le rotor 6 est un rotor à griffe. Il comporte deux roues polaires 17. La première roue polaire 17 est tournée vers le composant électronique de puissance 20 tandis que la deuxième roue polaire 17 est tournée vers la poulie 12.
Chacune des roues polaires 17 comprend un fond 18 s’étendant radialement de part et d’autre de l’axe X, la roue définissant une série de griffes 19 de forme globalement trapézoïdale. Chaque griffe d’une roue polaire 17 s'étend axialement en direction de l’autre roue polaire depuis une base disposée sur la périphérie radialement extérieure du fond 18. Dans une variante, le rotor n’est pas à griffes, mettant en œuvre un empilement de tôles par exemple.
On va maintenant décrire plus en détail le système de refroidissement 3 de la machine électrique 1. Ce système de refroidissement 3 met en œuvre deux fluides différents, à savoir un fluide de refroidissement qui est ici de l’eau glycolée, et un fluide réfrigérant qui est ici du 1234yF.
Le fluide de refroidissement circule dans un circuit de refroidissement 30 tandis que le fluide réfrigérant circule dans une boucle de climatisation 40 de l’habitacle.
Comme on peut le voir sur la figure 1, le circuit de refroidissement comprend dans l’exemple considéré un canal de refroidissement 31 qui est dans l’exemple de la figure 2 ménagé dans l’espace défini entre une paroi radialement intérieure en contact avec la carcasse 15 du stator 7 et une paroi radialement extérieure étant le carter 4 de la machine électrique. Ce canal de refroidissement 31 entoure donc le stator 7 dans l’exemple considéré. Le canal présente une entrée et une sortie pour sa connexion au reste du circuit de refroidissement 30. Ces entrées et ces sorties peuvent se présenter sous la forme de tubulures faisant saillie sur la paroi du carter 4 de la machine électrique 2. Comme on peut le voir sur la figure 1 , le circuit de refroidissement 30 peut encore comprendre une pompe 32 forçant la circulant du fluide de refroidissement dans le canal 31 pour refroidir la machine électrique 2.
Dans l’exemple considéré, le circuit de refroidissement 30 comprend encore une interface d’échange thermique 35 pour un refroidissement par le fluide réfrigérant. L’interface d’échange thermique 35 est par exemple un échangeur de chaleur se présentant par exemple sous la forme d’un boîtier ou être autre, comme décrit ultérieurement.
La boucle de climatisation 40 comprend dans l’exemple décrit deux branches 41 et 42.
Chacune de ces branches 41 et 42 comprend par exemple une vanne d’entrée 43 contrôlant le passage du fluide réfrigérant dans ladite branche, et un détendeur 44. L’une des branches comprend encore, en aval du détendeur 44, un évaporateur 45, tandis que l’autre branche comprend encore, en aval du détendeur 44, l’interface d’échange thermique 35. Ces deux branches 41 et 42 se rejoignent dans l’exemple considéré en amont d’un compresseur 48. On constate dans l’exemple décrit que la boucle de climatisation 40 comprend encore, dans l’exemple considéré un condenseur 49 disposé en aval du compresseur 48. Ce condenseur 49 peut être disposé dans le flux d’air circulant en face avant du véhicule
Dans l’exemple considéré, la boucle de climatisation 40 comprend une conduite 50 s’étendant à l’intérieur du canal de refroidissement 31. Cette conduite 50 est ici définie par un tube qui présente une forme cylindrique et qui ménage une pluralité de branches en parallèle, chacune de ces branches s’étendant à l’intérieur de l’espace de refroidissement précité. Chaque branche s’étend dans l’exemple considéré suivant un cercle ou un arc de cercle. La conduite présente une entrée 52 en fluide réfrigérant et une sortie 53 en fluide réfrigérant pour la connexion au reste de la boucle de climatisation 40.
Dans l’exemple de la figure 2, le passage du fluide réfrigérant via la conduite 50 à l’intérieur du canal 31 du circuit de refroidissement 30 permet un échange de chaleur à travers la paroi de la conduite 50 entre le fluide réfrigérant circulant à l’intérieur de la conduite 50 et le fluide de refroidissement circulant à l’extérieur de celle-ci dans le canal de refroidissement 31. Cette coopération définit dans cet exemple l’interface d’échange thermique 35 permettant le refroidissement du fluide de refroidissement par le fluide réfrigérant. Cette coopération peut favoriser le maintien de la température du fluide de refroidissement venant au contact du stator 7 de la machine électrique tournante à une température maximale de 40°C. Le cas échéant, un dépassement de cette valeur de température de 40°C peut s’accompagner de mesures compensatoires, comme le derating (allégement de régime).
L’invention vise à tirer parti de cette plage de valeurs pour la température du fluide de refroidissement de la machine électrique pour dimensionner cette machine électrique 2 en conséquence, compte-tenu également de la puissance mécanique nominale dont on souhaite disposer sur l’arbre 5 de la machine électrique.
En effet, lorsque la machine électrique fonctionne à puissance nominale et à haute vitesse en mode de défluxage, par exemple à 10000 tr/min, la puissance peut être considérée comme proportionnelle au courant de court-circuit dans l’enroulement électrique de stator 16. Les pertes électriques dans ce mode de fonctionnement peuvent être considérées à 70% comme causées par les pertes cuivre qui sont proportionnelles au carré de ce courant de court-circuit. Or, ces pertes cuivre dépendent également de l’écart de température entre l’enroulement électrique 16 de stator et le fluide de refroidissement dans le canal de refroidissement 31 selon l’équation suivante : P=R_th* DT où Rth est la résistance thermique et DT l’écart de température précité.
Le fait de prévoir une température du fluide de refroidissement plus basse que selon l’art antérieur, par exemple 40°C contre 70°C, permet d’augmenter cet écart de température et donc d’augmenter les pertes cuivre.
En considérant par exemple que l’enroulement électrique du stator 16 est à 180°C, l’invention tire parti du passage de cet écart de température d’une valeur de 110°C pour un fluide refroidissement à 70°C à une valeur de 140°C pour un fluide de refroidissement à 40°C, pour dimensionner la machine électrique tournante 2. En effet, les pertes joules peuvent être augmentées de (140-110)/110= 32 % . Comme ces pertes sont proportionnelles à (NI)2, N étant le nombre de spires au stator, les ampères tours NI sont augmentés de 16 %. Cette augmentation de NI de 16% correspond à une augmentation de 16% de la force électromotrice pour une spire. Il résulte de cette dernière augmentation une augmentation de 16% de la valeur efficace du courant de court-circuit de la machine, d’où une augmentation de 32% du couple moteur fourni par cette machine électrique.
Selon l’invention et dans le cas d’un passage d’une température du fluide de refroidissement de 70°C à 40°C, on peut ainsi soit tirer parti de cette augmentation de valeur de cet écart en :
- réduisant la longueur active de la machine électrique, c’est-à-dire la dimension axiale de la carcasse 15 du stator 7 et la dimension axiale du rotor, notamment de son paquet de tôles, si l’on souhaite par exemple conserver la même constante de couple entre la machine refroidie à 40°C et celle refroidie à 70°C et conserver également le même courant de court-circuit pour ces deux machines. On peut également augmenter le nombre de spires au stator par phase.
- augmenter les performances de la machine électrique en conservant la même longueur active que pour une machine refroidie à 70°C et le même nombre de spires au stator par phase.
Dans un exemple plus détaillé et non limitatif, on considère une machine électrique tournante 2 refroidie par de l’eau à 70°C dont les caractéristiques sont les suivantes :
- dimension axiale de la carcasse du stator : 66 mm
- dimension axiale du paquet de tôles du rotor : 66 mm
- diamètre extérieur du stator : 161 mm
- diamètre intérieur du stator 123 mm
- diamètre extérieur du rotor : 122 mm - diamètre intérieur du rotor : 28 mm
- taille de l’entrefer : 0,5 mm
- nombre de phases de l’enroulement électrique de stator : 6
- couplage de l’enroulement électrique de stator : triangle
- nombre de paires de pôles du rotor : 5
- nombre d’encoches dans la carcasse du stator : 60,
- type d’enroulement électrique du stator : barres conductrices reliées les unes les autres,
- nombre de spires par phase au stator : 20,
- valeur efficace de la force électromotrice interphases à 1000 tr/min : 8,32 V
- valeur efficace du court de ligne en court-circuit à 21 000 tr/min : 152 A
- valeur efficace du courant de phase en court-circuit à 21 000 tr/min : 88 A
- puissance électrique : 20,333 kW
L’application de l’invention à cet exemple permet, si l’on souhaite conserver la même puissance de 20,333 kW lorsque la machine est refroidie par de l’eau à 40°C, de réduire la dimension axiale de la carcasse 15 du stator et du paquet de tôles du rotor à 46 mm, soit une réduction de 32% de cette dimension axiale. Dans ce cas, on augmente le nombre de spires par phase au stator à 23, soit une augmentation de 16%.
Si l’on souhaite conserver, pour une machine refroidie par de l’eau à 40°C, les mêmes dimensions géométriques et le même nombre de spires par phase que dans le cas de la machine initiale refroidie par de l’eau à 70°C, la valeur efficace de la force électromotrice interphases à 1000 tr/min passe à 11 V, soit une augmentation de 30%. Le couple passe de 85 Nm à 105 Nm. L’invention n’est pas limitée aux exemples qui viennent d’être décrits.

Claims

Revendications
1. Procédé de réalisation d’une machine électrique de propulsion (2) d’un véhicule, la machine tournant autour d’un axe (X) et étant refroidie par un circuit de refroidissement (30) utilisant un fluide de refroidissement, ce fluide de refroidissement étant refroidi via une interface d’échange thermique (35) par un fluide réfrigérant circulant dans une boucle de climatisation (40) du véhicule, procédé dans lequel :
- on connaît au moins un paramètre structurel d’une machine électrique tournante refroidie par un circuit de refroidissement (30) utilisant un fluide de refroidissement non refroidi par un fluide réfrigérant circulant dans une boucle de climatisation du véhicule, ce paramètre structurel ayant une valeur donnée et une puissance mécanique de valeur nominale donnée étant présente sur l’arbre de cette machine électrique tournante,
- on modifie la valeur de ce paramètre structurel de manière à ce que la valeur nominale donnée de puissance mécanique soit présente sur l’arbre de cette machine électrique lorsqu’elle est refroidie par un circuit de refroidissement (30) utilisant un fluide de refroidissement refroidi par un fluide réfrigérant circulant dans une boucle de climatisation (40) du véhicule, ou on conserve la valeur donnée de ce paramètre structurel de manière à ce qu’une valeur nominale de puissance mécanique supérieure à la valeur nominale donnée de puissance mécanique soit présente sur l’arbre de cette machine électrique lorsqu’elle est refroidie par un circuit de refroidissement (30) utilisant un fluide de refroidissement refroidi par un fluide réfrigérant circulant dans une boucle de climatisation (40) du véhicule, et
- on réalise une telle machine électrique avec la valeur modifiée du paramètre structurel ou la valeur nominale de puissance mécanique augmentée.
2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel le paramètre structurel est l’un parmi la dimension axiale du rotor, notamment du paquet de tôles dudit rotor, la dimension axiale de la carcasse du stator sur laquelle est monté l’enroulement électrique de stator, ou encore le nombre de spires par phase de l’enroulement électrique de stator.
3. Procédé selon la revendication 2, dans lequel le paramètre structurel est l’un parmi : la dimension axiale du rotor, notamment du paquet de tôles dudit rotor, et la dimension axiale de la carcasse du stator sur laquelle est monté l’enroulement électrique de stator, et dans lequel la modification de la valeur de ce paramètre consiste en une réduction de cette valeur par rapport à la valeur donnée.
4. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le rapport entre la puissance mécanique nominale sur l’arbre de la machine électrique réalisée et le volume occupé par cette machine électrique est supérieur à 10500 kW/m3, étant par exemple supérieur à 11 000 kW/m3, par exemple supérieur à 12000 kW/m3.
5. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la température du fluide de refroidissement est comprise entre 65°C et 75°C, étant notamment égale à 70°C, en l’absence de refroidissement du fluide de refroidissement par le fluide réfrigérant, et dans lequel la température de ce fluide de refroidissement est comprise entre 35°C et 45°C, étant par exemple comprise entre 35°C et 40°C, étant notamment égale à 40°C, lorsque ce fluide de refroidissement est refroidi par le fluide réfrigérant.
6. Procédé de réalisation d’une machine électrique de propulsion (2) d’un véhicule, la machine tournant autour d’un axe (X) et étant refroidie par un circuit de refroidissement (30) utilisant un fluide de refroidissement, ce fluide de refroidissement étant refroidi via une interface d’échange thermique (35) par un fluide réfrigérant circulant dans une boucle de climatisation (40) du véhicule, procédé dans lequel :
- on connaît la plage de valeurs dans laquelle se trouve la température du fluide de refroidissement,
- on détermine la valeur de la puissance mécanique nominale sur l’arbre de la machine électrique (2), et
- on détermine au moins un paramètre structurel de la machine électrique de manière à ce que cette puissance nominale soit présente sur l’arbre de la machine électrique lorsqu’elle est refroidie par le fluide de refroidissement dont la température se trouve dans la plage de valeurs.
7. Procédé selon la revendication 6, dans lequel le paramètre structurel est l’un parmi la dimension axiale du rotor, notamment du paquet de tôles dudit rotor, la dimension axiale de la carcasse du stator sur laquelle est monté l’enroulement électrique de stator, ou encore le nombre de spires par phase de l’enroulement électrique de stator.
8. Procédé selon la revendication 6 ou 7, dans lequel le rapport entre la puissance mécanique nominale sur l’arbre de la machine électrique et le volume occupé par cette machine électrique est supérieur à 10500 kW/m3, étant par exemple supérieur à 11 000 kW/m3, par exemple supérieur à 12000 kW/m3.
9. Ensemble (1), comprenant :
- une machine électrique de propulsion (2) pour un véhicule, tournant autour d’un axe (X), et
- un système de refroidissement (3) de cette machine électrique, ce système de refroidissement comprenant :
- un circuit de refroidissement (30) de la machine électrique parcouru par un fluide de refroidissement, - une boucle de climatisation (40) pour le véhicule, utilisant un fluide réfrigérant, et
- une interface d’échange thermique (35) entre ce circuit de refroidissement (30) et la boucle de climatisation (40), cette interface (35) étant agencée pour permettre de refroidir le fluide du circuit de refroidissement (30) en évacuant de la chaleur par le fluide réfrigérant de la boucle de climatisation (40), le rapport entre la puissance mécanique nominale sur l’arbre de la machine et le volume de la machine étant supérieur à 10500 kW/m3, étant par exemple supérieur à 11 000 kW/m3, par exemple supérieur à 12000 kW/m3, étant notamment compris entre 12388 kW/m3 et 12391 kW/m3.
10. Ensemble selon la revendication précédente, le fluide du circuit de refroidissement (30) étant de l’eau.
11. Ensemble selon l’une des revendications 9 et 10, la température du fluide de refroidissement étant comprise entre 35°C et 45°C, étant par exemple comprise entre 35°C et 40°C, étant notamment égale à 40°C.
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