WO2022084481A1 - Machine électrique tournante refroidie et procédé de contrôle d'une telle machine tournante - Google Patents

Machine électrique tournante refroidie et procédé de contrôle d'une telle machine tournante Download PDF

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WO2022084481A1
WO2022084481A1 PCT/EP2021/079288 EP2021079288W WO2022084481A1 WO 2022084481 A1 WO2022084481 A1 WO 2022084481A1 EP 2021079288 W EP2021079288 W EP 2021079288W WO 2022084481 A1 WO2022084481 A1 WO 2022084481A1
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WO
WIPO (PCT)
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electrical machine
parameter
phase
cooling chamber
rotating electrical
Prior art date
Application number
PCT/EP2021/079288
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English (en)
Inventor
Yoann Querel
Sophie PERSONNAZ
Jean-Claude Mipo
Afef Kedous-Lebouc
Laurent GERBAUD
Lauric GARBUIO
Original Assignee
Valeo Equipements Electriques Moteur
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Filing date
Publication date
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K9/00—Arrangements for cooling or ventilating
    • 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
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K11/00—Structural association of dynamo-electric machines with electric components or with devices for shielding, monitoring or protection
    • H02K11/20—Structural association of dynamo-electric machines with electric components or with devices for shielding, monitoring or protection for measuring, monitoring, testing, protecting or switching
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K9/00—Arrangements for cooling or ventilating
    • H02K9/24—Protection against failure of cooling arrangements, e.g. due to loss of cooling medium or due to interruption of the circulation of cooling medium

Definitions

  • the invention relates to a rotating electrical machine cooled using a phase change fluid and to a method for controlling such a machine.
  • stator being fixed to the casing
  • phase change fluid contained in the cooling chamber, the phase change fluid being able to pass from a liquid phase to a gaseous phase.
  • Phase change cooling can extract large amounts of heat for small increases in temperature.
  • this type of rotating electrical machine although efficient in terms of cooling, presents the risk of destruction, for example by overheating of the winding.
  • the stator and its winding are located in the cooling chamber, the rotor being outside the cooling chamber.
  • the document US2005/0189826A1 presents a rotating electrical machine also cooled by a phase change fluid. However in this machine, the phase change fluid is brought in by a pump. The phase change fluid occupies all of the space inside the housing.
  • This rotating electrical machine also presents a risk of destruction by overheating of the winding.
  • the present invention aims to eliminate all or part of these drawbacks.
  • the invention relates to a rotating electrical machine comprising:
  • stator being fixed to the casing
  • phase change fluid contained at least in part in the cooling chamber, the phase change fluid being able to pass from a liquid phase to a gaseous phase
  • a measuring device arranged to provide a value of a variable parameter during the formation of bubbles when the phase change fluid passes to the gaseous phase.
  • Such a detection device allowing the detection of the formation of bubbles when the phase change fluid passes to the gaseous phase allows a fine control of the electric machine rotating.
  • the detection device makes it possible to detect the intensity of the formation of the bubbles, otherwise called nucleation. It is thus possible to avoid the phase called boiling crisis where the heat transfer to the fluid drops sharply.
  • a thin sheath of vapour that is to say of phase-change fluid in the gaseous phase, is created around elements that are sources of heat. The thin vapor sheath impedes heat transfer.
  • the rotating electrical machine can then be controlled according to the intensity of the formation of the bubbles, by lowering its supply current if the rotating electrical machine is used in motor mode or its current generation if the rotating electrical machine is used in generator mode. This drop in current prevents the destruction of the rotating electrical machine by overheating.
  • a threshold value of the parameter making it possible to avoid the boiling crisis phase is determined beforehand, for example experimentally.
  • the rotating electrical machine is able to allow phase change cooling while avoiding a boiling crisis.
  • phase change i.e. the boiling
  • the phase change fluid improves the cooling of the electrical machine.
  • the rotating electrical machine can also be able to allow phase change cooling with passage of the phase change fluid into the gaseous phase during nucleate boiling with continuous columns.
  • phase change cooling with passage of the phase change fluid into the gaseous phase during nucleate boiling with continuous columns makes it possible to further improve the cooling of the rotating electrical machine.
  • the parameter being at least one of the amplitude and the frequency of an electrical disturbance on a supply current or on a generation current of a winding of the rotating electrical machine , the electrical disturbance being due to the formation of bubbles when the phase-change fluid passes into the gaseous phase
  • the measuring device in particular comprising a current sensor, provides this parameter.
  • the detection of the formation of bubbles by measuring the electrical disturbance on the supply current or the generation current of the winding of the stator allows detection without adding a sensor inside the casing of the rotating electrical machine.
  • the measurement of the current is generally carried out in the inverter supplying the rotating electrical machine.
  • the measurement of the current is for example carried out by Hall effect sensors. Bubble formation is therefore detected without adding sensors dedicated to this detection.
  • the rotating electric machine is therefore simpler and its cost is limited.
  • the parameter being a frequency spectrum of a noise due to the formation of bubbles when the phase-change fluid changes to the gaseous phase
  • the measuring device in particular comprising a microphone, provides this setting.
  • the noise generated during the formation of the bubbles presents a specific sound spectrum which makes it possible to identify the phase of formation of the bubbles.
  • This sound spectrum depends in particular on the phase-change fluid used. The use of such a parameter therefore also makes it possible to control the rotating electrical machine so as to avoid its destruction by overheating.
  • the parameter being a frequency spectrum of the vibrations of a component of the rotating electrical machine, the vibrations being due to the formation of bubbles when the phase change fluid changes to the gaseous phase
  • the measuring device in particular comprising an accelerometer, provides this parameter.
  • the formation of bubbles generates vibrations in the components of the rotating electrical machine.
  • the vibration spectrum of a component of the rotating electrical machine it is possible to detect the formation of bubbles and in particular the intensity of bubble formation.
  • the use of the vibration spectrum of a component of the rotating electrical machine as a parameter therefore also makes it possible to control the rotating electrical machine so as to avoid its destruction by overheating.
  • the component is a winding of the rotating electrical machine, in particular a winding of the stator.
  • the winding is an important source of heat and therefore an important place for the generation of bubbles when the winding is in contact with the phase change fluid.
  • the measurement of the vibrations of the winding is therefore particularly precise.
  • the rotating electrical machine can thus be finely controlled.
  • the parameter being the temperature of a component of the rotating electrical machine
  • the measuring device in particular comprising a temperature sensor, provides this parameter.
  • the parameter being an electrical capacitance between two electrodes located in the cooling chamber
  • the measuring device provides this parameter, variations in the capacitance being due to the formation of bubbles when the fluid changes phase changes to the gaseous phase.
  • the amount of bubbles in the phase change fluid varies the electrical capacitance between two electrodes immersed in the phase change fluid.
  • This variation in capacity makes it possible to evaluate the quantity and the size of the bubbles and therefore the intensity of the formation of bubbles.
  • the use of this capacity as a parameter therefore also makes it possible to control the rotating electrical machine so as to avoid its destruction by overheating.
  • the parameter being the density of bubbles and/or the size of the bubbles in the cooling chamber, the measuring device, in particular comprising an optical bubble detection sensor, provides this parameter.
  • the measuring device provides this parameter.
  • the cooling chamber is hermetically sealed so that the phase change fluid in the liquid phase and in the gas phase is enclosed in the cooling chamber.
  • hermetic chamber allows a simplification of the rotating electrical machine.
  • the cooling chamber is in contact with a heat exchanger, in particular a set of fins for cooling by heat exchange with the ambient air or a heat exchanger traversed by a heat transfer liquid.
  • the stator comprises a stator body and a stator winding.
  • the cooling chamber receives the stator winding, the rotor being outside the cooling chamber.
  • Such a rotor external to the cooling chamber makes it possible to avoid the use of rotary joints to ensure the tightness of the cooling chamber.
  • the rotating electric machine is thus simpler.
  • rotational friction is reduced and the efficiency of the rotating electrical machine is thus increased.
  • the measuring device comprises a sensor, the sensor being fixed on the winding.
  • Fixing the sensor on the winding allows a measurement by the measuring device on a main source of heat causing the formation of bubbles in the phase change liquid.
  • the measurement is thus more precise and the control of the rotating electrical machine as a function of the parameter is more precise.
  • the cooling chamber is formed wholly or partly in the casing.
  • the invention also relates to a method for controlling a rotating electrical machine as described above, comprising:
  • the threshold value is predetermined to allow phase change cooling and avoid a boiling crisis.
  • the threshold value can be predetermined to allow phase change cooling with passage of the phase change fluid into the gas phase during nucleate boiling with continuous columns.
  • Such a method allows good cooling of the rotating electrical machine thanks to phase change cooling while protecting the rotating electrical machine from destructive overheating.
  • the rotor may be a claw rotor.
  • This rotor then comprises a first and a second nested pole wheels, 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 can be other than a claw rotor, comprising for example a stack of laminations.
  • the rotor may comprise any number of pairs of poles, for example six or eight pairs of poles.
  • 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 comprise 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 rotating electrical 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 electrical machine may 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 at the input of the gearbox from the point of view of the torque transiting towards the wheels of the vehicle, at the output of the gearbox from the point from the point of view of the torque transiting towards the wheels of the vehicle, at the level of the gearbox from the point of view of the torque transiting towards 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, it can be an asynchronous machine.
  • FIG. 1 shows a partial schematic sectional view of a rotating electrical machine comprising a cooling system according to a first embodiment of the invention
  • FIG. 2 shows a partial schematic sectional view of a rotating electrical machine according to a second embodiment
  • FIG. 3 shows a partial schematic sectional view of a rotating electrical machine according to a third embodiment
  • FIG. 4 shows a partial schematic sectional view of a rotating electrical machine according to a fourth embodiment
  • FIG. 5 shows a schematic detail view of a bun of the winding of a rotating electrical machine according to variants of the first, second, third and fourth embodiments of the invention
  • FIG. 6 shows a diagram of the steps of a method for controlling a rotating electrical machine according to the invention
  • - figure 8 represents a frequency spectrum of a noise measured in a cooling chamber of a rotating electrical machine without and with the formation of bubbles when the phase change fluid changes to the gaseous phase.
  • FIG. 1 represents a schematic partial sectional view of a rotating electric machine 1 having an axis of rotation A according to a first embodiment of the invention.
  • the rotating electrical machine 1 comprises a stator 14 and a rotor 3 in a casing 28.
  • the casing 28 comprises a first bearing 5, a second bearing 6 and a tubular spacer 7 enclosed between the first bearing 5 and the second bearing 6.
  • the stator 14 is fixed inside the casing 28, for example mounted tight in the tubular spacer 7.
  • the stator 14 comprises a stator body 2 and a winding 8.
  • the stator body 2 comprises for example a stack of magnetic laminations.
  • the winding 8 comprises electrical conductors, an active part of which passes through notches formed in the body 2 and a connection part or bun 26 is formed outside the notches.
  • the winding 8 is for example a hairpin-type winding.
  • the tubular spacer is for example clamped between the first bearing 5 and the second bearing 6, for example thanks to tie rods not shown between the first bearing 5 and the second bearing 6. Sealing is ensured between the first bearing 5 and the tubular spacer 7 as well as between the tubular spacer 7 and the second bearing 6. This tightness is for example ensured by seals between the first bearing 5 and the tubular spacer 7 and between the tubular spacer 7 and the second bearing 6 .
  • the casing does not include a tubular spacer and the stator is clamped between the first bearing 5 and the second bearing 6.
  • sealing is ensured between the first bearing 5 and the stator and between the stator and the second bearing 6.
  • a waterproof resin can be applied to the stator body 2.
  • the first bearing 5 and/or the second bearing 6 comprises a tubular extension in which the stator is fixed.
  • a seal for example produced by means of a seal, is ensured between the first bearing 5 and the second bearing 6.
  • the rotor 3 is for example a rotor with permanent magnets.
  • the rotor includes a rotor winding.
  • the rotor is mounted on a shaft 4 with an axis of rotation A.
  • the shaft 4 is guided in rotation by a first bearing 9 mounted in the first bearing 5 and a second bearing 18 mounted in the second bearing 6.
  • An element of drive 13, for example a pulley or a gear is fixed to the shaft 4.
  • the shaft 4 is guided in rotation with respect to the first bearing and to the second bearing thanks to other known means of guiding in rotation, for example plain bearings.
  • a first seal 10, for example a lip seal seals between the first bearing 5 and the shaft 4.
  • a second seal 19, for example a lip seal seals between the second bearing 6 and the shaft 4. tree 4.
  • phase change fluid is contained at least in part in the cooling chamber 16.
  • the phase change fluid can change from a liquid phase to a gaseous phase when it is heated.
  • phase change fluid is for example chosen for:
  • the phase change fluid enters the cooling chamber 16 through an inlet opening 11, for example formed by a tube inserted in sealed manner in the first bearing 5.
  • the fluid leaves the cooling chamber 16 through an outlet opening 12, for example formed by a tube inserted in sealed manner in the second bearing 6.
  • the inlet opening and/or the outlet opening are formed in the tubular spacer.
  • the inlet opening and the outlet opening are formed in the same first bearing or second bearing.
  • the cooling chamber can be integrated into a cooling circuit comprising for example a heat exchanger external to the rotating electrical machine. It is thus possible to evacuate the heat generated by the rotating electrical machine 1.
  • the phase change fluid allows the evacuation of the heat generated in particular by a passage of an electric current in the winding 8.
  • a measuring device is arranged to provide a value of a variable parameter during the formation of bubbles when the phase change fluid passes to the gaseous phase.
  • the nucleation or formation of bubbles during the transition to the gaseous state of a phase change fluid is a known physical phenomenon.
  • the Nukiyama curve gives for example the different stages of this phenomenon.
  • Figure 7 represents such a Nukiyama curve of evolution of heat transfer Q as a function of temperature T.
  • phase change fluid is in a liquid phase. Between the first temperature 200 and a second temperature 201 higher than the first temperature 200, first gas phase bubbles begin to appear in the liquid phase. In other words the phase change fluid is boiling. Between the second temperature 201 and a third temperature 202 higher than the second temperature 201, the phase change fluid passes into the gaseous phase during nucleate boiling with continuous columns. Nucleate boiling with continuous columns is also called developed nucleate boiling or fully developed nucleate boiling or boiling with vapor columns.
  • the third temperature 202 corresponds to the temperature at which the heat transfer is maximum.
  • the maximum heat transfer (C) is also called critical heat flux or maximum heat flux.
  • the parameter is at least one of the amplitude and the frequency of an electrical disturbance on a supply current or on a generation current of a winding of the rotating electrical machine 1, in particular a winding 8 of stator 14, the electrical disturbance being due to the formation of bubbles when the phase change fluid changes to the gaseous phase.
  • the measuring device provides the parameter.
  • the measuring device comprises for example a current sensor 15 measuring the supply current or the generation current of the rotating electrical machine 1.
  • the supply current is a current sent to the rotating electrical machine 1 when the rotating electrical machine 1 is used in motor mode.
  • the generation current is a current generated by the rotating electrical machine when the rotating electrical machine is used as a generator.
  • the parameter is a frequency spectrum of a noise due to the formation of bubbles when the phase change fluid passes to the gaseous phase.
  • the measuring device provides this parameter.
  • the measuring device comprises a noise sensor, in particular a microphone.
  • a sensor 15, in particular a noise sensor in particular a microphone is installed in the cooling chamber 16.
  • FIG. 8 represents an example of the frequency spectrum of the noise measured in the cooling chamber 16 of a rotating electrical machine 1.
  • a first curve 300 represents the spectrum of the noise according to a fast Fourrier transform (FFT or fast Fourrier transform in English) measured by sensor 15, in this example a microphone, when the phase change fluid is entirely in the liquid phase.
  • FFT fast Fourrier transform
  • a second curve 301 represents the spectrum of the noise by the sensor 15 when there is a formation of bubbles due to the transition to the gaseous phase of the phase change fluid.
  • the formation of bubbles causes, for the rotating electrical machine tested and the phase change fluid tested, an increase in F amplitude of the noise at frequencies in particular from 0 to 50Hz, from 400Hz to 500Hz and from 800Hz to 900Hz.
  • the second curve 301 corresponds to operation between the second temperature 201 and a third temperature 202. It is thus possible to determine the threshold of the parameter from which a boiling crisis appears, that is to say the moment when a change in the spectrum of the noise with respect to the second curve 301.
  • the frequencies for which an increase in noise amplitude is observed may be different.
  • the senor is located outside the casing 28 of the rotating electrical machine 1.
  • the measuring device includes a filter system to distinguish the noise due to the formation of bubbles from the rest of the surrounding noise. This filter system is all the more important when the microphone is located in a remote position, and/or separated by obstacles, from the place where the bubbles form.
  • the parameter is a frequency spectrum of the vibrations of a component of the rotating electrical machine 1, the vibrations being due to the formation of bubbles when the phase change fluid changes to the gaseous phase.
  • the measuring device provides this parameter.
  • the measuring device comprises for example an accelerometer.
  • the sensor 15 is for example an accelerometer attached to the housing 28 of the rotating electrical machine 1.
  • the sensor 15 is inside the cooling chamber 16.
  • the sensor 15 is outside the cooling chamber 16. Such a positioning can make it possible to avoid the passage in the cooling chamber of electrical conductors electrically connecting the sensor to the rest of the measuring device or to a control module of the rotating electrical machine 1.
  • the parameter is the temperature of a component of the rotating electrical machine 1.
  • the measuring device provides this parameter.
  • the device comprises for example a temperature sensor 15, for example a thermistor or a thermocouple.
  • the temperature sensor 15 is preferably in the cooling chamber 16.
  • the parameter is an electrical capacitance between two electrodes located in the cooling chamber. Variations in capacitance being due to the formation of bubbles when the phase change fluid changes to the gaseous phase.
  • the measuring device provides this parameter.
  • the sensor 15 represented in FIG. 1 can comprise these two electrodes. Since the bubbles are generated close to a heating element, that is to say in particular the winding of the rotating electrical machine, the two electrodes are preferably installed close to the heating element.
  • the parameter is the bubble density and/or bubble size in the cooling chamber.
  • the measuring device provides this parameter.
  • the measuring device comprises for example an optical bubble detection sensor.
  • Sensor 15 is installed in the cooling chamber.
  • the sensor is preferably installed near a heating element, in particular winding 8.
  • the parameter is the vapor rate in the cooling chamber.
  • the measuring device provides this parameter.
  • the measuring device comprises a vapor sensor 15 .
  • Other parameters such as the pressure in the cooling chamber, can also be used to detect the formation of bubbles when the phase change fluid changes to the gas phase.
  • FIG. 5 represents the bun 26 of the winding 8.
  • the sensor 15, for example a temperature sensor or an accelerometer, is in contact with a wire of the winding 8 for example at the level of the bun.
  • the contact is direct or indirect, for example via an adhesive.
  • the sensor 15 is connected to the rest of the measuring device or to the control module of the rotating electric machine 1 by an electric cable 27.
  • the senor 15 is a wireless sensor, for example powered by induction.
  • Figure 2 shows a partial schematic sectional view of a rotating electrical machine
  • the second embodiment of the invention is similar to the first embodiment of the invention, however in the second embodiment of the invention, the cooling chamber 16 is not connected to an external cooling circuit.
  • the cooling chamber 16 is hermetically sealed so that the phase change fluid in the liquid phase and in the gas phase is enclosed in the cooling chamber 16.
  • the cooling chamber is cooled by fins 20 formed on the casing 28 allowing cooling by heat exchange with, for example, ambient air.
  • the fins 20 are formed on the tubular spacer 7.
  • the fins are formed on the first bearing 5 and/or the second bearing 6.
  • the fins are formed both on the tubular spacer 7 and the first bearing 5 and/or the second bearing 6.
  • FIG. 3 represents a schematic partial sectional view of a rotary electrical machine 1 according to a third embodiment of the invention.
  • the third embodiment of the invention is similar to the second embodiment of the invention, however in the third embodiment of the invention, the cooling chamber is not cooled by fins 20 formed on the housing 28 but thanks to a heat exchanger traversed by a coolant.
  • the heat exchanger is for example a water chamber 23 formed in the casing, in particular in the tubular spacer 7.
  • the fins 20 of the second embodiment and the water chamber 23 of the third embodiment are combined.
  • FIG. 4 represents a schematic partial sectional view of a rotary electrical machine 1 according to a fourth embodiment of the invention.
  • the fourth embodiment is similar to the third embodiment, however in the fourth embodiment, the cooling chamber 16 is limited radially on the inside by walls 23 formed on the first bearing 5 and on the second bearing 6. In this embodiment the rotor 3 is not in the cooling chamber 16.
  • the radially internal sealing of the cooling chamber 16 is, in the example shown, ensured by third seals 25 between a groove 23 of the walls 23 and the body of the stator 2.
  • the use of the first seal 10 and of the second seal 19 of the embodiments of FIGS. 1, 2 and 3 does not is more useful for sealing the cooling chamber.
  • the walls 23 are formed on the stator body 2, for example by overmolding of a plastic material.
  • a sealing for example by means of seals, is between one of the walls 23 and the first bearing 5 and between the other of the walls 23 and the second bearing 6.
  • a first seal between the shaft 4 and the first bearing 5 and/or a second seal between the shaft 4 and the second bearing 6 are used for another function such as protection against introduction of dust inside the rotating electrical machine.
  • such first seal and second seal are used to isolate the interior of the electric machine from a fluid, in particular a lubricant, contained in a receiving element, for example a box of gears or a reducer, in which the rotating electrical machine is mounted.
  • the phase change fluid enters the cooling chamber 16 through an inlet opening, and the fluid exits the cooling chamber through a exit opening.
  • the liquid-vapor change temperature of the phase change fluid must also be higher than the temperature of a cold source, i.e., for example, the heat transfer liquid in the third embodiment and the fourth embodiment embodiment or the ambient air temperature in the second embodiment.
  • the electric machine comprises a permanent magnet stator and a rotor comprising a winding.
  • the rotating electrical machine is for example a DC motor.
  • the rotor of such an electric machine is inside the cooling chamber as in the first, second and third embodiment.
  • FIG. 6 represents a diagram of the steps of a method 100 for controlling a rotary electrical machine according to the invention.
  • Process 100 includes:
  • a threshold value can be defined for each of the parameters.
  • a threshold depending on several parameters can be defined.

Landscapes

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  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Motor Or Generator Cooling System (AREA)

Abstract

L'invention porte sur une machine électrique tournante (1) comprenant : - un stator (14), - un rotor (3), - un carter (28), le stator (14) étant fixé au carter, - une chambre de refroidissement (16), - un fluide à changement de phase contenu au moins en partie dans la chambre de refroidissement, le fluide à changement de phase pouvant passer d'une phase liquide à une phase gazeuse, - un dispositif de mesure agencé pour fournir une valeur d'un paramètre variant lors de la formation de bulles quand le fluide à changement de phase passe à la phase gazeuse.

Description

Description
Machine électrique tournante refroidie et procédé de contrôle d’une telle machine tournante
[L’invention porte sur une machine électrique tournante refroidie à l’aide d’un fluide à changement de phase ainsi que sur un procédé de contrôle d’une telle machine.
Il est connu du document US6515383B1 une machine électrique tournante comprenant :
- un stator,
- un rotor,
- un carter, le stator étant fixé au carter,
- une chambre de refroidissement,
- un fluide à changement de phase contenu dans la chambre de refroidissement, le fluide à changement de phase pouvant passer d’une phase liquide à une phase gazeuse.
Le refroidissement à changement de phase permet d’extraire de grandes quantités de chaleur pour de faibles augmentations de température. Par contre ce type de machine électrique tournante, bien que performante en terme de refroidissement, présente le risque de destruction par exemple par surchauffe du bobinage.
Dans cette machine électrique tournante, le stator et son bobinage sont situés dans la chambre de refroidissement, le rotor étant à l’extérieur de la chambre de refroidissement.
Le document US2005/0189826A1 présente une machine électrique tournante également refroidie par un fluide à changement de phase. Cependant dans cette machine, le fluide à changement de phase est amené dans par une pompe. Le fluide à changement de phase occupe l’ensemble de l’espace situé à l’intérieur du carter.
Cette machine électrique tournante présente également un risque de destruction par surchauffe du bobinage.
La présente invention vise à supprimer tout ou partie de ces inconvénients.
A cet effet l’invention porte sur une machine électrique tournante comprenant :
- un stator,
- un rotor,
- un carter, le stator étant fixé au carter,
- une chambre de refroidissement,
- un fluide à changement de phase contenu au moins en partie dans la chambre de refroidissement, le fluide à changement de phase pouvant passer d’une phase liquide à une phase gazeuse,
- un dispositif de mesure agencé pour fournir une valeur d’un paramètre variant lors de la formation de bulles quand le fluide à changement de phase passe à la phase gazeuse.
Un tel dispositif de détection permettant la détection de la formation de bulles quand le fluide à changement de phase passe à la phase gazeuse permet un contrôle fin de la machine électrique tournante. Le dispositif de détection permet de détecter l’intensité de la formation des bulles, autrement appelée nucléation. Il est ainsi possible d’éviter la phase appelée crise d’ébullition où le transfert de chaleur vers le fluide baisse fortement. En effet lors de la phase de crise d’ébullition, une fine gaine de vapeur, c’est-à-dire de fluide à changement de phase dans la phase gazeuse, se crée autour d’éléments sources de chaleur. La fine gaine de vapeur gêne le transfert de chaleur. La machine électrique tournante peut alors être contrôlée en fonction de l’intensité de la formation des bulles, en baissant son courant d’alimentation si la machine électrique tournante est utilisée en mode moteur ou sa génération de courant si la machine électrique tournante est utilisée en mode génératrice. Cette baisse de courant permet d’éviter la destruction de la machine électrique tournante par surchauffe.
Une valeur seuil du paramètre permettant d’éviter la phase de crise d’ébullition est déterminée au préalable par exemple de manière expérimentale.
La machine électrique tournante est apte à permettre un refroidissement à changement de phase en évitant une crise d’ébullition.
Le changement de phase, c’est-à-dire l’ébullition, du fluide à changement de phase permet d’améliorer le refroidissement de la machine électrique.
La machine électrique tournante peut aussi être apte à permettre un refroidissement à changement de phase avec un passage du fluide à changement de phase en phase gazeuse lors d’une ébullition nucléée avec colonnes continues.
Un tel refroidissement à changement de phase avec un passage du fluide à changement de phase en phase gazeuse lors d’une ébullition nucléée avec colonnes continues permet d’améliorer encore le refroidissement de la machine électrique tournante.
Selon une caractéristique supplémentaire de l’invention, le paramètre étant l’un au moins de l’amplitude et la fréquence d’une perturbation électrique sur un courant d’alimentation ou sur un courant de génération d’un bobinage de la machine électrique tournante, la perturbation électrique étant due à la formation des bulles quand le fluide à changement de phase passe dans la phase gazeuse, le dispositif de mesure, notamment comprenant un capteur de courant, fournit ce paramètre.
La détection de la formation des bulles en mesurant la perturbation électrique sur le courant d’alimentation ou le courant de génération du bobinage du stator permet une détection sans ajout de capteur à l’intérieur du carter de la machine électrique tournante. En effet la mesure du courant est généralement réalisée dans l’onduleur alimentant la machine électrique tournante. La mesure du courant est par exemple réalisée par des capteurs à effet hall. La détection de la formation des bulles est donc réalisée sans ajout de capteur dédiés à cette détection. La machine électrique tournante est donc plus simple et son coût est limité. Selon une caractéristique supplémentaire de l’invention, le paramètre étant un spectre fréquentiel d’un bruit due à la formation des bulles quand le fluide à changement de phase passe à la phase gazeuse, le dispositif de mesure, notamment comprenant un microphone, fournit ce paramètre.
Le bruit généré lors de la formation des bulles présente un spectre sonore spécifique qui permet d’identifier la phase de formation des bulles. Ce spectre sonore dépend notamment du fluide à changement de phase utilisé. L’utilisation d’un tel paramètre permet donc également de contrôler la machine électrique tournante de manière à éviter sa destruction par surchauffe.
Selon une caractéristique supplémentaire de l’invention, le paramètre étant un spectre fréquentiel des vibrations d’un composant de la machine électrique tournante, les vibrations étant dues à la formation des bulles quand le fluide à changement de phase passe à la phase gazeuse, le dispositif de mesure, notamment comprenant un accéléromètre, fournit ce paramètre.
La formation de bulles génère des vibrations dans les composants de la machine électrique tournante. En utilisant le spectre des vibrations d’un composant de la machine électrique tournante, il est possible de détecter la formation des bulles et en particulier l’intensité de la formation des bulles. L’utilisation du spectre de vibrations d’un composant de la machine électrique tournante comme paramètre permet donc également de contrôler la machine électrique tournante de manière à éviter sa destruction par surchauffe.
Selon une caractéristique supplémentaire de l’invention, le composant est un bobinage de la machine électrique tournante, notamment un bobinage du stator.
Le bobinage est une source importante de chaleur et donc un lieu important de génération de bulles quand le bobinage est en contact avec le fluide à changement de phase. La mesure des vibrations du bobinage est donc particulièrement précise. La machine électrique tournante peut ainsi être contrôlée de manière fine.
Selon une caractéristique supplémentaire de l’invention, le paramètre étant la température d’un composant de la machine électrique tournante, le dispositif de mesure, notamment comprenant un capteur de température, fournit ce paramètre.
Selon une caractéristique supplémentaire de l’invention, le paramètre étant une capacité électrique entre deux électrodes situées dans la chambre de refroidissement, le dispositif de mesure fournit ce paramètre, des variations de la capacité étant dues à la formation des bulles quand le fluide à changement de phase passe à la phase gazeuse.
La quantité de bulles dans le fluide à changement de phase fait varier la capacité électrique entre deux électrodes plongées dans le fluide à changement de phase. Cette variation de capacité permet d’évaluer la quantité et la taille des bulles et donc l’intensité de la formation de bulles. L’utilisation de cette capacité comme paramètre permet donc également de contrôler la machine électrique tournante de manière à éviter sa destruction par surchauffe. Selon une caractéristique supplémentaire de l’invention, le paramètre étant la densité de bulles et/ou la taille des bulles dans la chambre de refroidissement, le dispositif de mesure, notamment comprenant un capteur optique de détection de bulle, fournit ce paramètre.
Selon une caractéristique supplémentaire de l’invention, le paramètre étant le taux de vapeur dans la chambre de refroidissement, le dispositif de mesure fournit ce paramètre.
Selon une caractéristique supplémentaire de l’invention, la chambre de refroidissement est hermétiquement fermée de manière à ce que le fluide à changement de phase dans la phase liquide et dans la phase gazeuse soit enfermé dans la chambre de refroidissement.
L’utilisation d’une chambre hermétique permet une simplification de la machine électrique tournante.
Selon une caractéristique supplémentaire de l’invention, la chambre refroidissement est en contact avec un échangeur thermique, notamment un ensemble d’ ailettes pour un refroidissement par échange thermique avec l’air ambiant ou un échangeur thermique parcouru par un liquide caloporteur.
L’utilisation d’un échangeur thermique permet d’améliorer le refroidissement de la chambre de refroidissement et donc de la machine électrique tournante.
Selon une caractéristique supplémentaire de l’invention, le stator comprend un corps de stator et un bobinage de stator.
Selon une caractéristique supplémentaire de l’invention, la chambre de refroidissement reçoit le bobinage de stator, le rotor étant extérieur à la chambre de refroidissement.
Un tel rotor extérieur à la chambre de refroidissement permet d’éviter l’utilisation de joints tournant pour assure l’étanchéité de la chambre de refroidissement. La machine électrique tournante est ainsi plus simple. De plus les frottements en rotation sont réduits et l’efficacité de la machine électrique tournante est ainsi augmentée.
Selon une caractéristique supplémentaire de l’invention, le dispositif de mesure comprend un capteur, le capteur étant fixé sur le bobinage.
Fixer le capteur sur le bobinage permet une mesure par le dispositif de mesure sur une source principale de la chaleur entraînant la formation des bulles dans le liquide à changement de phase. La mesure est ainsi plus précise et le contrôle de la machine électrique tournante en fonction du paramètre est plus précis.
Selon une caractéristique supplémentaire de l’invention, la chambre de refroidissement est formée en tout ou partie dans le carter.
L’invention porte aussi sur procédé de commande d’une machine électrique tournante telle que décrite précédemment comprenant :
- une étape de réception d’une consigne de puissance motrice ou génératrice, - une étape d’alimentation en courant de la machine électrique tournante ou respectivement de génération d’un courant par la machine électrique tournante pour atteindre la consigne de puissance,
- une étape de mesure du paramètre par le dispositif de détection de la formation de bulles lors du passage à la phase gazeuse du fluide à changement de phase,
- une étape de comparaison de la valeur du paramètre avec une valeur seuil,
- une étape de baisse du courant d’ alimentation ou respectivement du courant généré si le paramètre de détection de la formation de bulles est supérieur à la valeur seuil.
La valeur seuil est prédéterminée pour permettre un refroidissement à changement de phase et éviter une crise d’ébullition.
La valeur seuil peut être prédéterminée pour permettre un refroidissement à changement de phase avec un passage du fluide à changement de phase en phase gazeuse lors d’une ébullition nucléée avec colonnes continues.
Un tel procédé permet un bon refroidissement de la machine électrique tournante grâce à un refroidissement à changement de phase tout en protégeant la machine électrique tournante d’une surchauffe destructrice.
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 tournante 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 pourra être mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre d’exemples non limitatifs de mise en œuvre de celle-ci et à l’examen du dessin annexé sur lequel :
- la figure 1 représente une vue partielle schématique en coupe d’une machine électrique tournante comprenant un système de refroidissement selon un premier mode de réalisation de l’invention,
- la figure 2 représente une vue partielle schématique en coupe d’une machine électrique tournante selon un deuxième mode de réalisation,
- la figure 3 représente une vue partielle schématique en coupe d’une machine électrique tournante selon un troisième mode de réalisation,
- la figure 4 représente une vue partielle schématique en coupe d’une machine électrique tournante selon un quatrième mode de réalisation,
- la figure 5 représente une vue schématique de détail d’un chignon du bobinage d’une machine électrique tournante selon des variantes des premier, deuxième, troisième et quatrième modes de réalisation de l’invention,
- la figure 6 représente un diagramme des étapes d’un procédé de commande d’une machine électrique tournante selon l’invention,
- la figure 7 représente une courbe de Nukiyama d’évolution du flux de chaleur en fonction de la température,
- la figure 8 représente un spectre fréquentiel d’un bruit mesuré dans une chambre de refroidissement d’une machine électrique tournante sans et avec la formation de bulles quand le fluide à changement de phase passe à la phase gazeuse.
Sur toutes les figures, les éléments identiques ou assurant la même fonction portent les mêmes numéros de référence. Les réalisations suivantes sont des exemples. Bien que la description se réfère à un ou plusieurs modes de réalisation, ceci ne signifie pas nécessairement que chaque référence concerne le même mode de réalisation ou que les caractéristiques s’appliquent seulement à un seul mode de réalisation. De simples caractéristiques de différents modes de réalisation peuvent également être combinées ou interchangées pour fournir d’autres réalisations. La figure 1 représente une vue partielle schématique en coupe d’une machine électrique tournante 1 ayant un axe de rotation A selon un premier mode de réalisation de l’invention. La machine électrique tournante 1 comprend un stator 14 et un rotor 3 dans un carter 28. Le carter 28 comprend un premier palier 5, un deuxième palier 6 et une entretoise tubulaire 7 enserrée entre le premier palier 5 et le deuxième palier 6. Le stator 14 est fixé à l’intérieur du carter 28, par exemple monté serré dans l’entretoise tubulaire 7.
Le stator 14 comprend un corps de stator 2 et un bobinage 8. Le corps de stator 2 comprend par exemple un empilage de tôles magnétiques. Par exemple le bobinage 8 comprend des conducteurs électriques dont une partie active passe dans des encoches formées dans le corps 2 et une partie de connexion ou chignon 26 est formée à l’extérieur des encoches. Le bobinage 8 est par exemple un bobinage de type en épingles.
L’entretoise tubulaire est par exemple enserrée entre le premier palier 5 et le deuxième palier 6, par exemple grâce à des tirants non représentés entre le premier palier 5 et le deuxième palier 6. Une étanchéité est assurée entre le premier palier 5 et l’entretoise tubulaire 7 ainsi qu’entre l’entretoise tubulaire 7 et le deuxième palier 6. Cette étanchéité est par exemple assurée par des joints entre le premier palier 5 et l’entretoise tubulaire 7 et entre l’entretoise tubulaire 7 et le deuxième palier 6.
Dans une variante non représentée le carter ne comprend pas d’entretoise tubulaire et le stator est enserré entre le premier palier 5 et le deuxième palier 6. Dans cette variante une étanchéité est assurée entre le premier palier 5 et le stator et entre le stator et le deuxième palier 6. Pour éviter des fuites dans le stator, notamment entre les tôles magnétiques de l’empilage de tôles magnétiques du corps de stator 2, une résine étanche peut être appliquée sur le corps de stator 2. Dans une autre variante non représentée le premier palier 5 et/ou le deuxième palier 6 comprend une extension tubulaire dans laquelle le stator est fixé. Dans cette variante, une étanchéité, par exemple réalisée à l’aide d’un joint, est assurée entre le premier palier 5 et le deuxième palier 6. Le rotor 3 est par exemple un rotor à aimants permanents.
Dans un autre mode de réalisation non représenté, le rotor comprend un bobinage de rotor.
Le rotor est monté sur un arbre 4 d’axe de rotation A. L’arbre 4 est guidé en rotation par un premier roulement 9 monté dans le premier palier 5 et un deuxième roulement 18 monté dans le deuxième palier 6. Un élément d’entrainement 13, par exemple une poulie ou un engrenage est fixé à l’arbre 4.
Dans un autre mode de réalisation non représenté, l’arbre 4 est guidé en rotation par rapport au premier palier et au deuxième palier grâce à d’autres moyens de guidage en rotation connus, par exemple des paliers lisses. Un premier joint 10, par exemple un joint à lèvre, assure l’étanchéité entre le premier palier 5 et l’arbre 4. Un deuxième joint 19, par exemple un joint à lèvre, assure l’étanchéité entre le deuxième palier 6 et l’arbre 4.
Les étanchéités vues précédemment entre l’arbre 4 et les paliers ainsi qu’entre les paliers, directement ou par l’intermédiaire de l’entretoise tubulaire ou le corps de stator selon la variante, permettent de former une chambre de refroidissement 16 étanche.
Un fluide à changement de phase est contenu au moins en partie dans la chambre de refroidissement 16. Le fluide à changement de phase peut passer d’une phase liquide à une phase gazeuse quand il est chauffé.
Le fluide à changement de phase est par exemple choisi pour :
- sa capacité à être un isolant électrique,
- sa température de changement liquide-vapeur qui doit être inférieure à la température maximale de fonctionnement de la machine électrique tournante 1 , par exemple inférieure à la température de démagnétisation des aimants permanents quand la machine électrique tournante 1 comprend des aimants permanents, par exemple 180°C.
- sa température de solidification doit être inférieure à la température minimale de fonctionnement de la machine électrique tournante 1 , par exemple supérieure à -40°C.
Dans le mode de réalisation de la figure 1 et ces variantes, le fluide à changement de phase entre dans la chambre de refroidissement 16 par une ouverture d’entrée 11, par exemple formée par un tube inséré de manière étanche dans le premier palier 5. Le fluide sort de la chambre de refroidissement 16 par une ouverture de sortie 12, par exemple formée par un tube inséré de manière étanche dans le deuxième palier 6.
Dans une autre variante non représentée, l’ouverture d’entrée et/ou l’ouverture de sortie sont formées dans l’entretoise tubulaire.
Dans une autre variante non représentée, l’ouverture d’entrée et l’ouverture de sortie sont formées dans le même premier palier ou deuxième palier.
Grâce à l’ouverture d’entrée et l’ouverture de sortie, la chambre de refroidissement peut être intégrée dans un circuit de refroidissement comprenant par exemple un échangeur thermique externe à la machine électrique tournante. Il est ainsi possible d’évacuer la chaleur générée par la machine électrique tournante 1.
Dans la machine électrique tournante 1, le fluide à changement de phase permet l’évacuation de la chaleur engendrée notamment par un passage d’un courant électrique dans le bobinage 8.
Un dispositif de mesure est agencé pour fournir une valeur d’un paramètre variant lors de la formation de bulles quand le fluide à changement de phase passe à la phase gazeuse.
La nucléation ou formation de bulles lors du passage à l’état gazeux d’un fluide à changement de phase est un phénomène physique connu. La courbe de Nukiyama donne par exemple les différentes phases de ce phénomène. La figure 7 représente une telle courbe de Nukiyama d’évolution du transfert de chaleur Q en fonction de la température T.
En dessous d’une première température 200, le transfert de chaleur s’effectue par convection naturelle. Le fluide à changement de phase est dans une phase liquide. Entre la première température 200 et une deuxième température 201 supérieure à la première température 200, de premières bulles en phase gazeuse commencent à apparaitre dans la phase liquide. En d’autres termes le fluide à changement de phase est en ébullition. Entre la deuxième température 201 et une troisième température 202 supérieure à la deuxième température 201, le fluide à changement de phase passe en phase gazeuse lors d’une ébullition nucléée avec colonnes continues. L’ébullition nucléée avec colonnes continues est aussi appelée ébullition nucléée développée ou ébullition nucléée pleinement développée ou ébullition avec colonnes de vapeur. La troisième température 202 correspond à la température à laquelle le transfert de chaleur est maximal. Le transfert de chaleur maximal (C) est aussi nommé flux thermique critique ou flux thermique maximal (critical heat flux en anglais). Entre la troisième température 202 et une quatrième température 203 supérieure à la troisième température 202, une phase de crise d’ébullition est observée. Pendant la phase de crise d’ébullition, il y a une forte dégradation du transfert de chaleur. Cette forte dégradation du transfert de chaleur a pour effet un échauffement très rapide du bobinage 8 de la machine électrique tournante 1 entraînant la destruction du bobinage 8.
Il est alors important de détecter la phase d’ébullition et son intensité.
Dans un premier exemple, le paramètre est l’un au moins de l’amplitude et la fréquence d’une perturbation électrique sur un courant d’alimentation ou sur un courant de génération d’un bobinage de la machine électrique tournante 1, notamment un bobinage 8 du stator 14, la perturbation électrique étant due à la formation des bulles quand le fluide à changement de phase passe à la phase gazeuse. Le dispositif de mesure fournit le paramètre. Le dispositif de mesure comprend par exemple un capteur 15 de courant mesurant le courant d’alimentation ou le courant de génération de la machine électrique tournante 1.
Le courant d’alimentation est un courant envoyé à la machine électrique tournante 1 quand la machine électrique tournante 1 est utilisée en mode moteur. Le courant de génération est un courant généré par la machine électrique tournante quand la machine électrique tournante est utilisée en génératrice.
Dans un deuxième exemple, le paramètre est un spectre fréquentiel d’un bruit due à la formation des bulles quand le fluide à changement de phase passe à la phase gazeuse. Le dispositif de mesure, fournit ce paramètre. Le dispositif de mesure comprend un capteur de bruit, notamment un microphone. Dans le mode de réalisation de la figure 1, un capteur 15, notamment un capteur de bruit en particulier un microphone est installé dans la chambre de refroidissement 16. La figure 8 représente un exemple de spectre fréquentiel du bruit mesuré dans la chambre de refroidissement 16 d’une machine électrique tournante 1. Une première courbe 300 représente le spectre du bruit selon une transformation de Fourrier rapide (FFT ou fast Fourrier transform en anglais) mesuré par le capteur 15, dans cet exemple un microphone, lorsque le fluide à changement de phase est entièrement en phase liquide. Une deuxième courbe 301 représente le spectre du bruit par le capteur 15 quand il y a une formation de bulles due au passage à la phase gazeuse du fluide à changement de phase. La formation de bulles entraine, pour la machine électrique tournante testée et le fluide à changement de phase testé, une augmentation de F amplitude du bruit à des fréquences notamment de 0 à 50Hz, de 400Hz à 500Hz et de 800Hz à 900Hz. La deuxième courbe 301 correspond à un fonctionnement entre la deuxième température 201 et une troisième température 202. Il est ainsi possible de déterminer le seuil du paramètre à partir duquel une crise d’ébullition apparait c’est dire le moment où on observe un changement du spectre du bruit par rapport à la deuxième courbe 301. A ce changement de spectre du bruit, on observe une augmentation de F amplitude du bruit à des fréquences différentes des fréquences de celles observées sur la deuxième courbe 301. On observe aussi une augmentation brutale d’une énergie contenue dans le spectre du bruit c’est-à-dire une augmentation brutale de la surface sous la courbe du spectre du bruit.
Pour une machine électrique tournante et un fluide à changement de phase différent, les fréquences pour lesquelles on observe une augmentation de l’amplitude du bruit peuvent être différentes.
En variante non représentée de l’invention, le capteur est situé à l’extérieur du carter 28 de la machine électrique tournante 1. Par exemple, dans le cas de l’utilisation d’un microphone comme capteur de bruit, le dispositif de mesure comprend un système de filtre permettant de distinguer le bruit due à la formation des bulles du reste des bruits environnants. Ce système de filtre est d’autant plus important que le microphone est situé dans une position éloignée, et/ou séparé par des obstacles, du lieu de la formation des bulles.
Dans un troisième exemple, le paramètre est un spectre fréquentiel des vibrations d’un composant de la machine électrique tournante 1, les vibrations étant dues à la formation des bulles quand le fluide à changement de phase passe à la phase gazeuse. Le dispositif de mesure fournit ce paramètre. Le dispositif de mesure comprend par exemple un accéléromètre. Dans le mode de réalisation représenté sur la figure 1, le capteur 15 est par exemple un accéléromètre fixé sur le carter 28 de la machine électrique tournante 1. Dans ce mode de réalisation de la figure 1 le capteur 15 est à l’intérieur de la chambre de refroidissement 16. En variante non représentée le capteur 15 est à l’extérieur de la chambre de refroidissement 16. Un tel positionnement peut permettre d’éviter le passage dans la chambre de refroidissement de conducteurs électriques reliant électriquement le capteur au reste du dispositif de mesure ou à un module de contrôle de la machine électrique tournante 1.
Dans un quatrième exemple, le paramètre est la température d’un composant de la machine électrique tournante 1. Le dispositif de mesure fournit ce paramètre. Le dispositif comprend par exemple un capteur 15 de température, par exemple une thermistance ou un thermocouple. Le capteur 15 de température est de préférence dans la chambre de refroidissement 16.
Dans un cinquième exemple, le paramètre est une capacité électrique entre deux électrodes situées dans la chambre de refroidissement. Des variations de la capacité étant dues à la formation des bulles quand le fluide à changement de phase passe à la phase gazeuse. Le dispositif de mesure fournit ce paramètre. Le capteur 15 représenté sur la figure 1 peut comprendre ces deux électrodes. Les bulles étant générées à proximité d’un élément chauffant c’est-à-dire en particulier le bobinage de la machine électrique tournante, les deux électrodes sont de préférence installées à proximité de l’élément chauffant.
Dans un sixième exemple, le paramètre est la densité de bulles et/ou la taille des bulles dans la chambre de refroidissement. Le dispositif de mesure fournit ce paramètre. Le dispositif de mesure comprend par exemple un capteur optique de détection de bulles. Le capteur 15 est installé dans la chambre de refroidissement. Comme dans l’exemple précédent le capteur est de préférence installé à proximité d’un élément chauffant, en particulier le bobinage 8.
Dans un septième exemple, le paramètre est le taux de vapeur dans la chambre de refroidissement. Le dispositif de mesure fournit ce paramètre. Le dispositif de mesure comprend un capteur 15 de vapeur.
D’autres paramètres, tel que la pression dans la chambre de refroidissement, peuvent également être utilisés pour détecter la formation de bulles quand le fluide à changement de phase passe à la phase gazeuse.
Certains paramètres vus précédemment, comme la température où les vibrations, peuvent être mesurés au plus proche de l’élément chauffant par le dispositif de mesure. La figure 5 représente le chignon 26 du bobinage 8. Le capteur 15, par exemple un capteur de température ou un accéléromètre, est en contact avec un fil du bobinage 8 par exemple au niveau du chignon. Le contact est direct ou indirect par exemple par l’intermédiaire d’une colle. Le capteur 15 est connecté au reste du dispositif de mesure ou au module de contrôle de la machine électrique tournante 1 par un câble électrique 27.
Dans un autre mode de réalisation non représenté, le capteur 15 est un capteur sans fil, par exemple alimenté par induction.
La figure 2 représente une vue partielle schématique en coupe d’une machine électrique tournante
1 selon un deuxième mode de réalisation de l’invention. Le deuxième mode de réalisation de l’invention est similaire au premier mode de réalisation de l’invention cependant dans le deuxième mode de réalisation de l’invention, la chambre de refroidissement 16 n’est pas reliée à un circuit de refroidissement externe. La chambre de refroidissement 16 est hermétiquement fermée de manière à ce que le fluide à changement de phase dans la phase liquide et dans la phase gazeuse soit enfermé dans la chambre de refroidissement 16.
La chambre de refroidissement est refroidie grâce à des ailettes 20 formées sur le carter 28 permettant un refroidissement par échange thermique avec, par exemple l’air ambiant.
Dans le mode de réalisation de la figure 2, les ailettes 20 sont formées sur l’entretoise tubulaire 7.
Dans un autre mode de réalisation de l’invention non représenté, les ailettes sont formées sur le premier palier 5 et/ou le deuxième palier 6.
Dans un autre mode de réalisation de l’invention non représenté, les ailettes sont formées à la fois sur l’entre toise tubulaire 7 et le premier palier 5 et/ou le deuxième palier 6.
La figure 3 représente une vue partielle schématique en coupe d’une machine électrique tournante 1 selon un troisième mode de réalisation de l’invention.
Le troisième mode de réalisation de l’invention est similaire au deuxième mode de réalisation de l’invention cependant dans le troisième mode de réalisation de l’invention, la chambre de refroidissement n’est pas refroidie grâce à des ailettes 20 formées sur le carter 28 mais grâce à un échangeur thermique parcouru par un liquide caloporteur. L’échangeur thermique est par exemple une chambre à eau 23 formée dans le carter, notamment dans l’entretoise tubulaire 7.
Dans un autre mode de réalisation non représenté les ailettes 20 du deuxième mode de réalisation et la chambre à eau 23 du troisième mode de réalisation sont combinées.
La figure 4 représente une vue partielle schématique en coupe d’une machine électrique tournante 1 selon un quatrième mode de réalisation de l’invention.
Le quatrième mode de réalisation est similaire au troisième mode de réalisation cependant dans le quatrième mode de réalisation, la chambre de refroidissement 16 est limitée radialement à l’intérieur par des parois 23 formées sur le premier palier 5 et sur le deuxième palier 6. Dans ce mode de réalisation le rotor 3 n’est pas dans la chambre de refroidissement 16. L’étanchéité radialement interne de la chambre de refroidissement 16 est, dans l’exemple représenté, assurée par des troisièmes joints 25 entre une gorge 23 des parois 23 et le corps du stator 2. Dans le quatrième mode de réalisation, le rotor 3 étant hors de la chambre de refroidissement, l’utilisation du premier joint 10 et du deuxième joint 19 des modes de réalisation des figures 1, 2 et 3 n’est plus utile pour assurer l’étanchéité de la chambre de refroidissement.
Dans une variante non représentée du quatrième mode de réalisation de l’invention, les parois 23 sont formées sur le corps de stator 2, par exemple par surmoulage d’un matériau plastique. Une étanchéité, par exemple à l’aide de joints, est entre une des parois 23 et le premier palier 5 et entre l’autre des parois 23 et le deuxième palier 6.
Dans une variante non représentée du quatrième mode de réalisation, un premier joint entre l’arbre 4 et le premier palier 5 et/ou un deuxième joint entre l’arbre 4 et le deuxième palier 6 sont utilisés pour une autre fonction comme la protection contre l’introduction de poussière à l’intérieur de la machine électrique tournante. Dans une autre variante non représentée du quatrième mode de réalisation, de tels premier joint et deuxième joint sont utilisés pour isoler l’intérieur de la machine électrique d’un fluide, notamment un lubrifiant, contenu dans un élément receveur, par exemple une boite de vitesses ou un réducteur, dans lequel est montée la machine électrique tournante.
Dans une variante non représentée du quatrième mode de réalisation, comme dans le premier mode de réalisation, le fluide à changement de phase entre dans la chambre de refroidissement 16 par une ouverture d’entrée, et le fluide sort de la chambre de refroidissement par une ouverture de sortie.
La température de changement liquide -vapeur du fluide à changement de phase doit également être supérieure à la température d’une source froide, c’est-à-dire, par exemple, le liquide caloporteur dans le troisième mode de réalisation et le quatrième mode de réalisation ou la température de F air ambiant dans le deuxième mode de réalisation.
Dans un autre mode de réalisation non représenté, la machine électrique comprend un stator à aimants permanents et un rotor comprenant un bobinage. La machine électrique tournante est par exemple un moteur à courant continu. Le rotor d’une telle machine électrique est à l’intérieur de la chambre de refroidissement comme dans les premier, deuxième et troisième mode de réalisation.
Les machines électriques tournantes des modes de réalisation représentés sur les figures sont des machines électriques tournantes à flux radial. Dans un autre mode de réalisation non représenté de l’invention, la machine électrique tournante est un machine électrique tournante à flux axial. La figure 6 représente un diagramme des étapes d’un procédé 100 de commande d’une machine électrique tournante selon l’invention.
Le procédé 100 comprend :
- une étape de réception 101 d’une consigne de puissance motrice ou génératrice,
- une étape d’alimentation 102 de la machine électrique tournante 1 ou respectivement de génération d’un courant par la machine électrique tournante pour atteindre la consigne de puissance.
- une étape de mesure 103 du paramètre par le dispositif de détection de la formation de bulles lors du passage à la phase gazeuse du fluide à changement de phase,
- une étape de comparaison 104 de la valeur du paramètre avec une valeur seuil, - une étape de baisse du courant 105 d’alimentation ou respectivement du courant généré si le paramètre de détection de la formation de bulles est supérieur à la valeur seuil.
Dans un autre mode de réalisation non représenté, plusieurs paramètres tels que ceux précédemment décrits dans les différents exemples sont mesurés en parallèle. Dans ce cas une valeur seuil peut être définie pour chacun des paramètres. En variante, un seuil dépendant de plusieurs paramètres peut être défini.

Claims

Revendications
[1. Machine électrique tournante (1) comprenant :
- un stator (14),
- un rotor (3),
- un carter (28), le stator (14) étant fixé au carter,
- une chambre de refroidissement (16),
- un fluide à changement de phase contenu au moins en partie dans la chambre de refroidissement, le fluide à changement de phase pouvant passer d’une phase liquide à une phase gazeuse,
- un dispositif de mesure agencé pour fournir une valeur d’un paramètre variant lors de la formation de bulles quand le fluide à changement de phase passe à la phase gazeuse, la machine électrique tournante étant apte à permettre un refroidissement à changement de phase en évitant une crise d’ébullition.
2. Machine électrique tournante (1) selon la revendication précédente, le paramètre étant l’un au moins de l’amplitude et la fréquence d’une perturbation électrique sur un courant d’alimentation ou sur un courant de génération d’un bobinage (8) de la machine électrique tournante 1, la perturbation électrique étant due à la formation des bulles quand le fluide à changement de phase passe à la phase gazeuse et dans laquelle le dispositif de mesure, notamment comprenant un capteur de courant (15), fournit ce paramètre.
3. Machine électrique tournante (1) selon l’une des revendications précédentes, le paramètre étant un spectre fréquentiel d’un bruit due à la formation des bulles quand le fluide à changement de phase passe à la phase gazeuse et dans laquelle le dispositif de mesure, notamment comprenant un microphone (15), fournit ce paramètre.
4. Machine électrique tournante (1) selon l’une des revendications précédentes, le paramètre étant un spectre fréquentiel des vibrations d’un composant de la machine électrique tournante (1), les vibrations étant dues à la formation des bulles quand le fluide à changement de phase passe à la phase gazeuse et dans laquelle le dispositif de mesure, notamment comprenant un accéléromètre (15), fournit ce paramètre.
5. Machine électrique tournante (1) selon l’une des revendications précédentes, le paramètre étant la température d’un composant de la machine électrique tournante, et dans laquelle le dispositif de mesure, notamment comprenant un capteur de température, fournit ce paramètre.
6. Machine électrique tournante (1) selon l’une des revendications précédentes, le paramètre étant une capacité électrique entre deux électrodes situées dans la chambre de refroidissement et dans laquelle le dispositif de mesure fournit ce paramètre, des variations de la capacité étant dues à la formation des bulles quand le fluide à changement de phase passe à la phase gazeuse.
7. Machine électrique tournante (1) selon l’une des revendications précédentes, le paramètre étant la densité de bulles et/ou la taille des bulles dans la chambre de refroidissement (16) et dans laquelle le dispositif de mesure, notamment comprenant un capteur optique (15) de détection de bulle, fournit ce paramètre.
8. Machine électrique tournante (1) selon l’une des revendications précédentes, le paramètre étant le taux de vapeur dans la chambre de refroidissement (16) et dans laquelle le dispositif de mesure fournit ce paramètre.
9. Machine électrique tournante (1) selon l’une des revendications précédentes dans laquelle la chambre de refroidissement (16) est hermétiquement fermée de manière à ce que le fluide à changement de phase dans la phase liquide et dans la phase gazeuse soit enfermé dans la chambre de refroidissement (16).
10. Machine électrique tournante (1) selon l’une des revendications précédentes dans laquelle la chambre refroidissement (16) est en contact avec un échangeur thermique (7, 20, 21, 22, 23), notamment un ensemble d’ ailettes (20) pour un refroidissement par échange thermique avec F air ambiant ou un échangeur thermique (7, 21, 22, 23) parcouru par un liquide caloporteur.
11. Machine électrique tournante (1) selon l’une des revendications précédentes dans laquelle le stator (14) comprend un corps de stator (2) et un bobinage de stator (8).
12. Machine électrique tournante (1) selon la revendication précédente dans laquelle la chambre de refroidissement reçoit le bobinage (8) de stator, le rotor (3) étant extérieur à la chambre de refroidissement (16).
13. Machine électrique tournante (1) selon l’une des revendications 11 et 12 dans laquelle le dispositif de mesure comprend un capteur (15), le capteur étant fixé sur le bobinage (8).
14. Machine électrique tournante (1) selon l’une des revendications précédentes dans laquelle la chambre de refroidissement (16) est formée en tout ou partie dans le carter (28).
15. Procédé de commande d’une machine électrique tournante (1) selon l’une de revendication précédentes comprenant :
- une étape de réception (101) d’une consigne de puissance motrice ou génératrice,
- une étape d’alimentation (102) en courant de la machine électrique tournante ou respectivement de génération d’un courant par la machine électrique tournante pour atteindre la consigne de puissance.
- une étape de mesure (103) du paramètre par le dispositif de détection de la formation de bulles lors du passage à la phase gazeuse du fluide à changement de phase,
- une étape de comparaison (104) de la valeur du paramètre avec une valeur seuil, la valeur seuil est prédéterminée pour permettre un refroidissement à changement de phase et éviter une crise d’ébullition
- une étape de baisse du courant (105) d’alimentation ou respectivement du courant généré si le paramètre de détection de la formation de bulles est supérieur à la valeur seuil. |
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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EP0239678A1 (fr) * 1986-01-09 1987-10-07 Siemens Aktiengesellschaft Procédé et appareil pour déterminer et localiser des surchauffes locales dans des enroulements à bain de refroidissement des machines électriques
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