FR3131477A1 - Electrical machine incorporating phase change materials. - Google Patents
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Abstract
L’invention concerne une machine électrique comprenant un stator et un rotor entrainé en rotation par le stator, le stator comprenant une carcasse dont s’étend au moins une encoche statorique parallèlement à un premier axe de rotation du rotor, la machine électrique comprenant des bobinages d'éléments conducteurs s’étendant concentriquement dans l’au moins une encoche statorique de sorte à former à chaque extrémité du stator, le long du premier axe de rotation du rotor, une tête de bobinage, la machine électrique comprenant au moins une cale d’encoche dans l’encoche statorique de sorte à isoler les éléments conducteurs du bobinage, la machine électrique comprenant au moins un dissipateur de chaleur disposé à l'intérieur d’une encoche statorique entre les éléments conducteurs et/ou dans la cale d’encoche, le dissipateur de chaleur s’étendant depuis la tête de bobinage d’une première extrémité du stator le long du premier axe de rotation du rotor jusqu’à une tête de bobinage d’une deuxième extrémité du stator, le dissipateur de chaleur comprenant un matériau à changement de phase. Figure pour l’abrégé : Fig. 1The invention relates to an electric machine comprising a stator and a rotor driven in rotation by the stator, the stator comprising a frame from which extends at least one stator notch parallel to a first axis of rotation of the rotor, the electric machine comprising windings conductive elements extending concentrically in the at least one stator notch so as to form at each end of the stator, along the first axis of rotation of the rotor, a winding head, the electric machine comprising at least one shim notch in the stator notch so as to insulate the conductive elements from the winding, the electric machine comprising at least one heat sink arranged inside a stator notch between the conductive elements and/or in the notch spacer , the heat sink extending from the winding head of a first end of the stator along the first axis of rotation of the rotor to a winding head of a second end of the stator, the heat sink comprising a phase change material. Figure for the abstract: Fig. 1
Description
L’invention concerne le refroidissement d’un élément produisant de la chaleur. L’invention trouve une application dans le domaine des machines électriques et de l’électronique de puissance. En effet, il est connu que les éléments électriques ainsi que l’électronique de puissance engendrent des pertes qui se traduisent par une production de chaleur qu’il est nécessaire d’évacuer. L’évacuation de cette chaleur, garantissant un bon fonctionnement des éléments cités précédemment, devient donc une priorité. L’invention trouve une application particulière dans le domaine de l’aéronautique où la tendance est d’augmenter le nombre d’équipements électriques et donc la puissance électrique embarquée.The invention relates to cooling a heat-producing element. The invention finds application in the field of electrical machines and power electronics. Indeed, it is known that electrical elements as well as power electronics generate losses which result in the production of heat which must be evacuated. The evacuation of this heat, guaranteeing proper functioning of the elements mentioned above, therefore becomes a priority. The invention finds a particular application in the field of aeronautics where the trend is to increase the number of electrical equipment and therefore the on-board electrical power.
Un moteur de propulsion d'aéronef comprend des machines électriques comprenant un rotor ou partie tournante et un stator ou partie fixe. Les machines électriques peuvent être utilisées soit en moteur soit en générateur. Le stator comprend un circuit magnétique et un circuit électrique constitué d'un ensemble de bobinages composé de fils conducteurs.An aircraft propulsion engine comprises electrical machines comprising a rotor or rotating part and a stator or fixed part. Electric machines can be used either as a motor or a generator. The stator includes a magnetic circuit and an electrical circuit consisting of a set of windings composed of conductive wires.
De manière connue, de telles machines électriques présentent des phases de fonctionnement transitoires rencontrées principalement lors de séquences de démarrage ou d'accélération du moteur d'aéronef ou de certains équipements que comporte le moteur d'aéronef.In known manner, such electrical machines have transient operating phases encountered mainly during start-up or acceleration sequences of the aircraft engine or certain equipment included in the aircraft engine.
Pendant ces phases transitoires, la machine électrique ainsi fortement sollicitée dissipe une grande quantité de chaleur qui peut lui être préjudiciable. En effet, la chaleur est principalement dissipée dans les circuits électriques et/ou sur les aimants permanents s'ils sont compris dans la machine électrique.During these transient phases, the electrical machine thus heavily stressed dissipates a large quantity of heat which can be detrimental to it. In fact, the heat is mainly dissipated in the electrical circuits and/or on the permanent magnets if they are included in the electrical machine.
Comme dit précédemment, les machines électriques peuvent alors générer beaucoup de chaleur. En outre, le refroidissement nécessaire à l’évacuation de cette chaleur est limité par certaines contraintes. L’encombrement ainsi que la masse ajoutée par un éventuel dispositif de refroidissement sont notamment limités par les spécificités d’un véhicule embarquant une machine électrique à forte densité de puissance où le refroidissement est généralement limité à de l’air. Par exemple, pour des aéronefs tout électrique ou hybrides, il est souhaitable d’obtenir un dispositif capable de refroidir les éléments électriques doté d’une faible masse et compact.As said previously, electrical machines can then generate a lot of heat. In addition, the cooling necessary for the evacuation of this heat is limited by certain constraints. The bulk as well as the mass added by a possible cooling device are notably limited by the specificities of a vehicle carrying a high power density electric machine where cooling is generally limited to air. For example, for all-electric or hybrid aircraft, it is desirable to obtain a device capable of cooling the electrical elements with a low mass and compact.
Dans le domaine des avions électriques avec des systèmes de propulsion électrique, plusieurs approches ont été adoptées.In the field of electric aircraft with electric propulsion systems, several approaches have been taken.
Le refroidissement à air est la méthode de refroidissement généralement préférée pour refroidir des machines électriques ou des ensembles de machines électriques et d’électroniques de puissance. En effet, de manière connue, ces machines électriques sont dotées d’une carcasse à ailettes ou à canaux de refroidissement permettant un échange convectif avec un flux d’air balayant la carcasse. L’air circulant soit grâce à un ventilateur intégré exclusivement à cet effet soit grâce à l’air induit par une hélice monté en amont de la machine électrique. Néanmoins, ce genre de technologie présente l’inconvénient de ne pas permettre l’amélioration de la puissance massique du système en raison des limites du refroidissement par l’air et de la quantité limitée de calories à évacuer avec ce type de refroidissement. L’utilisation de matériaux comme l’aluminium ou le cuivre, à haute conductivité thermique, au niveau de la carcasse et de vitesses d’air garantissant une convection forcée ne suffit parfois pas.Air cooling is the generally preferred cooling method for cooling electrical machines or assemblies of electrical machines and power electronics. Indeed, in a known manner, these electrical machines are equipped with a carcass with fins or cooling channels allowing convective exchange with a flow of air sweeping the carcass. The air circulates either thanks to a fan integrated exclusively for this purpose or thanks to the air induced by a propeller mounted upstream of the electric machine. However, this type of technology has the disadvantage of not allowing the specific power of the system to be improved due to the limits of air cooling and the limited quantity of calories to be evacuated with this type of cooling. The use of materials such as aluminum or copper, with high thermal conductivity, at the carcass level and air speeds guaranteeing forced convection is sometimes not enough.
Afin de permettre un meilleur refroidissement, il peut être privilégié d’opter pour un refroidissement forcé avec un fluide, comme par exemple de l’eau ou de l’huile, permettant d’avoir des coefficients d’échanges assez important. Toutefois, le gain en masse sur le moteur et/ou l’électronique de puissance est alors important du fait de l’utilisation du système de refroidissement encombrant et lourd qui nécessite un échangeur, des pompes et un fluide réfrigérant.In order to allow better cooling, it may be preferable to opt for forced cooling with a fluid, such as water or oil, allowing for fairly high exchange coefficients. However, the gain in mass on the motor and/or the power electronics is then significant due to the use of the bulky and heavy cooling system which requires an exchanger, pumps and a refrigerant fluid.
Il est également suggéré d’utiliser des matériaux à changement de phase comme alternative au liquide de refroidissement de sorte à emmagasiner la chaleur jusqu’à un changement de phase (solide-liquide ou liquide-gazeux) de sorte à « conduire » la chaleur vers un autre flux réfrigérant extérieur au système. C’est notamment le cas des brevets EP 2523 314 B1 et US 2020/0076262 A1. Néanmoins, ces solutions nécessitent d’onéreuses modifications pour la mise en œuvre et nécessitent par exemple d’augmenter le volume de l’encoche à l’intérieur du stator. Par conséquent, le volume occupé par la machine électrique et donc son poids augmentent, ce qui n’est pas souhaitable. De plus, les matériaux à changement de phase selon ces documents n’échangent pas directement avec les points chauds du bobinage, ce qui nuit à l’extraction de chaleur en provenance de ces points chauds.It is also suggested to use phase change materials as an alternative to coolant so as to store heat until a phase change (solid-liquid or liquid-gaseous) so as to "conduct" the heat to another refrigerant flow external to the system. This is particularly the case for patents EP 2523 314 B1 and US 2020/0076262 A1. However, these solutions require expensive modifications for implementation and require, for example, increasing the volume of the notch inside the stator. Consequently, the volume occupied by the electric machine and therefore its weight increases, which is not desirable. In addition, the phase change materials according to these documents do not exchange directly with the hot spots of the winding, which impairs the extraction of heat from these hot spots.
L’invention vise à pallier tout ou partie des problèmes cités plus haut en proposant des dispositifs compacts de machines électriques et d’électronique de puissance :
- qui présentent une puissance spécifique élevée,
- qui ne nécessitent qu’un refroidissement à air ou accessoirement forcé au travers d’une roue de ventilation ou d’une hélice portée(s) par l’arbre du moteur,
- qui est indépendant de tout dispositif de refroidissement déporté avec un fluide autre que le fluide de l’environnement dans lequel évolue le système embarquant le dispositif puissance,
- qui fonctionne en surcharge de manière ponctuelle ou sur un cycle intermittent avec des phases de charge ou de surcharge significative et des phases de repos ou de charge partielle ou minime.
- which have a high specific power,
- which only require air cooling or incidentally forced through a ventilation wheel or a propeller carried by the motor shaft,
- which is independent of any remote cooling device with a fluid other than the fluid of the environment in which the system embedding the power device operates,
- which operates in overload occasionally or on an intermittent cycle with phases of significant load or overload and phases of rest or partial or minimal load.
A cet effet, l’invention a pour objet une machine électrique comprenant un stator et un rotor configuré pour être entrainé en rotation par le stator, le stator comprenant une carcasse dont s’étend au moins une encoche statorique parallèlement à un premier axe de rotation du rotor, la machine électrique comprenant des bobinages d'éléments conducteurs s’étendant concentriquement dans l’au moins une encoche statorique du stator de sorte à former à chaque extrémité du stator, le long du premier axe de rotation du rotor, une tête de bobinage, la machine électrique comprenant au moins une cale d’encoche disposée dans l’encoche statorique de sorte à isoler physiquement les éléments conducteurs du bobinage du rotor, la machine électrique comprenant au moins un dissipateur de chaleur disposé à l'intérieur d’une encoche statorique entre les éléments conducteurs et/ou dans la cale d’encoche, le dissipateur de chaleur s’étendant depuis la tête de bobinage d’une première extrémité du stator le long du premier axe de rotation du rotor jusqu’à une tête de bobinage d’une deuxième extrémité du stator, le dissipateur de chaleur comprenant un matériau à changement de phase.For this purpose, the subject of the invention is an electric machine comprising a stator and a rotor configured to be rotated by the stator, the stator comprising a carcass of which at least one stator notch extends parallel to a first axis of rotation of the rotor, the electric machine comprising windings of conductive elements extending concentrically in the at least one stator notch of the stator so as to form at each end of the stator, along the first axis of rotation of the rotor, a head of winding, the electric machine comprising at least one slot wedge arranged in the stator slot so as to physically isolate the conductive elements of the rotor winding, the electric machine comprising at least one heat sink arranged inside a stator slot between the conductive elements and/or in the slot wedge, the heat sink extending from the winding head of a first end of the stator along the first axis of rotation of the rotor to a head of winding of a second end of the stator, the heat sink comprising a phase change material.
Selon un aspect de l’invention, le matériau à changement de phase est configuré pour subir une fusion selon une température supérieure à 100 °C.According to one aspect of the invention, the phase change material is configured to undergo melting at a temperature greater than 100°C.
Selon un aspect de l’invention, l’encoche statorique comprend un séparateur de bobine apte à assurer l’isolation électrique entre les éléments conducteurs, le dissipateur de chaleur étant compris dans le séparateur de bobine.According to one aspect of the invention, the stator slot comprises a coil separator capable of ensuring electrical insulation between the conductive elements, the heat sink being included in the coil separator.
Selon un aspect de l’invention, l’encoche statorique comprend un isthme au-delà de la cale d’encoche selon un deuxième axe, perpendiculaire au premier axe, en direction du premier axe de rotation du rotor, le dissipateur de chaleur étant compris dans l’isthme de l’encoche statorique.According to one aspect of the invention, the stator slot comprises an isthmus beyond the slot wedge along a second axis, perpendicular to the first axis, in the direction of the first axis of rotation of the rotor, the heat sink being included in the isthmus of the stator notch.
Selon un aspect de l’invention, l’encoche statorique comprend une fente traversant le stator en direction d’un milieu extérieur à la machine électrique selon le deuxième axe, le matériau à changement de phase du dissipateur de chaleur étant compris dans la fente.According to one aspect of the invention, the stator notch comprises a slot passing through the stator towards a medium external to the electrical machine along the second axis, the phase change material of the heat sink being included in the slot.
Selon un aspect de l’invention, le dissipateur de chaleur est une matrice poreuse.According to one aspect of the invention, the heat sink is a porous matrix.
Selon un aspect de l’invention, le bobinage des éléments conducteurs est encapsulé dans un matériau isolant diélectrique et conducteur thermique.According to one aspect of the invention, the winding of the conductive elements is encapsulated in a dielectric and thermally conductive insulating material.
Selon un aspect de l’invention, le matériau à changement de phase est un matériau à base d’aluminium, un sel ou une cire de la famille des paraffines.According to one aspect of the invention, the phase change material is an aluminum-based material, a salt or a wax from the paraffin family.
Selon un aspect de l’invention, la machine électrique comprend une couronne thermique en contact avec le stator, la couronne thermique comprenant des ailettes de refroidissement.According to one aspect of the invention, the electric machine comprises a thermal ring in contact with the stator, the thermal ring comprising cooling fins.
L’invention sera mieux comprise et d’autres avantages apparaîtront à la lecture de la description détaillée d’un mode de réalisation donné à titre d’exemple, description illustrée par le dessin joint dans lequel :The invention will be better understood and other advantages will appear on reading the detailed description of an embodiment given by way of example, description illustrated by the attached drawing in which:
Par souci de clarté, les mêmes éléments porteront les mêmes repères dans les différentes figures.For the sake of clarity, the same elements will carry the same references in the different figures.
Dans ce qui suit, le terme « matériau à changement de phase » désigne un matériau capable de changer d'état physique dans une plage de température donnée et qui absorbera une grande quantité d'énergie thermique de son environnement environnant pour passer de l'état solide à l'état liquide ou de l’état liquide à l’état gazeux et qui restitue une partie de l'énergie thermique lorsque le matériau se refroidit en passant de l'état liquide à l'état solide ou de l’état gazeux à l’état liquide.In the following, the term "phase change material" refers to a material capable of changing its physical state within a given temperature range and which will absorb a large amount of thermal energy from its surrounding environment to change from the state solid to the liquid state or from the liquid state to the gaseous state and which restores part of the thermal energy when the material cools passing from the liquid state to the solid state or from the gaseous state in liquid state.
Ces matériaux à changement de phase peuvent être des sels qui peuvent être composés de nitrate ou d'hydroxyde.These phase change materials may be salts which may be composed of nitrate or hydroxide.
Le passage de la phase solide à la phase liquide du matériau s'effectue à une température supérieure à cent degrés Celsius jusqu'à une température de l'ordre de 300°C.The transition from the solid phase to the liquid phase of the material takes place at a temperature above one hundred degrees Celsius up to a temperature of around 300°C.
La
La machine électrique 1 comprend également au moins une cale d’encoche 6. La cale d’encoche 6 disposée dans l’encoche statorique 20 de sorte à isoler physiquement et à protéger électriquement les éléments conducteurs du bobinage 4 du rotor 3.The electric machine 1 also comprises at least one slot wedge 6. The slot wedge 6 arranged in the stator slot 20 so as to physically isolate and electrically protect the conductive elements of the winding 4 of the rotor 3.
De plus, la machine électrique 1 comprend au moins un dissipateur de chaleur 8 disposé à l'intérieur d’une encoche statorique 20 entre les éléments conducteurs de bobinage 4 et/ou dans la cale d’encoche 6. Le dissipateur de chaleur 8 s’étend depuis une tête de bobinage 42 des têtes de bobinage 42 de la première extrémité 24 du stator 2 le long du premier axe A1 de rotation du rotor 3 jusqu’à la tête de bobinage 42 des têtes de bobinage 42 de la deuxième extrémité 26 du stator 2 le long du premier axe A1 de rotation du rotor 3. Plus précisément, le dissipateur de chaleur 8 est positionné entre deux conducteurs électriques de bobinage 4 de sorte à être au plus proche de la source de chaleur, au voisinage du bobinage 4. Le dissipateur de chaleur 8 comprend un matériau à changement de phase.In addition, the electric machine 1 comprises at least one heat sink 8 arranged inside a stator slot 20 between the winding conductive elements 4 and/or in the slot wedge 6. The heat sink 8 s 'extends from a winding head 42 of the winding heads 42 of the first end 24 of the stator 2 along the first axis A1 of rotation of the rotor 3 to the winding head 42 of the winding heads 42 of the second end 26 of the stator 2 along the first axis A1 of rotation of the rotor 3. More precisely, the heat sink 8 is positioned between two electrical conductors of winding 4 so as to be as close as possible to the heat source, in the vicinity of winding 4 The heat sink 8 comprises a phase change material.
Ainsi, le dissipateur de chaleur 8 permet le transfert de la chaleur en provenance du bobinage 4 à une carcasse dissipatrice de chaleur externe à la machine électrique 1. Pour ce faire, le dissipateur de chaleur 8 comprenant le matériau à changement de phase est capable de stocker de grandes quantités de chaleur pendant une transition de phase, à savoir une fusion, du matériau à changement de phase. En outre, le matériau à changement de phase est configuré pour subir une fusion selon une température supérieure à 100 °C et est donc défini par température de fusion supérieure à 100 °C. Le matériau à changement de phase est un matériau avec une chaleur de fusion élevée, qui fond et se solidifie à une température de transition appropriée. A cette température de transition appropriée, le matériau à changement de phase dans le dissipateur de chaleur 8 continue d’absorber la chaleur avec très peu d'augmentation de température jusqu'à ce que tout le matériau à changement de phase fonde ou que la quantité maximale de chaleur produite par le bobinage 4 s’estompe.Thus, the heat sink 8 allows the transfer of heat from the winding 4 to a heat dissipating carcass external to the electrical machine 1. To do this, the heat sink 8 comprising the phase change material is capable of storing large amounts of heat during a phase transition, i.e. melting, of the phase change material. Additionally, the phase change material is configured to melt at a temperature greater than 100°C and is therefore defined as melting temperature greater than 100°C. Phase change material is a material with high heat of fusion, which melts and solidifies at an appropriate transition temperature. At this appropriate transition temperature, the phase change material in the heat sink 8 continues to absorb heat with very little temperature increase until all of the phase change material melts or the quantity maximum heat produced by the winding 4 fades.
Le dissipateur de chaleur 8 permet l’accumulation d’énergie thermique durant certaines phases transitoires où une forte intensité traverse les conducteurs électriques de bobinage 4. L’accumulation d’énergie thermique se fait à température stable, par exemple à la température de fusion du matériau du dissipateur de chaleur 8. En dehors de ces phases transitoires de forte dissipation d’énergie, le matériau du dissipateur de chaleur 8 renvoie de l’énergie thermique notamment vers la carcasse 21 du stator 2 afin d’évacuer cette énergie vers l’extérieur de la machine électrique 1. En étant situé au contact direct des conducteurs électriques de bobinage 4 ou dans leur voisinage immédiat, le transfert thermique des conducteurs électriques de bobinage 4 vers le dissipateur de chaleur 8 se fait avec une inertie thermique plus faible que le transfert thermique de l’ensemble de la machine électrique 1 vers l’extérieur. La présence du dissipateur de chaleur 8 au voisinage immédiat ou en contact avec les conducteurs électriques de bobinage 4 permet de lisser les pics d’émission de chaleur par les conducteurs électriques de bobinage 4 en limitant les risques d’augmentation de température.The heat sink 8 allows the accumulation of thermal energy during certain transient phases where a high intensity passes through the electrical conductors of the winding 4. The accumulation of thermal energy takes place at a stable temperature, for example at the melting temperature of the material of the heat sink 8. Apart from these transient phases of high energy dissipation, the material of the heat sink 8 returns thermal energy in particular towards the carcass 21 of the stator 2 in order to evacuate this energy towards the exterior of the electrical machine 1. By being located in direct contact with the electrical winding conductors 4 or in their immediate vicinity, the thermal transfer of the electrical winding conductors 4 towards the heat sink 8 takes place with a thermal inertia lower than the heat transfer of the entire electrical machine 1 to the outside. The presence of the heat sink 8 in the immediate vicinity or in contact with the electrical winding conductors 4 makes it possible to smooth out the heat emission peaks from the electrical winding conductors 4 while limiting the risks of temperature increase.
A titre d’exemple indicatif, le matériau à changement de phase du dissipateur de chaleur 8 se présente sous la forme de sels ou sous la forme de composés organiques ou eutectiques ou tout matériau permettant de stocker de grandes quantités d’énergie dans le matériau à changement de phase à la température de transition, présentant des températures de changement de phase solide-liquide, adaptées selon les contraintes d'utilisation de la machine électrique, supérieures à une centaine de degrés Celsius, typiquement entre 100 °C et 300°C, tel qu’un matériau habituellement utilisé pour le brasage, comme l’aluminium, le zinc, un matériau à base d’étain ou de plomb à basse température, un sel ou une cire de la famille des paraffines.As an indicative example, the phase change material of the heat sink 8 is in the form of salts or in the form of organic or eutectic compounds or any material making it possible to store large quantities of energy in the material to be stored. phase change at the transition temperature, having solid-liquid phase change temperatures, adapted according to the constraints of use of the electrical machine, greater than a hundred degrees Celsius, typically between 100°C and 300°C, such as a material usually used for brazing, such as aluminum, zinc, a tin or lead-based material at low temperature, a salt or a wax from the paraffin family.
Le dissipateur de chaleur 8 prend la forme d’une couronne circulaire 81 dont le rayon est équivalent à une longueur entre le premier axe A1 de rotation du rotor 3 et un fond 202 de l’encoche statorique 20. Une première portion 82 de la couronne circulaire 81 est ainsi incrustée dans les interstices formant les encoches statoriques 20 alors qu’une deuxième portion 84 de la couronne circulaire 81 est en contact avec les dents 22 juxtaposées selon le premier axe A1 de rotation du rotor 3. La première portion 82 s’étend alors de la première extrémité 24 du stator 2 le long du premier axe A1 de rotation du rotor 3 jusqu’à la deuxième extrémité 26 du stator 2.The heat sink 8 takes the form of a circular ring 81 whose radius is equivalent to a length between the first axis A1 of rotation of the rotor 3 and a bottom 202 of the stator notch 20. A first portion 82 of the ring circular 81 is thus embedded in the interstices forming the stator notches 20 while a second portion 84 of the circular ring 81 is in contact with the teeth 22 juxtaposed along the first axis A1 of rotation of the rotor 3. The first portion 82 is then extends from the first end 24 of the stator 2 along the first axis A1 of rotation of the rotor 3 to the second end 26 of the stator 2.
Comme énoncé précédemment, le dissipateur de chaleur 8 comprend une troisième portion 86 s’étendant radialement par rapport à la couronne circulaire 81 en direction du premier axe A1 de rotation du rotor 3. Plus précisément, la troisième portion 86 du dissipateur de chaleur 8 en matériau à changement de phase s’étend à partir de la première portion 82, à l’intérieur de l’encoche statorique 20, en direction du premier axe A1 de rotation du rotor 3, de manière radiale par rapport à la couronne circulaire 81 et de sorte à être positionnée entre deux bobinages 4 adjacents l’un par rapport à l’autre. Ainsi, chaque troisième portion 86 est positionnée, selon un plan perpendiculaire au premier axe A1 de rotation du rotor 3, comme représenté en
En outre, la troisième portion 86 de matériau à changement de phase du dissipateur de chaleur 8 s’étend en direction du premier axe A1 de rotation du rotor 3 jusqu’à être en contact avec la cale d’encoche 6.In addition, the third portion 86 of phase change material of the heat sink 8 extends in the direction of the first axis A1 of rotation of the rotor 3 until it is in contact with the notch wedge 6.
Le dissipateur de chaleur 8 peut également comprendre une quatrième portion 88 s’étendant à l’intérieur de la cale d’encoche 6 de sorte à augmenter la capacité d’extraction de chaleur du dissipateur de chaleur 8.The heat sink 8 may also include a fourth portion 88 extending inside the notch wedge 6 so as to increase the heat extraction capacity of the heat sink 8.
Selon une variante, la troisième portion 86 en matériau à changement de phase est distante de la cale d’encoche 6.According to a variant, the third portion 86 of phase change material is distant from the notch wedge 6.
Pour maintenir le matériau à changement de phase dans un volume donné, ce dernier peut être mélangé dans une matrice poreuse. Dès lors, le dissipateur de chaleur 8 est une matrice poreuse. Le matériau à changement de phase peut également être encapsulé dans une capsule flexible dont les parois présentent suffisamment de conductivité thermique pour favoriser l’échange de chaleur entre le bobinage 4 et le matériau à changement de phase. Le dissipateur de chaleur 8 est alors une capsule flexible présentant ces caractéristiques thermiques.To maintain the phase change material in a given volume, it can be mixed in a porous matrix. Therefore, the heat sink 8 is a porous matrix. The phase change material can also be encapsulated in a flexible capsule whose walls have sufficient thermal conductivity to promote heat exchange between the winding 4 and the phase change material. The heat sink 8 is then a flexible capsule having these thermal characteristics.
La
Le dissipateur de chaleur 8 permet donc d’emmagasiner l’excès de pertes et donc de calories généré par une éventuelle surcharge momentanée et instantanée en provenance de chaque bobinage 4 et de chaque tête de bobinage 42. Le dissipateur de chaleur 8 évite donc une surélévation des températures au niveau du bobinage 4 et des têtes de bobinage 42 qui peut, en l’absence du dissipateur de chaleur 8, risquer de les détériorer ou de réduire leur durée de vie. La chaleur est ensuite restituée dans les phases de charge normale et/ou de charge partielle.The heat sink 8 therefore makes it possible to store the excess losses and therefore calories generated by a possible momentary and instantaneous overload coming from each winding 4 and each winding head 42. The heat sink 8 therefore avoids an elevation temperatures at the level of the winding 4 and the winding heads 42 which can, in the absence of the heat sink 8, risk damaging them or reducing their lifespan. The heat is then returned in the normal load and/or partial load phases.
De préférence, la deuxième portion 84 de matériau à changement de phase, la troisième portion 86 de matériau à changement de phase et la quatrième portion 88 de matériau à changement de phase décrivent, ensembles, une forme de sorte à encadrer les têtes de bobinage 42 comme une sorte d’anneau.Preferably, the second portion 84 of phase change material, the third portion 86 of phase change material and the fourth portion 88 of phase change material together describe a shape so as to frame the winding heads 42 like a kind of ring.
La
Les éléments conducteurs du bobinage 4 peuvent également être encapsulés dans un matériau isolant diélectrique et conducteur thermique 7 remplissant le premier et le deuxième volume 410 et 430 laissé libre par les éléments conducteurs du bobinage 4.The conductive elements of the winding 4 can also be encapsulated in a dielectric and thermally conductive insulating material 7 filling the first and second volumes 410 and 430 left free by the conductive elements of the winding 4.
Ainsi, comme énoncé précédemment, la première portion 82 du dissipateur de chaleur 8 en matériau à changement de phase est positionnée contre le fond 202 de l’encoche statorique 20. La troisième portion 86 du dissipateur de chaleur 8 en matériau à changement de phase est comprise dans le séparateur de bobine 44 entre le premier bobinage 41 d’éléments conducteurs et le deuxième bobinage 43 d’éléments conducteurs. De cette manière, la troisième portion 86 est au plus proche de la zone de chaleur la plus importante, entre les éléments conducteurs. Enfin, la quatrième portion 88 est disposée dans la cale d’encoche 6, comme représenté en
Le dissipateur de chaleur 8 présente ainsi l’avantage d’emmagasiner de la chaleur provenant des éléments conducteurs des premier et deuxième bobinages 41 et 43, par l’intermédiaire des première, troisième et quatrième portions 82, 86 et 88, notamment lors des phases transitoires et de surcharge. Cet emmagasinage a pour conséquence d’introduire une nouvelle constante de temps d’évolution de la température, plus lente, retardant ainsi l’instant où les éléments conducteurs atteignent la température maximale acceptable et n’induisant pas de dégradation des éléments conducteurs. Si la phase transitoire est suffisamment courte, la température maximale atteinte par les éléments conducteurs du bobinage 4 est alors plus faible. La dégradation des isolants ainsi que des composants dont la durée de vie peut se dégrader avec la température est ainsi évitée.The heat sink 8 thus has the advantage of storing heat coming from the conductive elements of the first and second windings 41 and 43, via the first, third and fourth portions 82, 86 and 88, in particular during the phases transients and overload. This storage has the effect of introducing a new, slower temperature evolution time constant, thus delaying the moment when the conductive elements reach the maximum acceptable temperature and not inducing degradation of the conductive elements. If the transient phase is sufficiently short, the maximum temperature reached by the conductive elements of winding 4 is then lower. The degradation of insulators as well as components whose lifespan can deteriorate with temperature is thus avoided.
Selon une variante représentée en
Il peut également être envisagé, selon une variante représentée en
Une fente 10 peut également être envisagée, selon une variante représentée en
Les figures 5a, 5b et 5c représentent une vue schématique d’une deuxième configuration de bobinage distribué avec une encoche statorique 20’. Dès lors, comme pour la configuration de bobinage concentrique, le volume creux 200’ de l’encoche statorique 20’ est scindé en un premier volume 410’ empli des éléments conducteurs du premier bobinage 41’ et un deuxième volume 430’ empli des éléments conducteurs du deuxième bobinage 43’. Néanmoins, à la différence de la configuration de bobinage concentrique, le volume creux 200’ est scindé selon un axe perpendiculaire au premier axe A1 de rotation du rotor 3 et au deuxième axe A2. Dès lors, le séparateur de bobine 44’, assurant l’isolation électrique entre les éléments conducteurs, est également perpendiculaire au premier axe A1 de rotation du rotor 3 et au deuxième axe A2. Comme pour le bobinage concentrique, le premier bobinage 41’ et le deuxième bobinage 43’ sont isolés du rotor 3 par l’intermédiaire de la cale d’encoche 6’.Figures 5a, 5b and 5c represent a schematic view of a second distributed winding configuration with a 20’ stator slot. Therefore, as for the concentric winding configuration, the hollow volume 200' of the stator notch 20' is split into a first volume 410' filled with the conductive elements of the first winding 41' and a second volume 430' filled with the conductive elements of the second winding 43'. However, unlike the concentric winding configuration, the hollow volume 200' is split along an axis perpendicular to the first axis A1 of rotation of the rotor 3 and to the second axis A2. Therefore, the coil separator 44', ensuring electrical insulation between the conductive elements, is also perpendicular to the first axis A1 of rotation of the rotor 3 and to the second axis A2. As with the concentric winding, the first winding 41' and the second winding 43' are isolated from the rotor 3 via the notch block 6'.
Ainsi, la
Selon une variante de la configuration de bobinage distribué, représenté en
Selon une autre variante de la configuration de bobinage distribué, représenté en
En outre, les têtes de bobinage 42 des éléments conducteurs peuvent également être encapsulées dans le matériau isolant diélectrique et conducteur thermique 7, comme représenté en
De plus, la machine électrique 1 peut comprendre une couronne thermique 12 en contact avec le stator 2. La couronne thermique 12 comprend des ailettes de refroidissement 120 qui s’étendent radialement par rapport au premier axe A1 de rotation du rotor 3.In addition, the electric machine 1 may comprise a thermal ring 12 in contact with the stator 2. The thermal ring 12 comprises cooling fins 120 which extend radially relative to the first axis A1 of rotation of the rotor 3.
Ainsi, la chaleur captée par le dissipateur de chaleur 8 en provenance du bobinage 4 et des éléments conducteurs est transmise à la couronne thermique 12 de sorte à être évacuer par convection avec un flux balayant les ailettes de refroidissement 120.Thus, the heat captured by the heat sink 8 coming from the winding 4 and the conductive elements is transmitted to the thermal ring 12 so as to be evacuated by convection with a flow sweeping the cooling fins 120.
L’invention propose donc un dissipateur de chaleur utilisant un matériau à changement de phase permettant d’atténuer la température au niveau du bobinage et des éléments conducteurs et de retarder la montée en température lors des phases de surcharge introduit au sein même de l’encoche statorique, dans le séparateur de bobine, dans la cale de l’encoche ou encore dans l’isthme de sorte à être au voisinage de la source de chaleur émettrice, à savoir le bobinage même.The invention therefore proposes a heat sink using a phase change material making it possible to attenuate the temperature at the level of the winding and the conductive elements and to delay the rise in temperature during overload phases introduced within the notch itself. stator, in the coil separator, in the wedge of the notch or even in the isthmus so as to be in the vicinity of the emitting heat source, namely the winding itself.
Afin d’assurer l’emplacement du dissipateur de chaleur, le volume de l’encoche peut éventuellement être adaptée sans pour autant dégrader significativement l’encombrement et la masse résultante de la machine électrique tournante.In order to ensure the location of the heat sink, the volume of the notch can possibly be adapted without significantly degrading the size and resulting mass of the rotating electrical machine.
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2021
- 2021-12-28 FR FR2114588A patent/FR3131477B1/en active Active
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