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FR3071113A1 - Systeme de refroidissement pour machine electrique refroidie a l huile - Google Patents

Systeme de refroidissement pour machine electrique refroidie a l huile Download PDF

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Renault SAS
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Abstract

L'invention concerne un système de refroidissement pour machine électrique, comportant un circuit de refroidissement apte à mettre en contact un liquide de refroidissement avec des parties actives de ladite machine électrique, un réservoir (OT) apte à recevoir en aval desdites parties actives ledit liquide de refroidissement, et une pompe apte à réinjecter ledit liquide de refroidissement dans ledit circuit de refroidissement, les parois dudit réservoir (OT) comportant une couche d'isolation thermique (CIT) et le liquide de refroidissement contenu dans ledit réservoir (OT) étant en contact thermique avec un matériau à changement de phase.

Description

Système de refroidissement pour machine électrique refroidie à l’huile
La présente invention se rapporte de manière générale aux domaines de l’électrotechnique et de l’automobile, et concerne plus précisément un système de refroidissement pour machine électrique utilisant un liquide de refroidissement diélectrique de type huile.
Les machines électriques utilisées dans les véhicules électriques ou hybrides pour la traction/propulsion étant traversées par des courants importants, elles nécessitent un système de refroidissement performant. Notamment le refroidissement des parties actives d’une telle machine par injection d’un liquide de refroidissement diélectrique tel que de l’huile, est envisageable pour refroidir de telles machines à très forte densité de puissance.
Or lorsqu’un véhicule électrique doté d’un système de refroidissement à injection d’huile sur les parties actives de son moteur électrique est en phase de démarrage, l’huile refroidissant ces parties actives n’a pas eu le temps de s’échauffer. Comme à basse température l’huile présente une grande viscosité, pour pouvoir refroidir efficacement le moteur, la pression d’injection de l’huile sur les parties actives doit être plus importante que la pression d’injection de l’huile sur les parties actives lorsque le véhicule roule depuis un certain temps. Il faut donc sur-dimensionner le circuit de refroidissement par rapport aux besoins du moteur électrique en régime nominal, pour tenir compte des phases de démarrage. De plus, le couple résistif de l’huile à basse température en contact avec les parties tournantes du moteur engendre des pertes d’énergie qui expliquent un faible rendement pour les véhicules dotés d’un tel système de refroidissement en phase de démarrage.
Le document DE102011050164 propose de réduire le volume d’huile refroidissant les parties actives au démarrage par rapport au volume d’huile utilisé en régime nominal, ce qui permet à l’huile de refroidissement de s’échauffer plus vite. Cependant cette solution nécessite un système de refroidissement complexe comportant une valve de régulation du débit d’huile.
D’autres solutions mutualisent l’huile utilisée pour lubrifier le réducteur d’un véhicule et l’huile de refroidissement du moteur électrique du véhicule. Cette solution permet, grâce au passage de l’huile dans le réducteur, de préchauffer l’huile avant son passage dans le moteur électrique. Cependant dans ces solutions, l’huile provenant du réducteur comporte des débris émanant des engrenages et des pignons du réducteur. Ces débris peuvent nuire aux isolants des bobinages du moteur électrique lorsque l’huile transportant ces débris est utilisée pour refroidir les parties actives du moteur électrique. C’est le cas du document JP2015074325 qui propose également d’isoler le carter d’huile par de la laine de verre ou un dérivé phénolique. Cependant cette solution n’étant pas suffisante pour préchauffer l’huile au démarrage, un réchauffeur thermo-contrôlé est nécessaire, ce qui nécessite l’insertion d’un composant électrique dans le réservoir.
Un des buts de l'invention est de remédier à au moins une partie des inconvénients de la technique antérieure en fournissant un système de refroidissement pour moteur électrique de traction ou de propulsion d’un véhicule électrique ou hybride, qui présente un rendement amélioré au démarrage du moteur électrique, sans nécessiter de composant supplémentaire nécessitant un contrôle électronique ni utiliser une huile en provenance du réducteur du véhicule.
A cette fin, l'invention propose un système de refroidissement pour machine électrique, comportant un circuit de refroidissement apte à mettre en contact un liquide de refroidissement avec des parties actives de ladite machine électrique, un réservoir apte à recevoir en aval desdites parties actives ledit liquide de refroidissement, et une pompe apte à réinjecter ledit liquide de refroidissement dans ledit circuit de refroidissement, ledit système de refroidissement étant caractérisé en ce que des parois dudit réservoir comportent une couche d’isolation thermique et en ce que le liquide de refroidissement contenu dans ledit réservoir est en contact thermique avec un matériau à changement de phase.
Les matériaux à changement de phase sont capables de stocker et de libérer de grandes quantités de chaleur. Ainsi en étant dans le réservoir lorsque le liquide de refroidissement ayant été en contact avec les parties actives de la machine a absorbé une grande quantité de la chaleur, ils augmentent leur température jusqu’à une température cible définie par le système de refroidissement de la machine électrique. Ils gardent cette température pour une durée de temps dépendant du matériau utilisé et du volume du matériau à changement de phase. Le choix du matériau à changement de phase utilisé dépend de la température de fusion souhaitée, qui sera choisie dans la plage de température de la machine électrique en fonctionnement nominal, et des caractéristiques thermo-physiques du matériau.
Grâce à l’invention, la transition de chaleur du liquide de refroidissement présent dans le réservoir vers l’air ambiant est grandement limitée. Ainsi à l’arrêt du véhicule implémentant l’invention, l’énergie du liquide est stockée dans le réservoir. Au redémarrage du véhicule, la machine électrique bénéficiera donc d’un liquide de refroidissement déjà chaud. De préférence la couche de matériau isolant est ajoutée sur les surfaces internes du réservoir.
Selon une caractéristique avantageuse du système selon l’invention, ladite couche d’isolation thermique est en matériau nano-poreux à conductivité thermique inférieure à 0.025W.m’1.K’1 (Watt /mètre/Kelvin). Il est en effet avantageux d’utiliser un matériau à très faible conductivité thermique tel qu’un matériau nano-poreux dont la conductivité thermique est comprise entre 0,005 W.m-1.K-1 et 0.025W.m-1.K-1.
Selon une autre caractéristique avantageuse, ladite couche d’isolation thermique est disposée entre une paroi externe dudit réservoir et une paroi interne dudit réservoir. Cette configuration du réservoir permet de garder une bonne rigidité grâce à un choix approprié de matériau pour la paroi externe, et une surface étanche sur la paroi interne du réservoir qui est choisie dans un autre matériau que la couche isolante.
Avantageusement, ledit matériau à changement de phase est contenu dans au moins une capsule dotée d’une armature présentant des concavités aptes à laisser un passage pour le liquide de refroidissement entre ladite capsule et un orifice d’entrée ou de sortie ménagé dans ledit réservoir. Ce conditionnement du matériau à changement de phase permet de ne pas boucher les entrées et sorties du réservoir d’huile.
Préférentiellement, ledit matériau à changement de phase est encapsulé dans une sphère cerclée de deux bagues orthogonales entre elles.
L’invention concerne aussi un véhicule électrique ou hybride comportant un moteur de traction électrique et un système de refroidissement dudit moteur selon l’invention.
D'autres caractéristiques et avantages apparaîtront à la lecture d’un mode de réalisation préféré décrit en référence aux figures dans lesquelles :
- la figure 1 représente un système de refroidissement selon l'invention, dans ce mode de réalisation préféré,
- la figure 2 représente un réservoir de liquide de refroidissement de l’art antérieur,
- la figure 3 représente un réservoir de liquide de refroidissement dans le système de refroidissement selon l'invention, dans ce mode de réalisation préféré,
- la figure 4 est une vue en coupe selon un axe A-A du réservoir de liquide de refroidissement de la figure 3,
- et la figure 5 représente une capsule pour matériau à changement de phase utilisée dans le système de refroidissement selon l’invention, dans ce mode préféré de réalisation.
Selon un mode préféré de réalisation de l'invention représenté à la figure 1, le système S de refroidissement selon l’invention est apte à refroidir une machine électrique de traction ME représentée en coupe d’un véhicule électrique ou hybride, cette machine électrique ME comportant notamment :
- un stator STA constitué principalement d’un empilement de tôles magnétiques et de bobinages en cuivre insérés dans des encoches de l’empilement de tôles,
- un rotor ROT constitué principalement dans ce mode de réalisation de l’invention, d’un empilement de tôles magnétiques formant des pôles magnétiques saillants, et de bobinages en cuivre bobinés autour de ces pôles magnétiques,
- et un arbre rotor fixé d’une part au rotor ROT et d’autre part à un carter CA de la machine électrique par l’intermédiaire de roulements RO.
Un système de refroidissement à l’huile selon l’invention est utilisé pour refroidir les parties actives de la machine électrique ME, que sont le rotor ROT et le stator STA. Pour cela, le système de refroidissement comporte notamment :
- un circuit de refroidissement OC permettant de mettre en contact de l’huile avec les parties actives de la machine électrique ME ;
- un réservoir d’huile OT qui collecte l’huile ayant refroidi les parties actives de la machine électrique ME et descendue par gravité dans le réservoir d’huile OT situé en bas de la machine électrique ME ;
- une pompe OP qui réinjecte l’huile contenue dans le réservoir d’huile OT dans le circuit de refroidissement OC pour amener l’huile en amont des parties actives de la machine électrique ME.
Plus précisément, le circuit de refroidissement OC amène l’huile jusqu’à des injecteurs situés de chaque côté de la machine électrique ME face aux têtes de bobine du rotor ROT. Le circuit de refroidissement OC amène l’huile également jusqu’à un injecteur situé en périphérie du stator STA et en hauteur par rapport à celui-ci, de manière à ce que l’huile injectée s’étale par gravité tout autour de l’empilement de tôle du stator STA. D’autres injecteurs situés au niveau des roulements RO injectent l’huile de refroidissement du circuit de refroidissement OC sur les roulements RO pour les lubrifier.
Dans l’art antérieur, le réservoir d’huile dans un système de refroidissement à l’huile se présente généralement sous la forme d’un bac en métal comme représenté sur la figure 2. Ce réservoir reçoit l’huile de refroidissement descendue par gravité au niveau de sa partie supérieure ouverte ainsi qu’au niveau d’un orifice d’entrée OE. L’huile ressort du réservoir par un orifice de sortie OS. Un tel réservoir ne permet pas de maintenir la chaleur de l’huile absorbée pendant le fonctionnement de la machine électrique qu’il refroidit. Par conséquent dans l’art antérieur, on cherche à préchauffer l’huile avant ou pendant le démarrage de la machine électrique.
En référence à la figure 3, le réservoir OT du système de refroidissement de la machine électrique ME selon l’invention présente non seulement une paroi externe PE en métal, notamment en aluminium, mais également une couche d’isolation thermique CIT disposée entre la paroi externe PE du réservoir OT, et une paroi interne PI du réservoir OT, également en métal, ici en aluminium. La couche d’isolation thermique CIT est constituée d’un matériau très léger d’isolation thermique, ou d’un matériau nano-poreux à conductivité thermique très faible, de l’ordre de 0,005 W.m-1.K-1 à 0,025 W.nT1.K’1.
De préférence ce revêtement isolant thermique recouvre tout l’intérieur de réservoir OT à l’exception des orifices d’entrée OE et de sortie OS du réservoir OT. La figure 4 montrant en coupe le réservoir OT selon l’axe A-A présente une variante de réalisation dans laquelle le revêtement isolant thermique n’est disposé que sur les parois latérales du réservoir OT.
Le réservoir d’huile OT contient l’huile ayant refroidi les parties actives de la machine électrique ME, mais aussi également une ou plusieurs poches ou sacs remplis d’un matériau à changement de phase, tel que l’acétate de sodium.
Ces poches sont d’une matière conductrice thermiquement, par exemple en aluminium, et sont conçues pour éviter le contact direct entre le matériau à changement de phase et l’huile. De plus, afin d’éviter qu’elles bouchent les orifices d’entrée OE et de sortie OS du réservoir OT, et qu’elles bloquent le circuit de refroidissement, leurs enveloppes doivent être plus larges que ces orifices OE et OS et présenter des concavités laissant passer l’huile entre les poches et ces orifices OE et OS.
La figure 5 présente un exemple d’une telle poche. Elle est formée d’une capsule CAP sphérique comportant le matériau à changement de phase, cette capsule CAP étant cerclée de deux bagues circulaires B1 et B2 disposées orthogonalement entre elles. La capsule est par exemple faite d’aluminium, et les bagues sont également en aluminium. Dans ce mode de réalisation préféré de l’invention, les bagues B1 et B2 forment une armature superposée à la capsule CAP, mais en variante cette armature est intégrée à la capsule CAP, c’est-à-dire moulée en même temps que la capsule CAP.
Ainsi lorsque la machine électrique fonctionne, la chaleur absorbée par l’huile de refroidissement au contact des parties actives de la machine est transmise au matériau à changement de phase. Les capsules comportant ce matériau à changement de phase stockent cette chaleur et la restituent à l’huile progressivement lorsque la machine électrique est à l’arrêt. Ainsi lors d’un prochain démarrage de la machine après une durée d’arrêt d’une nuit, l’huile de refroidissement sera à une température chaude permettant à la machine électrique de fonctionner avec un bon rendement.
D’autres modes de réalisation de l’invention sont bien entendu envisageables, notamment un autre liquide de refroidissement diélectrique que l’huile est utilisable pour refroidir la machine électrique. De plus le système de refroidissement selon l’invention n’utilise pas nécessairement des injecteurs, l’invention s’appliquant également par exemple à un système de refroidissement utilisant un rotor creux propulsant de l’huile lors de sa rotation. Dans un autre mode de réalisation de l’invention, la disposition de la couche d’isolation thermique est différente, par exemple elle recouvre extérieurement les parois du réservoir d’huile.

Claims (6)

  1. REVENDICATIONS
    1. Système (S) de refroidissement pour machine électrique (ME), comportant un circuit de refroidissement (OC) apte à mettre en contact un liquide de refroidissement avec des parties actives de ladite machine électrique (ME), un réservoir (OT) apte à recevoir en aval desdites parties actives ledit liquide de refroidissement, et une pompe (OP) apte à réinjecter ledit liquide de refroidissement dans ledit circuit de refroidissement (OC), ledit système (S) de refroidissement étant caractérisé en ce que des parois dudit réservoir (OT) comportent une couche d’isolation thermique (CIT), et en ce que le liquide de refroidissement contenu dans ledit réservoir (OT) est en contact thermique avec un matériau à changement de phase.
  2. 2. Système (S) de refroidissement selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite couche d’isolation thermique (CIT) est en matériau nano-poreux à conductivité thermique inférieure à 0.025W.m’1.K’1.
  3. 3. Système (S) de refroidissement selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que ladite couche d’isolation thermique (CIT) est disposée entre une paroi externe (PE) dudit réservoir (OT) et une paroi interne (PI) dudit réservoir (OT).
  4. 4. Système (S) de refroidissement selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ledit matériau à changement de phase est contenu dans au moins une capsule (CAP) dotée d’une armature présentant des concavités aptes à laisser un passage pour le liquide de refroidissement entre ladite capsule (CAP) et un orifice d’entrée (OE) ou de sortie (OS) ménagé dans ledit réservoir (OT).
  5. 5. Système (S) de refroidissement selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que ledit matériau à changement de phase est encapsulé dans une sphère (CAP) cerclée de deux bagues (B1, B2) orthogonales entre elles.
  6. 6. Véhicule électrique ou hybride comportant un moteur de traction électrique et
    5 un système (S) de refroidissement dudit moteur selon l’une quelconque des revendications 1 à 5.
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