Bibliographie & annexes
Présentation
En anglais
RÉSUMÉ
La conception d’une machine électrique tournante doit prendre en compte, au-delà des attentes électriques, la satisfaction des contraintes thermiques. Cela revient à vérifier que l’échauffement autorisé reste en adéquation avec le dimensionnement retenu du système. Les voies d’évacuation doivent être déterminées, et chaque mode de transfert impliqué dans les flux de chaleur évalué. Cet article vient illustrer l’application de ces principes en présentant de nombreux exemples de résultats d’analyse thermique de machines ouvertes et fermées, issus de modélisations numériques tridimensionnelles, mais confrontés à des essais expérimentaux.
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Auteur(s)
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Yves BERTIN : Maître de conférences - Laboratoire d’Études Thermiques (LET) - École Nationale Supérieure de Mécanique et d’Aérotechnique (ENSMA) de Poitiers
INTRODUCTION
La conception des machines électriques tournantes doit assurer que le dimensionnement effectué, en considérant des objectifs électriques, satisfait également aux contraintes thermiques. Il s’agit d’effectuer le calcul du champ détaillé des températures afin de vérifier son adéquation avec l’échauffement autorisé [1]. Celui-ci est, en particulier, régi par l’isolant de bobinage qualifié par sa classe [4]. Il est indispensable également de déterminer et de classer précisément les voies d’évacuation de la chaleur et de mesurer le rôle respectif de chacun des modes de transfert dans la gestion des flux de chaleur évacués.
Le dossier effectue un large inventaire des lois générales, des corrélations de convection adaptées et fournit quelques données thermophysiques concernant les matériaux et les fluides usuels rencontrés dans ce contexte.
Afin d’illustrer concrètement l’application de ces informations, le lecteur trouvera ici des exemples de résultats d’études thermiques de machines électriques ouvertes et fermées typiques dont les comportements sont, du point de vue thermique, radicalement différents. Ces résultats sont issus de modélisations numériques tridimensionnelles validées par confrontation avec des essais expérimentaux dédiés, effectués sur des machines finement instrumentées [10] [12] [13]. Les machines électriques sur lesquelles s’appuient les analyses présentées sont deux moteurs asynchrones à rotor à cage, l’un ouvert à ventilation axiale et l’autre fermé refroidi par une ventilation externe. Ces moteurs couvrent un nombre important de structures de moteur et leur champ d’application est vaste. Les conclusions tirées de ces analyses peuvent être relativement facilement transposables.
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Présentation
Comportement thermique d’une machine fermée
En anglais
2. Comportement thermique d’une machine ouverte
2.1 Présentation de la machine et de ses caractéristiques
La première machine électrique abordée est un moteur asynchrone à ventilation axiale. Ces moteurs couvrent un nombre important de structure de moteur et leur champ d’application est vaste. Celui retenu pour ce dossier est de technologie classique (voir dossier [figure 3], de taille moyenne, équipé d’un rotor à cage et pouvant fournir une puissance mécanique de 132 kW pour une vitesse de rotation proche de 1 500 tr × min –1. Les spécifications de ses performances obéissent à des normes internationales . Seul un fonctionnement en régime stabilisé est appréhendé. Le stator (figures 1 et 2) est formé d’un empilage de tôles vernies dont les encoches découpées abritent le bobinage triphasé. Les fils de cuivre de ce bobinage sont assemblés aux extrémités du stator pour former les chignons encore appelés têtes de bobine. Le rotor (figures 1 et 2) est également formé d’un empilage de tôles dont les encoches contiennent une cage formée de barres nues (non isolées) en aluminium, court-circuitées par deux anneaux eux-mêmes pourvues d’ailettes.
Le stator est monté dans un carter en aluminium. À l’interface de ces deux éléments, des canaux axiaux sont présents pour assurer la circulation d’air nécessaire au refroidissement. Le nombre et les dimensions de ces canaux sont très variables d’une machine ouverte à une autre. Pour l’exemple traité, la moitié de la surface périphérique du stator est baigné par l’air qui circule dans cette zone. Entre les deux organes principaux du moteur existe un espace annulaire très étroit ( e = 0,65 mm), l’entrefer, qui permet également une circulation d’air sous un débit faible, mais a priori idéalement situé. Par ailleurs et comme la plupart des machines de moyenne et de forte puissance, le rotor est également pourvu de canaux de refroidissement. Ici, il s’agit de 20 canaux axiaux de section cylindrique excentrés de l’axe de rotation de ce moteur. Le débit d’air est assuré par un ventilateur monté en bout d’arbre. Après son passage dans les canaux de la machine, l’air guidé par un capot extérieur...
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Comportement thermique d’une machine ouverte
BIBLIOGRAPHIE
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
-
Petits moteurs électriques
-
Machines électriques tournantes. Simulation du comportement thermique
-
Mémento des pertes de charge
-
Heat transfer and fluid flow data book...
ANNEXES
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