Academic literature on the topic 'Moteurs électriques – Refroidissement'

Le moteur électrique est l’un des organes principaux d’un véhicule électrique. Sa température, notamment celle des bobines, doit être réduite pour éviter toute dégradation. Le refroidissement par l’extérieur, comme avec une chemise d’eau dans le carter, apparait limité car les pertes générées dans les bobines doivent traverser des zones où la conduction thermique est très mauvaise. L’extraction des calories au cœur de la machine est préférable, mais les échanges thermiques avec l’air sont modérés. En application automobile, le moteur électrique est situé à proximité d’un circuit d’huile de lubrification. Le refroidissement par l'huile en contact direct avec les bobines est étudié.La thèse s’est d’abord attachée à la recherche bibliographique étendue sur les différentes solutions de refroidissement de moteur. Ensuite, les transferts thermiques à l’intérieur du moteur ont été modélisés par méthode nodale. A travers une étude de sensibilité, les principales améliorations thermiques passives ont été dégagées, puis les systèmes de refroidissement eux-mêmes ont été modélisés. Enfin, des essais ont été réalisés sur un banc spécialement conçu. Pour cette partie expérimentale, le refroidissement direct des bobines par circulation d’huile a été étudié en détail. Différents types d’injecteurs d’huile sur les têtes de bobine ont été testés dans diverses conditions de vitesse du rotor, température et débit d’huile.L’objectif de cette thèse est d’analyser l’ensemble des problématiques thermiques liées aux solutions de refroidissement à huile. Il s’agit d’une étude comparative de la performance des solutions à huile entre elles et avec celle d’un refroidissement à eau plus conventionnel
Electric motor is one of the most important elements of an electric vehicle. Some elements, particularly the windings, can be affected by rising heat. External cooling, as water jacket in the case, appears to be limited because the losses generated in windings must pass through zones where conduction is very poor. Cooling in the core of the machine is preferable, but heat transfer with air is poor. Due to the presence of lubricating oil in the vicinity of the motor and the heat transfer enhancement that such a liquid provides, oil circulation on the windings has been considered.The research was first dedicated to an extensive bibliography on the different solutions of motor cooling. Then heat transfer within the motor was modelled by using the lumped system analysis. Thanks to a sensitivity analysis, the main parameters affecting temperature have been identified before cooling systems were modelled. Finally, tests were performed on a specially designed bench. Oil was introduced at each side of the machine to directly cool the stator coil end-windings. Several oil injection patterns were tested. The influence of the oil flow rate, rotation speed and oil temperature has been investigated.The objective of this PHD study is to analyse all the thermal issues related to the oil cooling systems. This is a comparative study of the performance of the oil cooling solutions. Comparison is also done with conventional water cooling

Cette thèse s’intéresse au comportement thermique en régime permanent d’un moteur électrique destiné à la propulsion navale. Une modélisation tridimensionnelle de type nodal a été développée et a débouché sur la construction d’un outil numérique de prévision du comportement thermique du moteur. Compte tenu de l’intérêt qu’offre la région d’air de l’intérieur du rotor creux pour le refroidissement de la machine étudiée, une attention particulière est consacrée à l’identification expérimentale du coefficient d’échange au niveau de la paroi interne du rotor. Pour cela nous avons conçu un banc d’essais et développé une procédure pour identifier ce coefficient d’échange. Les résultats ont permis de mettre en évidence les domaines d’influence de l’écoulement axial et de la rotation du cylindre. Au terme de cette étude des corrélations adimensionnelles reliant le taux de transfert convectif aux paramètres aérodynamiques ont pu être proposées. Une étude paramétrique réalisée à l’aide de l’outil numérique a permis d’une part, d’évaluer l’influence de différents facteurs sur la distribution des températures, et d’autre part de dégager les premières voies d’optimisation thermique et de mise en place de techniques de refroidissement efficaces
This thesis deals with the thermal behavior of an electric machine with permanent magnets and used for naval propulsion. A permanent three-dimensional model based on a nodal approach was developed to predict the thermal behavior of the machine in steady state. Due to the wide interest that the air region of the interior of the hollow rotor offers to cool down the machine, particular attention is carried out to the experimental identification of the heat exchange coefficient of the inner rotor surface. For this purpose, we designed a specific experimental setup and developed a procedure to identify this exchange coefficient. The results show the existence of domains where the axial flow and the rotation of the cylinder are influent. At the end of the study, dimensionless correlations connecting the heat transfer rate to the aerodynamic parameters are proposed. A parametric study using this model is carried out aiming at two objectives. The first one consists in an evaluation of the influence of several physical quantities on the temperature field. The second one aims at obtaining the inception of the thermal optimization and evaluating the most efficient cooling techniques or solutions

Les machines tournantes répondent non seulement à des objectifs électriques mais également à des contraintes thermiques. Il s'agit, en effet, de respecter un échauffement autorisé. Un ventilateur monté en bout d’arbre assure ainsi un écoulement de refroidissement. L'air emprunte trois circuits principaux : les canaux statoriques, les canaux rotoriques et l'entrefer. Le travail contribue ici à l'étude des échanges convectifs dans l’entrefer et les canaux statoriques. Il s'inscrit dans l'investigation de l'entreprise Leroy Somer pour l'optimisation du refroidissement des alternateurs électriques. Un dispositif expérimental a été réalisé, il permet de confronter des mesures à des résultats numériques dans une configuration d'entrefer d'alternateur. Comparé au cas lisse, l'originalité vient de la géométrie du rotor avec ses quatre canaux inter-polaires. La thermographie infrarouge est utilisée afin de déterminer les coefficients d'échange convectif au rotor et au stator. Au rotor, les résultats expérimentaux montrent un comportement convectif proche d'une configuration d'entrefer lisse. Une étonnante décroissance des coefficients apparaît cependant pour des grandes vitesses de rotation. La présence d'une structure hélicoïdale dans les canaux inter-polaires intensifie les échanges sur leurs parois. Les transferts au stator semblent améliorés par un effet centrifuge engendré par la rotation des canaux inter-polaires. Que ce soit pour le rotor ou le stator, l'entrée de l'entrefer est favorisée pour les transferts convectifs. Les simulations ont une tendance générale à sous-estimer les échanges convectifs au rotor et à les surestimer au niveau du stator. En complément, une analyse paramétrique numérique a été menée afin d'évaluer le potentiel d'amélioration de la performance des canaux statoriques dotés de perturbateurs
Rotating machinery must respect both electrical aims and thermal constraints. They are to be in agreement with a limit temperature level. Therefore, a blower provides a cooling air flow. There are three main flow ways: statoric ducts, rotoric ducts and air-gap. The work deals with the convective heat transfer study of air-gap and statoric ducts. It is part of the Leroy Somer company researches on electric generator cooling efficiency. A tests bench was developed to perform comparison between experimental results and numerical results on an alternator air-gap case. Our air-gap case originality, compared with a smooth one, comes with the particular rotor geometry and its four inter-polar gaps. Infrared thermography is used to provide convective heat transfer coefficients on rotor and stator. The rotor experimental results show a behaviour close to a smooth air-gap one. However, it is surprising to obtain a convective heat transfer coefficient decreasing when the rotor speed becomes greater. Moreover, an helical structure development in inter-polar gaps intensifies convective heat transfers. Stator heat transfers seem improved thanks to a centrifugal effect provided by the «ducts-between-poles» rotation. The air-gap entrance is the best convective heat transfer zone for both rotor and stator walls. The numerical results have a general tendency to underestimate convective heat transfer coefficients on rotor and to overestimate them on stator. To supplement the study, a parametric analysis is carried out to assess the efficiency improvement capacity of statoric ducts with ribs

Le travail présenté dans ce mémoire concerne la modélisation thermique de moteurs électriques de forte densité de puissance. Le but est de trouver les techniques de refroidissement efficaces et adaptées aux moteurs conçus pour application à la propulsion de l’avion hybride du futur. Deux cibles de densité de puissance, 5 kW/kg pour le court terme (année 2025) et 10 kW/kg pour le long terme (année 2035), sont abordées avec leurs propres exigences. Les moteurs électriques étudiés sont de type synchrone à aimants permanents montés en surface du rotor. Ce type de moteur est caractérisé par un rendement élevé et contraint par les températures maximales admissibles relativement faibles de son bobinage et de ses aimants. Une fois atteintes, ces valeurs de température entraînent le dysfonctionnement du moteur ou la limitation de sa durée de vie. En outre, avec un design fermé imposé et des densités élevées de flux de chaleur dissipées dans la machine, une optimisation du refroidissement est incontournable.Pour se familiariser avec le problème, un état de l’art détaillé sur le refroidissement des machines électriques est réalisé. En conséquence, les différentes techniques utilisées et les avancements technologiques récents sont analysés vis-à-vis de notre cas d’application. Ensuite, afin de prédire le comportement thermique du moteur et d’assurer le suivi des températures critiques (surtout au bobinage et aux aimants), un modèle nodal transitoire est mis en place et résolu sous Matlab. Ce dernier est construit en considérant l’intégralité du système moteur avec son circuit de refroidissement. Les conditions externes liées à l’environnement sont prises en compte, en particulier la variation de la température d’air extérieur en fonction de l’altitude et le profil de mission de vol de l’avion. En effet, les pertes dans le moteur, qui constituent les sources de chaleur, varient en fonction de la puissance pendant le vol. Afin d’identifier précisément les paramètres intrinsèques du modèle, une étude par éléments finis a été menée et des corrélations permettant l’estimation de la conductivité thermique du bobinage en sont déduites par interpolation polynomiale. Plusieurs études ont ensuite été menées concernant l’influence des propriétés thermophysiques, de la température extérieure, de la nature du liquide de refroidissement, de son débit ainsi que la surface extérieure de l’échangeur sur les réponses en température du modèle. Plusieurs designs du moteur sont étudiés grâce à ce modèle afin de proposer des solutions de refroidissement adaptées. Pour chacune des cibles, une configuration optimale du moteur avec son système de refroidissement a été adoptée.Par ailleurs, les pertes électromagnétiques et mécaniques étant difficiles à estimer dans ces machines, un chapitre est consacré à leur identification par résolution d’un problème inverse. La technique est séquentielle et utilise la spécification de fonction de Beck comme méthode de régularisation. Trois cas, de complexité croissante, sont étudiés et montrent la fiabilité de la méthode qui permet également d’estimer les températures inaccessibles dans le moteur. C’est finalement ce modèle nodal à faible nombre de degré de liberté qui nous permet d’assurer, en temps réel, le suivi des points chauds
The concern of this thesis is the thermal modeling of high-specific power electric motors. The aim is to allow finding the efficient and adequate cooling solutions of the motors designed for hybrid aircraft propulsion application. Two specific power values, 5 kW/kg for the short-term (year 2025) and 10 kW/kg for the long-term (year 2035), are targeted, each with specific requirements. The investigated type of electric motors is the synchronous machine with surface-mounted permanent magnets. This motor type is constrained by relatively low values of maximum allowed temperatures in windings and magnets. Once reached, these temperature values lead to a failure in motor operation or at least to shortening its lifetime. Moreover, with a closed motor design and high heat fluxes generated, the optimization of the cooling is essential.To become acquainted with the issue, a detailed state of the art on electric machine cooling is elaborated. Then, the commonly used techniques and the recent technological advancements are analyzed with respect to our case study. Afterward, in order to predict motor thermal behavior and ensure the monitoring of critical temperatures (windings and magnets), a nodal transient model is implemented and solved on Matlab software. This latter is built for the whole system of the motor and cooling circuit. Specific conditions of the flight are taken into account, particularly the outside air temperature variation in terms of altitude and the flight mission profile. Actually, the motor losses, generating the heat in the machine, vary depending on the motor power during the mission. For the identification of crucial parameters, a Finite-Element study was conducted and corresponding correlations were elaborated to estimate the windings thermal conductivity through polynomial interpolation.Several studies were carried out involving the influence of the thermo-physical properties, the outside temperature, the coolant nature, its flow rate as well as the exchanger surface, on the temperature response of the model. This model has allowed studying several motor designs and proposing adequate cooling solutions. For each target, a final optimal configuration of the motor with its cooling system was adopted.Besides, since the electromagnetic and mechanical losses are hardly estimated in this machine type, a chapter was dedicated to identifying them through an inverse approach. A sequential technique, that uses Beck’s function specification for regularization, was developed. Three cases of unknown losses, with increasing complexity, were studied, proving the method's reliability. Finally, using the same developed low-order model, the real-time procedure also allows monitoring low-accessibility motor temperatures (specifically hot spots)

Afin de réduire les émissions de polluants et de CO2 les constructeurs automobiles se tournent de plus en plus versdes solutions de chaîne de traction électrifiées. Cette électrification des véhicules augmente la complexité des systèmes à concevoir. Les outils MBSE basés sur une approche système peuvent être utilisés pour gérer cette complexité grandissante. Une optimisation globale nécessite de s’intéresser aux trois niveaux de conception suivants : architecture, composant et contrôle. L’objectif de cette thèse est de développer une méthode d’optimisation globale pour la conception de systèmes de refroidissement pour véhicules hybrides. A partir d’un jeu de composants et d’exigences systèmes à satisfaire, la méthode commence par générer automatiquement toutes les solutions possibles. La génération d’architectures est basée sur un concept d’arbre de décision. Chaque solution est ensuite optimisée d’un point de vue énergétique sous des contraintes hydrauliques, thermiques et d’intégration. Enfin, une optimisation multicritère permetd’aider les ingénieurs à prendre des décisions sur les choix de solution en phase amont de projet. L’application de la méthode globale d’optimisation de circuit de refroidissement pour véhicule HEV sur un projet existant chez Renault a montré que le système est porté par ses exigences. Une modification des exigences système est susceptible de modifier la solution d’architecture système optimale par rapport au cahier des charges
To reduce CO2 and pollutant emissions, automotive manufacturers tend to turn increasingly towards electrified powertrains solutions, such as Hybrid Vehicles (HEV). Model Based System engineering (MBSE) and computational tools are useful to support the development of HEV systems. Global optimization needs to investigate the following system design level: architecture, component and control. The aim of this thesis is to develop a global optimization framework to design cooling system for hybrid vehicles. The methodology starts from a set of component and system requirements to automatically generate all possible system architectures. The generation of solution is based on a concept of decision tree. An energentical optimisation under hydraulic, thermal and integration cosntraitns is done on each solution generated. Finally, amulticritetria optimization is used as decision making tool to support engineers on system archtiecture choices early in the development process. This framework has been applied on a Renault project. Results showed that the system is highly dependent on its requirements. Changing system requirements can potentially modify the optimal system architecture regarding the system specifications

Ce travail concerne l'étude du refroidissement par convection forcée externe de moteurs électriques de type fermé. Cette étude est dans un premier temps menée expérimentalement, en associant trois techniques d'investigation complémentaires, à savoir la visualisation de l'écoulement par tomographie laser, la vélocimétrie laser Doppler et la thermographie infrarouge. Les premiers résultats, obtenus sur un moteur déjà commercialisé, mettent en évidence les défauts de répartition des flux d'air autour du carter, ainsi que la présence de différentes zones chaudes à la surface du moteur. Ces résultats ont débouché sur l'élaboration d'une nouvelle configuration de carter, concrétisée par la conception de deux moteurs prototypes. Le diagnostic de ces deux nouveaux moteurs met en évidence une amélioration sensible de l'irrigation du carter, se traduisant par une diminution significative du niveau de température surfacique. Par ailleurs, les données issues de cette investigation expérimentale sont utilisées pour déterminer les coefficients d'échange convectif à la paroi du carter. Un dimensionnement des ailettes définissant la surface d'échange est alors possible. La procédure de dimensionnement proposée consiste à déterminer les valeurs optimales de la hauteur d'ailette et de l'épaisseur à la base, définies par le volume d'ailette minimal pour un flux de chaleur à évacuer donné. Les valeurs optimales avancées laissent entrevoir un gain appréciable sur la masse totale des ailettes. Parallèlement à cette étude expérimentale, un outil numérique a été développé dans le but de modéliser à terme le refroidissement par convection forcée entre les ailettes du carter. Pour cela, l'adaptation d'un code de calcul par éléments finis (Flux-Expert) à la modélisation des transferts thermique a été réalisée. L'étude est menée en bidimensionnel, pour un régime permanent et en couplant les phénomènes aérauliques et thermiques. L'écoulement est de plus supposé incompressible. Enfin la turbulence de l'écoulement est prise en compte par un modèle k-e. Les équations programmées sont validées pour plusieurs configurations tests d'écoulements, en régimes laminaire et turbulent
This work concerns the study of the cooling by external forced convection of electric motors with closed configuration. This study is first carried out experimentaly by associatingthree complementary investigation methods : flow visualization by laser sheet, measurement of velocity distribution by Laser Doppler Velocimetry and determinationn of wall temperature fields by infrared thermography. The results obtained on an already commercialized motor display important over heating of several zones at the motor surface. These results have lead to the design of a new configuration of carter, materialized by th design of two prototype motors. The diagnosis of these two motors show a significant improvement of the carter irrigation, and consequently an appreciable decrease of surface temperatures. Furthermore, data obtained from these tests are used to determine heat transfer coefficients by convection at the carter surface. The sizing of the fins forming the external exchange surface is then possible. A sizing procedure is proposed for the determination of the optimum values of the height and the base thichness of the fin, defined by the minimum volume for a given heat flux. Optimum values lead to an appreciable gain on the total mass of the fins. Parallel to this experimental study, a numerical tool has been developped for furter modelling of the cooling by forced convection between the fins of the carter. This required the adaptation of a numerical code (Flux-Expert finite element code) to the convection heat transfer simulation. The study is carried out for steady state conditions, by coupling between the aerodynamic and thermal phenomena. The flow is assumed to be two dimensional and incompressible. The turbulence of the flow is considererd by a recent k-e model (Abe at al. 1994). The equations programmed in Flux-Expert are validated for several flow test configurations, in laminar and turbulent conditions

Le projet e-MECA : electro-Mécanique Embarquée à Compacité Améliorée, dont l’objectif est de concevoir une machine ultra compacte et ultra rapide à une puissance utile de 12Kw, trouve son application dans les véhicules mild et full hybrides. Ce type de machine présente en effet un fort potentiel de déploiement industriel en très grandes séries à des prix abordables. Pour ces machines, les pertes de charge liées aux écoulements dans le jeu constituent des enjeux essentiels pour les constructeurs. La présente étude porte sur le moyen d’identifier de ces pertes des machines électriques ultra-compactes et ultra-rapides (50 000 rpm).Cette thèse a pour objet l’étude des pertes aérauliques dans l’espace entre le rotor et le stator d’une machine électrique ultra-rapide (≈ 250 m/s) et ultra-compacte (0,5mm - 2mm d’entrefer), en cherchant à répondre aux spécifications élaborées par nos partenaires dans le cadre du projet e-MECA
The project e-MECA: electromechanical engineering Embarked in Improved Compactness, the objective of which is to design a machine with a small gap and high speed rotor with a useful power of 12Kw, finds its application in mild and hybrid vehicle. This type of machine indeed presents a high potential in the industrial deployment in very big series to affordable prices. The losses in these machines are linked to the flow in the gap has a significant importance for the manufacturers. This study aims to identify these losses for the ultra-compact and ultrafast electric machines (50 000 rpm).This thesis is a study of the air losses in the space between the rotor and the stator of an ultra-fast electric machine (≈ 250 m/s) and ultra-compact (0,5mm - 2mm of air-gap). This study was done to meet the specifications that had been elaborated by our partners in the e-MECA project

Le défi de construire un solveur pour la simulation du refroidissement à l'huile dans les extrémités des bobinages des moteurs électriques est l'objet de cette étude. Le premier segment se concentre sur les phénomènes de transfert thermique du flux de film liquide sur une surface complexe pré-mouillée. L'objectif est de comprendre les mécanismes d'interaction entre le liquide et la surface complexe. Une analyse détaillée des résultats de la simulation est réalisée, en tenant compte des effets de paramètres variables tels que le nombre de Reynolds et le nombre de Prandtl. Suite à cela, un solveur précis VOF à deux phases couplé avec un modèle d'angle de contact dynamique est mis en œuvre pour tenir compte de ce type de géométrie des bobinages où le film liquide s'écoule par-dessus. Tout d'abord, l'algorithme PISO équilibré est développé, améliorant le calcul des gradients dans l'équation de la quantité de mouvement, et modifiant l'algorithme de Rhie et Chow. Cette méthode révisée assure que la force de tension superficielle et les gradients de pression sont discrétisés de manière identique au même emplacement. De plus, l'algorithme de Rhie et Chow est modifié en intégrant la force de tension superficielle, pour équilibrer les forces de pression. La méthode de la fonction de hauteur est intégrée au code CONVERGE CFD, remplaçant la fraction de vide lisse (SVF) pour une estimation de la courbure. Par la suite, l'angle dérivé du modèle d'angle de contact dynamique est utilisé pour modifier la courbure des cellules d'interface murale. Une explication approfondie de l'algorithme est fournie, ainsi que les cas de test de simulation et leur corrélation avec les données expérimentales. S'appuyant sur les travaux précédents, un ensemble de simulations est mené pour étudier les phénomènes de mouillage de l'écoulement liquide sur une surface complexe plate. En cette occasion, la surface est sèche, et le phénomène de mouillage est étudié. Cette partie présente la méthodologie de simulation numérique utilisée pour modéliser ces phénomènes, en plus des résultats de la simulation. Une analyse détaillée de ces résultats est présentée, notamment les effets de la méthode de calcul de la courbure, la variation de l'angle de contact d'équilibre et du nombre de Reynolds
The challenge of constructing a solver for the simulation of oil cooling in electric motor end-windings is the focus of this study. The initial segment concentrates on heat transfer phenomena of liquid film flow over a pre-wetted, complex surface. The goal is to understand the interaction mechanisms between the liquid and the intricate surface. A detailed analysis of the simulation results, taking into account the effects of varying parameters like Reynold number and Prandtl number. Following this, an accurate VOF two-phase flow solver coupling with a dynamic contact angle model is implemented to take into account this kind of geometry of windings where the liquid film flows over. Firstly, the Well-balanced PISO algorithm is developed, improving the calculation of gradients in the momentum equation, and modifying the Rhie and Chow algorithm. This revised method ensures that the surface tension force and pressure gradients are discretized identically at the same location. Additionally, the Rhie and Chow algorithm is modified by incorporating the surface tension force, to equilibrate the pressure forces. The Height Function method is integrated into the CONVERGE CFD code, replacing Smooth Void Fraction (SVF) for a curvature estimate. Subsequently, the angle derived from the dynamic contact angle model is utilized to modify the curvature of the interface wall cells. A thorough explanation of the algorithm is provided, along with the simulation test cases and their correlation with experimental data. Building upon previous work, a set of simulations are conducted to study the wetting phenomena of liquid flow over a flat complex surface. On this occasion, the surface is dry, and the wetting phenomena is studied. This part introduces the numerical simulation methodology used to model these phenomena, in addition to the simulation results. Detailed analysis of these results is presented, including the effects of curvature calculation method, varying the equilibrium contact angle and Reynolds number

Cette thèse propose une méthode de planification de trajectoire pour le contrôle basé sur la platitude des entraînements PMSM pour les pompes à eau des véhicules électriques. Cette approche vise principalement à garantir que le courant du moteur PMSM reste dans les limites permises grâce à un contrôle indirect basé sur la platitude, tout en conservant les avantages du contrôle en boucle unique. Une fonction de planification de trajectoire basée sur une fenêtre est utilisée pour l'entraînement PMSM dans cette méthode. La fonction de trajectoire est calculée à l'aide d'un algorithme d'optimisation prenant en compte les contraintes de dépassement de vitesse, de courant moteur et de tension de commutation. Contrairement à la planification conventionnelle de la trajectoire, qui est une fonction de second ordre, cette méthode prend en compte les limites du contrôleur tout en utilisant un contrôle basé sur la platitude en boucle unique
A trajectory planning method for flatness-based control of PMSM drives for EV water pump application is proposed in this thesis. This approach is primarily intended to ensure PMSM motor current remains within permissible limits through indirect flatness-based control while still having the advantages of one-loop control. Furthermore, the constraint on switching voltage has been taken into account in the proposed trajectory planning method to maintain the proper operation of the PMSM drive system in steady-state mode as well as during transients. A window-based trajectory planning function is used for the PMSM drive in this method. The trajectory function is generated using an optimization algorithm considering the speed overshoot, motor current, and switching voltage constraints. Unlike conventional trajectory planning, which is a second-order function, this method takes controller limits into account while using one-loop flatness-based control