La gestion thermique des moteurs électriques est un élément essentiel pour une mobilité décarbonée compétitive car un refroidissement plus efficace permet non seulement d'augmenter la densité de performance (puissance ou couple massique) des moteurs, mais aussi d'améliorer leur fiabilité opérationnelle en évitant les phénomènes de détérioration (notamment la désaimantation). Aussi, l’injection d’huile sur les parties les plus contraintes thermiquement (par exemple sur la tête de bobines statoriques) apparaît comme une solution prometteuse en vue d’améliorer la performance de refroidissement.
Le développement de tels systèmes doit reposer sur une conception et un dimensionnement optimaux, ce qui nécessite une connaissance détaillée des échanges thermiques et des coefficients de convection entre le liquide et les éléments à refroidir. Par ailleurs, les huiles utilisées pour le refroidissement des machines électriques ont des propriétés particulières (nombre de Prandtl élevé1) qui induisent de grandes différences entre les échelles caractéristiques de l’écoulement (> 1/10 mm) et de la thermique (< 1/10 mm), d’où une difficulté pour la compréhension des phénomènes et leur prédiction par des simulations numériques. De plus, les données actuellement disponibles proviennent d’essais de jets impactants avec de l'eau, et ne sont donc pas représentatives de la situation qui nous intéresse.
Pour pallier ce manque de données, une expérimentation basique avec une configuration simplifiée, où l’huile est projetée sur une plaque plane chauffée (figure 1a), a été mise au point et réalisée pour caractériser précisément le transfert de chaleur par convection dans cette configuration [1]. La température de surface a été enregistrée au moyen de thermocouples de haute précision et des techniques optiques avancées de fluorescence ont été déployées pour obtenir simultanément la température locale et l’épaisseur du film d’huile. La combinaison des données expérimentales, obtenues avec des résultats de simulation numérique de conduction de chaleur dans la plaque, a permis de caractériser le comportement thermique global, et en particulier le flux thermique local extrait de la plaque (figure 1b).
Cette méthodologie a été développée et utilisée dans le cadre d’une thèse2 afin de caractériser l’évacuation de chaleur lors de l’interaction d’un jet liquide avec une plaque chaude, en fonction des conditions opératoires (débit d'injection, température de l'huile, etc.). Les essais ainsi réalisés ont abouti au développement de corrélations empiriques entre ces paramètres, très utiles pour la conception de nouvelles machines électriques.
La même méthodologie va désormais être appliquée dans des cas plus proches de l'application considérée, par exemple des géométries complexes comme des bobinages, afin de générer de nouvelles corrélations empiriques. Ces dernières seront essentielles au développement de modèles à la fois fiables et représentatifs pour décrire l'écoulement des fluides et l'échange de chaleur dans les moteurs électriques, tout en limitant les temps de calcul pour les bureaux d’études.
1.a- Configuration expérimentale étudiée d’un jet liquide impactant une plaque chaude.
1.b- Résultat de la méthodologie développée, caractérisation du flux thermique extrait par l’impact du jet sur la plaque.
1- Nombre sans dimension, défini comme le rapport entre la viscosité cinématique (liée à la quantité de mouvement) et la diffusivité thermique (liée à la quantité de chaleur).
2- Intitulée « Développement d'une méthodologie expérimentale pour caractériser les systèmes de refroidissement par liquide des moteurs électriques ».
Référence bibliographique
-
Cornacchia, I., Pilla, G., Chareyron, B., Bruneaux, G., Kaiser, S., Poubeau, A. (2021, May). Development of an Experimental Methodology to Characterize Liquid Cooling Systems for Electric Motors. In 2021 IEEE International Electric Machines & Drives Conference (IEMDC) (pp. 1-7). IEEE.
>> https://doi.org/10.1109/IEMDC47953.2021.9449572
Contact scientifique : michele.bardi@ifpen.fr