Refroidissement des machines électriques

Pourquoi se concentrer sur le refroidissement de la machine électrique ?

Le comportement thermique d’une machine électrique est un aspect souvent négligé dans sa conception. La machine est avant tout conçue pour optimiser ses performances électromagnétiques. Le système de refroidissement est le plus souvent la dernière étape du processus de conception et doit s’adapter à toutes les contraintes électrotechniques.

Les niveaux de températures ont un impact important sur la durée de vie de la machine. Toutes les machines possèdent une classe d’isolation correspondant à une température nominale d’utilisation. A cette température, la machine a une durée de vie de 20 000 heures. Un modèle basique [1] pour estimer la durée de vie d’une machine est de considérer que sa durée de vie est divisée par deux pour chaque trance de 10°C au-dessus de la température nominale. Par contre, si la température de la machine est en-dessous de la température nominale, sa durée de vie est multipliée par 2 par tranche de 10°C.

La température a aussi un impact important sur les performances électromagnétiques de la machine : elle change en particulier la résistances des bobinages, et affect le champ rémanent des aimants permanents. Plusieurs études [2][3][4] ont montré une diminution significative des performances quand la température s’élève. En passant de 25°C à 100°C, les rendements diminuent de 1% à 5% suivant les exemples. Ces diminutions sont considérables sur la consommation énergétique de la machine notamment en les rapportant à la durée de vie complète de la machine (exemple de la production d’électricité d’un générateur éolien).

En conséquence, un meilleur refroidissement augmente la durabilité de la machine tout en augmentant son rendement. Investir dans l’optimisation de la conception d’un système de refroidissement peut donc donner d’importantes économies sur le long terme.

Quels sont les éléments critiques d’une machine ?

Les aimants permanents. Les aimants ont tendance à se démagnétiser avec l’augmentation de la température. Cette démagnétisation est réversible jusqu’à un certain seuil. Passé ce seuil, la démagnétisation devient irréversible.

Les bobinages. La température des bobinages est très importante pour une machine. A cause de la génération de pertes Joule, ils ont le plus souvent la température la plus élevée dans la machine. Une température trop élevée peut endommager l’isolation des bobinages. Par ailleurs, la résistance électrique augmente linéairement avec la température et augmente par ailleurs la génération de pertes.

Les roulements. Les roulements sont sujets aux pertes mécaniques par frottement. Ces frottements peuvent devenir très importants pour des grandes vitesses de rotation. Une température élevée a un impact néfaste sur leur durée de vie.

Quelles sont les différentes architectures de refroidissement ?

Refroidissement passif/actif. Deux options existent pour le refroidissement. La première option est passive : aucune source de puissance extérieure n’est nécessaire. Différents mécanismes sont utilisés pour le refroidissement passif : la rotation de l’air induite par le rotor, la convection naturelle sur l’extérieur de la machine, des ailettes pour augmenter les surfaces d’échange, etc. Dans le cas du refroidissement actif, un écoulement dans la machine est induit par une source extérieure (ventilateur, pompe).

Machines fermées/ouvertes. Dans une machine ouverte, l’air est directement extrait de l’ambiance puis circule à l’intérieur de la machine et est rejeté dans l’environnement. Dans une machine fermée, le fluide de refroidissement circule dans un circuit fermé et doit être refroidi par un échangeur de chaleur. Les deux configurations ont leurs avantages et inconvénients. Une machine ouverte est plus compacte et nécessite moins de puissance de refroidissement. Un circuit fermé sera plus indépendant des conditions extérieures. A l’opposé, le circuit ouvert est fortement affecté par les éléments extérieurs (humidité, poussières, etc.). Un circuit fermé nécessité beaucoup plus d’espace et de puissance hydraulique ou aéraulique.

Quelles sont les meilleures stratégies pour l’optimisation ?

Pour dégager une bonne stratégie d’optimisation, il est important d’avoir une vision claire des objectifs et des contraintes du problème. Un bon système de refroidissement celui qui donne les plus basses températures possibles ! Il faut toujours prendre en compte le coût énergétique du système.

En conséquence, l’optimisation d’un système de refroidissement est le plus souvent un problème multi-objectifs avec, au minimum, deux objectifs : augmenter la dissipation de chaleur et diminuer la puissance de ventilation. On peut aussi traduire certains objectifs sous forme de contraintes. Par exemple, au lieu de réduire au minimum la température des aimants, on peut contraindre leur température pour empêcher la démagnétisation.

Références

[1] O. Barré and B. Napame, “The Insulation for Machines Having a High Lifespan Expectancy, Design, Tests and Acceptance Criteria Issues,” Machines, vol. 5, no. 1, p. 7, Feb. 2017. http://dx.doi.org/10.3390/machines5010007

[2] Aimeng Wang, Heming Li, and Cheng-Tsung Liu, “On the Material and Temperature Impacts of Interior Permanent Magnet Machine for Electric Vehicle Applications,” IEEE Trans. Magn., vol. 44, no. 11, pp. 4329–4332, Nov. 2008. https://doi.org/10.1109/TMAG.2008.2001527

[3] T. Sebastian, “Temperature effects on torque production and efficiency of PM motors using NdFeB magnets,” in Conference Record of the 1993 IEEE Industry Applications Conference Twenty-Eighth IAS Annual Meeting, 1993, vol. 1, pp. 78–83. https://doi.org/10.1109/IAS.1993.298907

[4] M. Beniakar, T. D. Kefalas, and A. G. Kladas, “Investigation of the Impact of the Operational Temperature on the Performance of a Surface Permanent Magnet Motor,” Mater. Sci. Forum, vol. 670, pp. 259–264, Dec. 2010. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/MSF.670.259

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