Etude du refroidissement par convection forcée externe d'un moteur électrique

Study of the cooling by external forced convection of an electric motor

• Auteur / Autrice : Khaddouj Farsane
• Direction : Jean-Marie Kauffmann
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences pour l'ingénieur
• Date : Soutenance en 1996
• Etablissement(s) : Besançon
• Partenaire(s) de recherche : autre partenaire : Université de Franche-comté. UFR des Sciences, Techniques et Gestion de l'Industrie
• Jury : Président / Présidente : Jean Crabol
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : H.H. Duong, Jean-Marie Kauffmann, Evrard Merlin, Prabodh Kumar Panday
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Bernard Desmet, André Lallemand

Mots clés

Mots clés contrôlés

Chaleur -- Convection

Turbulence

Moteurs asynchrones

Mots clés libres

Sciencesappliquées

électrotechique

électroénergétique

Résumé

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