Simulation numérique des transferts thermique dans l’entrefer moteur d’une machine électrique

Abstract

Ce travail de recherche se focalise sur le processus de refroidissement appliqué aux machines électriques à grande vitesse, notamment les moteurs et les générateurs. Notre intérêt principal réside dans la partie de l'entrefer du moteur, qui constitue en réalité une cavité rotor-stator composée de deux cylindres concentriques. Cette configuration présente une complexité particulière lorsqu'il s'agit de la modélisation, en raison des vitesses de rotation extrêmement élevées atteintes, de l'ordre de ~105 tr/min, dans des espaces très étroits d'environ 1 mm. Traditionnellement, pour maintenir ces composants en rotation à des températures acceptables, un flux d'air frais est injecté de manière empirique. L'objectif principal de cette étude est donc d'approfondir notre compréhension des mécanismes de transfert de chaleur et de masse se produisant dans l'entrefer rotor-stator, en mettant l'accent sur les régimes pleinement turbulents qui se manifestent à de telles vitesses. Dans le cadre de ce projet de recherche, nous avons exploré deux approches distinctes. La première approche repose sur la configuration proposée par Kuosa et al [4,5], qui traite de l'écoulement avec un gradient de température. Ce qui distingue cette configuration, c'est l'entrée d'air radiale dans un canal situé sous le stator. Nous avons minutieusement étudié l'influence des paramètres de contrôle de l'écoulement sur les distributions de température et de vitesse dans cette région particulière. Cette analyse nous a permis de mieux comprendre les caractéristiques du champ thermique et du champ hydrodynamique dans l'entrefer rotor-stator. Dans une seconde phase de cette étude, nous avons entrepris des modifications géométriques en introduisant des rainures dans le stator. Cette modification visait à améliorer le processus de refroidissement. Les résultats obtenus dans cette phase de l'expérimentation ont montré une correspondance relativement satisfaisante avec les prédictions antérieures, suggérant ainsi que cette modification de la géométrie pourrait être une approche efficace pour améliorer le refroidissement des machines électriques à grande vitesse. En résumé, cette étude a pour objectif de mieux appréhender les mécanismes de transferts de chaleur et de masse dans l'entrefer rotor-stator des machines électriques à grande vitesse, en se concentrant sur les régimes turbulents. Nous avons examiné deux approches différentes, notamment la configuration de Kuosa et al [4,5]. Et l'introduction de rainures dans le stator, dans le but d'améliorer notre compréhension et d'optimiser le processus de refroidissement de ces machines essentielles à de nombreuses applications industrielles.