Article de référence | Réf : D3760 v2

Modes fondamentaux de transferts de chaleur
Machines électriques tournantes - Simulation du comportement thermique

Auteur(s) : Raynal GLISES

Date de publication : 10 nov. 1998

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  • Raynal GLISES : Institut de Génie énergétique - Université de Franche-Comté

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INTRODUCTION

Le fonctionnement d’une machine électrique tournante est fortement conditionné par son environnement extérieur et son mode de fabrication. Les conditions ambiantes sont très fluctuantes selon l’utilisation du moteur (températures, humidité...). Des fluctuations plus ou moins brutales de charge créent des échauffements particulièrement nocifs aux parties sensibles des machines. Il peut s’agir notamment des isolants de bobinages, des paliers de roulement, des collecteurs (machines à courant continu) voire des aimants (inducteurs des moteurs à aimants permanents). L’apparition de nouvelles alimentations ainsi que l’augmentation des puissances massiques imposent de pouvoir prédire, au mieux, le comportement thermique de ces machines.

Le développement d’un outil de simulation thermique nécessite de quantifier, séparer et localiser les différentes sources de chaleur internes génératrices d’échauffements. Cet aspect, à l’instar des conditions aux limites (flux et/ou températures), ne peut être pris en compte qu’au travers de phases expérimentales. La validation de tels outils numériques demande une bonne connaissance des modes de transferts internes à la machine. Les trois modes fondamentaux sont à considérer lors des analyses thermiques fines. Ils peuvent toutefois être pris globalement pour des études plus appliquées et moins fondamentales. Il convient cependant de connaître l’ensemble des paramètres thermophysiques propres à la machine étudiée (masses volumiques, capacités thermiques massiques et conductivités).

Les méthodes d’analyse numérique couramment utilisées sont initialement les méthodes nodales. Elles sont actuellement relayées par des méthodes plus globales comme les éléments finis. Cette dernière méthode en plein essor est fréquemment développée sur un plan thermique. Une des évolutions actuelles est son couplage faible ou fort avec les problèmes électriques et/ou magnétiques. De même, concernant l’aspect thermique, des processus couplant les problèmes conductifs, convectifs et rayonnants sont envisagés par éléments finis bien que déjà réalisés sous une forme globale (conservation du flux) à l’aide des méthodes nodales plus anciennes. Enfin, pour conclure cette introduction, la prise en compte du comportement dynamique des moteurs est actuellement en cours de développement par éléments finis.

Nota :

pour de plus amples renseignements, le lecteur pourra se reporter aux références [1] [2] [3] en Doc. D 3 760.

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VERSIONS

Il existe d'autres versions de cet article :

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v2-d3760


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1. Modes fondamentaux de transferts de chaleur

1.1 Transferts par conduction

HAUT DE PAGE

1.1.1 Relation de Fourier

La conduction est le mode unique de transfert de chaleur dans les solides. Dans un milieu homogène parallélépipédique (figure 1) soumis à un écart de température (T1 – T2), la puissance thermique transitant selon la direction x s’exprime par :

avec :

 : 
(W) puissance d’échange thermique
[λ]
 : 
(W · m–1 · K–1) tenseur de conductivité thermique suivant les directions principales du matériau (matrice diagonale)
dS
 : 
(m2) surface d’échange perpendiculaire au flux (YZ )
 : 
(K · m–1) produit scalaire du gradient de température par le vecteur normal à dS.

La puissance d’échange thermique selon x devient :

Pour T1 > T2 , la chaleur s’écoule de la surface (1) vers la surface (2). Le rapport X /λx · S représente la résistance thermique (K · W –1) du matériau et S la surface d’échange (YZ ).

Des matériaux placés en série voient leur résistance thermique s’ajouter. Pour des structures mises...

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - Mc ADAMS (W.H.) -   Heat transmission.  -  532 p. bibl. (840 réf.) 1954, Mc Graw-Hill.

  • (2) - SAULNIER (J.B.) -   La modélisation thermique et ses applications aux transferts couplés et au contrôle actif.  -  269 p. bibl. (70 réf.) 1980, Thèse de Doctorat ès Sciences Physiques, Université de Poitiers.

  • (3) - ROYE (D.) -   Modélisation thermique des machines électriques tournantes : Applications à la machine à induction.  -  205 p. bibl. (58 réf.) 1983, Thèse de Doctorat ès Sciences Physiques, Institut National polytechnique de Grenoble.

  • (4) - GLISES (R.) et all -   Equivalent thermal conductivities for twisted flat windings.  -  J. Phys. III, p. 1389-1401, oct. 1996.

  • (5) - BAUDOIN (B.) -   Contribution à l’étude des conditions d’écoulement dans le circuit de refroidissement d’un moteur électrique de type ouvert.  -  1987, Thèse de Doctorat, Université de Poitiers.

  • ...

ANNEXES

  1. 1 Logiciels

    1 Logiciels

    * - Flux2D, Flux3D (Cedrat S.A.)

    * - Flux-Expert (Simulog S.A.)

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