Calculs thermiques pour les moteurs et générateurs

Planification du refroidissement dès la conception

Le refroidissement d'une machine électrique est suffisamment important pour qu’il doive être dimensionné dès la phase de conception. Il est nécessaire d'effectuer des calculs CFD pour prévoir la structure de l'écoulement dans le domaine non ferreux du stator, la répartition du fluide de refroidissement, les pertes de pression ainsi que la distribution des températures. Grâce à ces résultats la machine peut être optimisée, ce qui peut être réalisé et confirmé grâce à des calculs supplémentaires.

Réseau fluide et thermique

Dès les années soixante, les producteurs de grandes machines électriques tel que Siemens à Berlin ont développé des réseaux de calcul thermique. La machine est divisée en plusieurs grandes portions, le modèle de substitution est une analogie du circuit électrique. Le réseau de calcul thermique a fait ses preuves et reste fortement utilisé, il nécessite une grande expérience et une base de données de mesures, qui contiendra les valeurs des coefficients de transfert thermique α et celles des coefficients de pertes de pression. La précision du calcul de réseau thermique dépend fortement de l'exactitude des données ; en particulier de celles sur l'écoulement. Un calcul réseau fluide doit pour cela avoir été préalablement effectué, celui-ci détermine la répartition du liquide de refroidissement et des pertes de pression grâce à la formule de Bernoulli.
Ces réseaux peuvent être programmés avec Excel, en Fortran ou avec toute autre langue de programmation, cependant aujourd'hui il est courant de développer de nouveaux réseaux avec un logiciel pour l’analyse thermique et fluide tel que Flowmaster, Amesim ou SimulationX ®.

Enroulement des bobines d'un stator

Calculs fluides et thermiques avec 3D CFD

Les processus d'écoulement et de refroidissement pour un large moteur ou un générateur sont particulièrement complexes, ils ne sont calculés que de façon imprécise avec les méthodes standard. Des mesures à l’intérieur d’un rotor en rotation sont du fait des fortes vitesses de rotation très difficiles à effectuer. La CFD est une alternative pour l'analyse, la conceptualisation et le design détaillé de machines électriques. Pour cela le domaine de calcul d'un moteur large peut être divisé jusqu'en quarante millions de cellules.

Symétrie

En fonction de la symétrie de l'aéraulique, la machine peut être réduite à une portion. Par exemple lorsque l'air pénètre de façon symétrique par les deux côtés de la machine, le modèle peut être réduit de moitié ; des conditions de symétrie permettent de prendre en compte la moitié manquante.

Definition des ventilateurs et cacul de leurs pertes

Avec FloEFD il est possible de définir une condition d'entrée grâce aux données des caractéristiques d'un ventilateur, le point d'opération du ventilateur sera calculé par le programme. Le programme calcule la localisation et la répartition des pertes dues au frottement et à la dissipation turbulente. Les pertes dues à l'autoventilation peuvent être déterminées à l'aide du moment de torsion.

Calculs thermiques

Les pertes électriques peuvent en général être connues en tant que valeurs calculées ou mesurées. Elles peuvent être réparties de façon homogène dans les volumes où elles sont produites.
Une analyse combinée thermique et fluide pour la géométrie complexe de la tête de la bobine est sans simplification massive possible uniquement avec des logiciels CFD pour maillage cartésien tels que FloEFD ou Solid Edge Flow Simulation.

Champs de pression dans l'entrefer d'un génerateur synchrone