FR3051295B1 - Machine electrique tournante a puissance augmentee - Google Patents

Abstract

L'invention porte principalement sur une machine électrique tournante pour véhicule automobile, notamment de type hybride, fonctionnant à une tension inférieure à 60 Volts comportant: - un stator ayant un corps muni d'encoches et un bobinage (25) polyphasé formé par une pluralité de bobines (27) insérées dans lesdites encoches, - caractérisée en ce que ladite machine électrique tournante comporte douze bras de pont (P1-P12) formés chacun par deux interrupteurs (31) commandés électriquement, lesdits bras de pont (P1-P12) connectés auxdites bobines (27) étant commandés par un module de contrôle (30).

Description

MACHINE ÉLECTRIQUE TOURNANTE À PUISSANCE AUGMENTÉE

La présente invention porte sur une machine électrique tournante àpuissance augmentée. L’invention trouve une application particulièrementavantageuse avec les machines électriques à basse tension, c’est-à-direavec les machines électriques fonctionnant à une tension inférieure à 60Volts. La machine électrique est destinée à être utilisée dans un véhiculeautomobile, notamment de type hybride.

De façon connue en soi, les machines électriques tournantes comportent unstator et un rotor solidaire d'un arbre. Le rotor pourra être solidaire d'un arbremenant et/ou mené et pourra appartenir à une machine électrique tournantesous la forme d'un alternateur, d'un moteur électrique, ou d'une machineréversible pouvant fonctionner dans les deux modes.

Le rotor comporte un corps formé par un empilage de feuilles de tôlesmaintenues sous forme de paquet au moyen d'un système de fixationadapté. Le rotor comporte des pôles formés par exemple par des aimantspermanents logés dans des cavités ménagées dans le corps.

Le stator est monté dans un carter configuré pour porter à rotation l'arbre parl'intermédiaire de roulements. Le stator comporte un corps muni d'unepluralité de dents définissant des d'encoches, et un bobinage inséré dans lesencoches du stator. Le bobinage est obtenu par exemple à partir de filscontinus recouverts d'émail ou à partir d'éléments conducteurs en formed'épingles reliées entre elles par soudage. Alternativement, les phases de lamachine sont formées à partir de bobines individuelles enroulées chacuneautour d’une dent statorique.

Afin d'assurer la commande de la machine électrique tournante, un modulede contrôle interagissant avec le calculateur moteur est en relation avec desbras de pont. Ces bras de pont intègrent des éléments redresseurs prenantgénéralement la forme de transistors MOS reliés aux différentes phases dela machine. La commande des bras de pont est effectuée notamment enfonction de la température du stator, de la position et de la vitesse du rotor,ainsi que de paramètres de fonctionnement du moteur thermique retournés par le calculateur moteur. Les bras de pont peuvent fonctionner en modeonduleur ou en mode redresseur de tension.

Classiquement, la puissance d'une machine électrique basse tensionalimentée par la batterie d'un véhicule automobile est de l'ordre de 15kW.Afin d'augmenter cette puissance, il est connu de redimensionner les bras depont pour pouvoir supporter l’augmentation de l'intensité du courant circulantdans la machine. Cela pose toutefois des problèmes de coûts liés audéveloppement de modules spécifiques ainsi que des problèmesd'intégration du bloc électronique du fait de leur encombrement important. L’invention vise à remédier efficacement à ces inconvénients en proposantune machine électrique tournante pour véhicule automobile, notamment detype hybride, fonctionnant à une tension inférieure à 60 Volts comportant:- un stator ayant un corps muni d’encoches et un bobinage polyphasé formépar une pluralité de bobines insérées dans lesdites encoches,caractérisée en ce que ladite machine électrique tournante comporte douzebras de pont formés chacun par deux interrupteurs commandésélectriquement, lesdits bras de pont connectés auxdites bobines étantcommandés par un module de contrôle. L'invention permet ainsi, en augmentant le nombre de bras de pont parrapport à une configuration classique, de faciliter l'intégration du système touten permettant à la machine électrique de supporter l’augmentation del'intensité du courant liée à l’augmentation de sa puissance. L'inventionprésente également un intérêt économique en autorisant l'utilisation de brasde pont standards facilitant la fabrication et la maintenance de la machineélectrique.

Selon une réalisation, chaque encoche contient des bobines associées àdeux bras de pont différents.

Selon une réalisation, ledit bobinage est un bobinage triphasé de typeconcentré.

Selon une réalisation, chaque bras de pont est associé à un quart de phase.

Selon une réalisation, le nombre d’encoche par pôle et par phase est égal à0.5.

Selon une réalisation, ladite machine électrique tournante comporte 4 pairesde pôles et un corps de stator à 12 dents.

Selon une réalisation, ladite machine électrique tournante comporte 8 pairesde pôles et un corps de stator à 24 dents.

Selon une réalisation, ladite machine électrique tournante comporte 12paires de pôles et un corps de stator à 36 dents.

Selon une réalisation, ledit bobinage est de type ondulé et est constitué dedeux systèmes triphasés.

Selon une réalisation, lesdits deux systèmes triphasés sont décalés entreeux d'un angle électrique compris entre 0 et 60 degrés exclu.

Selon une réalisation, chaque bras de pont est associé à une demi-phase.

Selon une réalisation, chaque portion de phase est constituée par unensemble de bobines branchées électriquement en série ou en parallèle.

Selon une réalisation, les phases sont couplées en triangle ou en étoile.

Selon une réalisation, une longueur dudit corps de stator est supérieure à lamoitié d'un rayon extérieur dudit corps de stator.

Selon une réalisation, ladite machine électrique tournante est de typesynchrone.

Selon une réalisation, ladite machine électrique tournante comporte un rotorà aimants permanents. L’invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit et àl’examen des figures qui l’accompagnent. Ces figures ne sont données qu’àtitre illustratif mais nullement limitatif de l’invention.

La figure 1 montre une vue en coupe partielle d’une machine électriquetournante selon la présente invention à bobinage concentré;

La figure 2 est une représentation schématique d’un exemple de réalisationd'un bras de pont utilisé dans la machine électrique tournante selon laprésente invention;

La figure 3 montre un schéma électrique d'un bobinage triphasé de typeconcentré selon l'invention;

La figure 4 montre un schéma électrique d'un bobinage formé de deuxsystèmes triphasés de type ondulé selon l’invention;

La figure 5 est une représentation schématique en coupe d'une partie d'unbobinage ondulé de la machine électrique tournante selon l'invention.

Les éléments identiques, similaires, ou analogues conservent la mêmeréférence d'une figure à l'autre.

La figure 1 montre une machine électrique tournante 10 comportant un rotor11 d'axe X destiné à être monté sur un arbre 12. Un stator bobiné 15polyphasé entoure le rotor 11 avec présence d'un entrefer entre la périphérieexterne du rotor 11 et la périphérie interne du stator 15. Ce stator 15 est fixésur un carter (non représenté) configuré pour porter à rotation l’arbre 12 viades roulements à billes et/ou à aiguilles. Avantageusement, la machineélectrique tournante 10 est de type synchrone et présente une puissancecomprise entre 25 et 30 kW.

Plus précisément, le rotor 11 comporte un corps 16 formé par un empilementaxial de tôles planes afin de diminuer les courants de Foucault. Le corps derotor 16 est réalisé en matière ferromagnétique. Le rotor 11 comporte descavités 17 destinées à recevoir des aimants permanents 18 formant despôles magnétiques.

Les aimants 18 sont de préférence réalisés en ferrite. En variante, lesaimants 18 pourront toutefois être réalisés en terre rare selon les applicationset la puissance recherchée de la machine 10. En variante, les aimants 18peuvent être de nuance différente pour réduire les coûts. Par exemple, danschaque cavité 17, on associe un aimant 18 en ferrite et un aimant 18 en terrerare plus puissant mais plus coûteux. Certaines cavités 17 pourrontégalement être laissées vides en fonction de la puissance recherchée de la machine. Le rotor 11 pourra être à concentration de flux, c’est-à-dire que lesfaces latérales en vis-à-vis des aimants 18 situés dans deux cavités 17consécutives sont de même polarité.

Par ailleurs, le stator 15 comporte un corps 21 et un bobinage 25. Le corpsde stator 21 consiste en un empilement axial de tôles planes. Le corps destator 21 comporte des dents 22 réparties angulairement de manièrerégulière sur une périphérie interne d'une culasse 24. Ces dents 22délimitent des encoches 23, de telle façon que chaque encoche 23 estdélimitée par deux dents 22 successives. Les encoches 23 débouchentaxialement dans les faces d'extrémité axiales du corps de stator 21. Lesencoches 23 sont également ouvertes radialement vers l'intérieur du corpsde stator 21. Le stator 15 pourra être muni de pieds de dent 26 du côté desextrémités libres des dents 22. Chaque pied de dent 26 s'étendcirconférentiellement de part et d'autre d'une dent correspondante. Lamachine électrique tournante 10 présente de préférence une configurationallongée, c’est à dire qu'une longueur du corps de stator 21 est supérieure àla moitié du rayon extérieur dudit corps de stator 21.

Pour obtenir un bobinage 25 de type concentré, plusieurs phases A, B, Csont formées par des bobines 27 enroulées chacune autour d’une dent 22.Chaque bobine 27 est formée à partir à partir d'un fil électriquementconducteur recouvert d'une couche de matériau électriquement isolant telque de l'émail. Dans un exemple de réalisation, un isolant de bobine pourraêtre intercalé entre chaque bobine et la dent correspondante.

Avantageusement, le nombre d’encoche par pôle et par phase est égal à 0.5(ou spp=0.5 pour "Slot per Pôle per Phase"). Ainsi, comme cela estreprésenté sur la figure 3, pour une machine électrique triphasée à 4 pairesde pôles, le corps de stator 21 comporte 12 dents et donc 12 bobinesréférencées 27. Conformément à l'invention, chaque bobine 27 est associéeà un bras de pont P1-P12 formé de deux interrupteurs commandés 31. Lesbras de pont P1-P12 connectés aux bobines 27 sont commandés par unmodule de contrôle 30. Comme cela est illustré par la figure 2, chaqueinterrupteur 31 pourra être constitué par un transistor de puissance, parexemple de type MOS, associé de préférence à une diode de roue libre 32.

La tension d’alimentation correspondant à la tension de la batterie Batt estcomprise entre 48Volts et 52Volts.

Ainsi, pour la phase A, chaque bobine 27 est associée à un bras de pont P1-P4. Pour la phase B, chaque bobine 27 est associée à un bras de pont P5-P8. Pour la phase C, chaque bobine 27 est associée à un bras de pont P9-P12.

En variante, pour une machine électrique triphasée à 8 paires de pôles, lecorps de stator 21 comporte 24 dents, et donc 24 bobines. Deux bobinessont alors associées à chaque bras de pont P1-P12. Pour faciliter lacompréhension, on a représenté en pointillé uniquement la bobinesupplémentaire 27’ associée au bras P1, mais le montage à deux bobinesparallèles 27 et 27’ est valable pour l’ensemble des bras de pont P1 -P12.

En variante, pour une machine électrique triphasée à 12 paires de pôles, lecorps de stator 21 comporte 36 dents et donc 36 bobines. Trois bobines sontalors associées à chaque bras de pont P1-P12. Pour faciliter lacompréhension, on a représenté en pointillé uniquement les bobinessupplémentaires 27', 27" associées au bras P1, mais le montage à troisbobines parallèles 27, 27', 27" est valable pour l'ensemble des bras de pontP1-P12.

Dans tous les cas, chaque bras de pont P1-P12 est associé à un quart dephase.

Les trois phases A, B, C sont couplées en étoile en étant reliéesélectriquement à un point neutre N. En variante, les phases A, B, C pourrontêtre couplées en triangle.

Dans le mode de réalisation des figures 4 et 5, le bobinage 25 est de typeondulé et constitué de deux systèmes triphasés A1, B1, C1 et A2, B2, C2.Les deux systèmes triphasés A1, B1, C1 et A2, B2, C2 sont décalés entreeux d'un angle électrique a compris avantageusement entre 0 et 60 degrésexclu. Le bobinage 25 de chaque système triphasé A1, B1, C1 et A2, B2, C2pourra être réalisé à partir d'un fil continu formant des ondulations à l'intérieur des encoches 23 du stator 15 ou à partir d'épingles reliées électriquemententre elles par soudure.

Chaque bras de pont P1-P12 est alors associé à une demi-phase constituéepar un ensemble de bobines 27 branchées électriquement en série ou enparallèle. Dans le cas d'un couplage en étoile, les deux systèmes triphasésA1, B1, C1 et A2, B2, C2 présentent des points neutres N1, N2 distincts sansliaison électrique entre ces points neutres N1, N2. En variante, les deuxsystèmes triphasés A1, B1, C1 et A2, B2, C2 pourront être couplés entriangle.

Il est à noter que dans tous les modes de réalisation, chaque encoche 23contient des bobines 27 associées à deux bras de pont P1 -P12 différents. Eneffet, pour le bobinage 25 concentré, chaque encoche 23 contient deuxdemi-bobines 27 implantées dans une même encoche. Dans le cas d'unbobinage 25 ondulé réalisé à partir d'un fil continu ou d'épingle tel quemontré sur la figure 5, chaque encoche 23 pourra comporter par exempledes bobines 27 associées à deux demi-phases. Les conducteurs hachurés33 formant une bobine appartiennent ainsi à la même demi-phase, tandisque les conducteurs 33' formant une autre bobine appartiennent à une autredemi-phase. Une même encoche 23 pourra contenir des demi-phases d'unemême phase ou des demi-phases de phases différentes.

Bien entendu, la description qui précède a été donnée à titre d'exempleuniquement et ne limite pas le domaine de l'invention dont on ne sortirait pasen remplaçant les différents éléments par tous autres équivalents.

En outre, les différentes caractéristiques, variantes, et/ou formes deréalisation de la présente invention peuvent être associées les unes avec lesautres selon diverses combinaisons, dans la mesure où elles ne sont pasincompatibles ou exclusives les unes des autres.

Claims (15)

1. REVENDICATIONS

   1. Machine électrique tournante (10) pour véhicule automobile,notamment de type hybride, fonctionnant à une tension inférieure à 60 Voltscomportant: - un stator (15) ayant un corps (21) muni d'encoches (23) et unbobinage (25) polyphasé formé par une pluralité de bobines (27) inséréesdans lesdites encoches (23), caractérisée en ce que ladite machine électrique tournante (10)comporte douze bras de pont (P1-P12) formés chacun par deux interrupteurs(31) commandés électriquement, lesdits bras de pont (P1-P12) connectésauxdites bobines (27) étant commandés par un module de contrôle (30), eten ce que le nombre d'encoche par pôle et par phase (spp) est égal à 0.5.
2. 2. Machine électrique tournante selon la revendication 1, caractériséeen ce que chaque encoche (23) contient des bobines (27) associées à deuxbras de pont (P1-P12) différents.
3. 3. Machine électrique tournante selon la revendication 1 ou 2,caractérisée en ce que ledit bobinage (25) est un bobinage triphasé de typeconcentré.
4. 4. Machine électrique tournante selon la revendication 3, caractériséeen ce que chaque bras de pont (P1-P12) est associé à un quart de phase.
5. 5. Machine électrique tournante selon la revendication 4, caractériséeen ce qu'elle comporte 4 paires de pôles et un corps de stator (21) à 12dents.
6. 6. Machine électrique tournante selon l’une des revendicationsprécédentes, caractérisée en ce qu’elle comporte 8 paires de pôles et uncorps de stator (21) à 24 dents.
7. 7. Machine électrique tournante selon l’une des revendications 1 à 5,caractérisée en ce qu'elle comporte 12 paires de pôles et un corps de stator(21) à 36 dents.
8. 8. Machine électrique tournante selon la revendication 1 ou 2,caractérisée en ce que ledit bobinage (25) est de type ondulé et est constituéde deux systèmes triphasés (A1, B1, C1 ; A2, B2, C2).
9. 9. Machine électrique tournante selon la revendication 8, caractériséeen ce que lesdits deux systèmes triphasés (A1, B1, C1 ; A2, B2, C2) sontdécalés entre eux d'un angle électrique (a) compris entre 0 et 60 degrésexclu.
10. 10. Machine électrique tournante selon la revendication 8 ou 9,caractérisée en ce que chaque bras de pont (P1-P12) est associé à unedemi-phase.
11. 11. Machine électrique tournante selon la revendication 4 ou 10,caractérisée en ce que chaque portion de phase est constituée par unensemble de bobines (27) branchées électriquement en série ou enparallèle.
12. 12. Machine électrique tournante selon l'une quelconque desrevendications 1 à 11, caractérisée en ce que les phases sont couplées entriangle ou en étoile.
13. 13. Machine électrique tournante selon l'une quelconque desrevendications 1 à 12, caractérisée en ce qu'une longueur dudit corps destator (21) est supérieure à la moitié d'un rayon extérieur dudit corps destator (21).
14. 14. Machine électrique tournante selon l'une quelconque desrevendications 1 à 13, caractérisée en ce qu'elle est de type synchrone.
15. 15. Machine électrique tournante selon l’une quelconque desrevendications 1 à 14, caractérisée en ce qu'elle comporte un rotor (11) àaimants permanents (18).