EP1735898A2

EP1735898A2 - Coupleur electromagnetique de transmission electrique de puissance et dispositif de transmission comportant un tel coupleur

Info

Publication number: EP1735898A2
Application number: EP05739697A
Authority: EP
Inventors: Armando Fonseca; Paul Romagny
Original assignee: Renault SAS
Current assignee: Renault SAS
Priority date: 2004-04-01
Filing date: 2005-03-31
Publication date: 2006-12-27
Also published as: WO2005096476A3; WO2005096476A2; FR2868622B1; FR2868622A1

Abstract

Coupleur électromagnétique de transmission électrique de puissance comprenant deux machines électriques, avec deux rotors respectivement reliés à un premier arbre (7) et à un second arbre (5), les induits de ces deux machines étant disposés entre les deux rotors, caractérisé en ce que les bobinages (9) des deux induits sont communs à ces deux induits, un premier entrefer (El) étant réalisé entre une partie de l'un des rotors et une partie de l'autre rotor, un deuxième entrefer (E2) étant réalisé entre les bobinages en commun (9) des deux induits et une autre partie de l'un des rotors et un entrefer supplémentaire (ES) étant réalisé entre les bobinages (9) et ladite partie de l'autre rotor, de sorte que le flux magnétique principal collecté au niveau du premier entrefer (El) se compose avec le flux magnétique issu du deuxième entrefer (E2).

Description

Coupleur électromagnétique de transmission électrique de puissance et dispositif de transmission comportant un tel coupleur

La présente invention concerne un coupleur électromagnétique de transmission de puissance et un dispositif de transmission comportant un tel coupleur. La transmission de puissance mécanique entre une source de mouvement motrice et l'élément à entraîner nécessite très souvent une adaptation de vitesse en fonction des régimes de fonctionnement. C'est notamment le cas sur les véhicules automobiles où la motorisation à combustion interne doit pouvoir entraîner les roues depuis l'arrêt jusqu'à leur vitesse maximale : la transmission comporte alors usuellement un dispositif de couplage autorisant un glissement au moins temporaire (embrayage à friction, embrayage électromagnétique à poudre, convertisseur de couple hydraulique, etc.) associé à une démultiplication mécanique de mouvement à rapport variable (boîte de vitesses à rapports discrets, dispositif mécanique à rapport continûment variable...). Pour assurer cette adaptation, on connaît également, en alternative aux dispositions mécaniques, les solutions à transmission électrique de puissance: dans un premier temps, la puissance mécanique motrice est transformée en puissance électrique par une machine électrique génératrice, puis elle est à nouveau convertie sous forme mécanique par un moteur électrique. Les commandes électroniques de la génératrice et du moteur permettent alors un découplage total en vitesse. Il est possible d'adjoindre à ces solutions un dispositif de stockage électrique (accumulateur, etc.) qui ouvre des opportunités additionnelles de gestion des flux d'énergie, notamment en vue d'économies de consommation de carburant ou de gains de performances; (récupération au freinage, plus grande latitude de choix des points de fonctionnement de la source motrice selon des critères de rendement, apports transitoires de puissances d'appoint, démarrage du moteur thermique...); ce type de configurations est fréquemment appelé "hybridation série". La transmission électrique série comporte en contre partie quelques inconvénients, particulièrement en ce qu'elle nécessite une double conversion intermédiaire de l'intégralité de l'énergie: cette cascade est coûteuse en dimensionnement électronique et le produit des rendements de conversion peut remettre en cause l'intérêt énergétique pour certains modes de fonctionnement; (par exemple, pour les régimes stabilisés où la source motrice est bien exploitée avec les boîtes de vitesses). On notera que ces inconvénients de la transmission électrique sont moindres dans les configurations de transmission " dérivation électrique de puissance" où l'on exploite la souplesse d'adaptation de vitesses électrique en parallèle avec une voie de transmission mécanique de la puissance; la double conversion électromécanique de puissance est alors limitée à une fraction de la puissance à transmettre. La transmission multi-mode avec variateur continu décrite dans la demande de brevet FR-2 823 281 est par exemple de ce type. C'est dans ce contexte de la transmission électrique l'on peut situer le "coupleur électromagnétique". Le principe peut en être compris à partir du schéma de principe de ta figure 1 qui représente un coupleur électromagnétique connu. La source motrice (moteur thermique, axe d'entrée de la dérivation électrique de puissance...) entraîne en rotation par l'arbre d'entrée 7, l'induit 1 d'une machine électrique M1. Cet induit 1 est alimenté en courant au travers d'une électronique polyphasée 3 et est ainsi couplé magnétiquement au travers de l'entrefer E1 avec un deuxième rotor 4. Pour ce couplage, on peut utiliser différents types de liaisons: le deuxième rotor 4 peut ainsi comporter par exemple des aimants, une cage d'écureuil asynchrone, ou encore une denture réluctente, la conception de l'induit tournant de la machine M1 étant adaptée en conséquence. Le deuxième rotor 4 est lié à l'axe de sortie 5 de mouvement; il permet de lui transmettre directement le couple de la source motrice. Le contrôle du champ tournant par l'électronique 3 associée à l'induit 1 permet d'ajuster à volonté le différentiel de vitesse entre entrée et sortie: selon le signe de ce glissement, l'induit sera générateur ou bien récepteur. Au synchronisme, la source motrice sera liée à la sortie comme elle le serait par un couplage mécanique direct, l'induit ne recevant alors que la puissance électrique nécessaire à ta magnétisation; (dans ces conditions, l'alimentation est en courant continu si la machine M1 est de type synchrone). Le deuxième rotor 4 est par ailleurs couplé au travers d'un deuxième entrefer E2 avec l'induit 2 d'une machine électrique 2. Il est en conséquence doté au niveau de cet autre entrefer des éléments nécessaires au couplage magnétique correspondant (aimants, cage asynchrone, ... ). L'induit 2 est quant à lui fixe. Son alimentation en courant par une électronique polyphasée 6 permet de générer sur le rotor intermédiaire 4 un couple complémentaire (additif ou soustractif) à celui qui provient déjà de la source motrice. On comprend que le coupleur, comme une transmission électrique, permet d'adapter à volonté la transmission en vitesse et en couple et d'exploiter éventuellement le potentiel d'un stockage d'énergie électrique. Il peut être utilisé soit pour transmettre l'intégralité de la puissance comme dans une transmission électrique série, mais aussi dans une transmission à dérivation électrique de puissance. Parallèlement à sa fonction de transmission de puissance, il peut assurer une fonction de génération d'électricité ou de traction électrique. Par rapport à la transmission électrique à deux machines séparées, le coupleur électromagnétique présente plusieurs avantages notables, en particulier les suivants: le dimensionnement des électroniques, et donc leur coût, peut être réduit de manière importante: en effet, la souplesse recherchée peut être obtenue en ne traitant par l'électronique que la puissance de glissement entre les deux rotors, de la même façon, le coupleur présente un avantage de rendement; (moindre puissance transitant par l'électronique, faibles pertes fer de la machine M1 qui fonctionne à faible vitesse différentielle, voire au synchronisme avec la seule puissance de magnétisation), l'intégration de principe des machines électriques permet d'obtenir des réalisations compactes.

Si de tels coupleurs électromagnétiques ont déjà été décrits depuis longtemps, par exemple dans le brevet AU-5840173, leur introduction industrielle a été handicapée par deux difficultés: le refroidissement de l'induit rotorique de la machine M1: cet induit 1 comporte en effet des bobinages difficiles à refroidir parce que l'échange thermique avec cette partie tournante s'effectue au travers de l'air (forte impédance thermique) et que l'amenée de fluides caloporteurs efficaces est évidemment compliquée par la rotation. L'alimentation de cet induit au travers de contacts électriques glissants 8 : ces contacts représentent une contrainte d'intégration au plan topologiquβ, en volume, en termes de compatibilité à l'environnement physique et de fiabilité; ils constituent par ailleurs un poste de coût non négligeable.

L'invention récemment décrite dans la demande de brevet français 04 00830 du 29 janvier 2004 dont une illustration de principe est donnée en figure 2, permet de résoudre ces deux difficultés à la fois: les bobinages 9 de chaque phase de l'induit 1 sont formés en tores et leur couplage magnétique à l'entrefer E1 est réalisé par des systèmes de griffes 10, 10a, comme on peut le voir sur l'exemple de la figure 3 pour J'un de ces bobinages, des entrefers supplémentaires ES pratiqués dans ces circuits magnétiques permettent de désolidariser mécaniquement les griffes tournantes 10 des bobinages 9; ainsi, les bobinages en question deviennent fixes, et par suite, faciles à refroidir efficacement tandis que les contacts glissants sont supprimés. Sur cette figure 3, les références 13 et 13a désignent respectivement la surface tournante et la surface fixe de l'entrefer ES supplémentaire. La présente invention reprend ces solutions de coupleurs électromagnétiques sans contact glissant et leur apporte de nouveaux progrès de nature à en améliorer encore te 5 rendement et la compacité. L'invention vise ainsi un coupleur électromagnétique de transmission électrique de puissance comprenant deux machines électriques, avec deux rotors respectivement reliés à un premier et à un second arbre, les induits de ces deux machines étant disposés entre les deux rotors.

10 Suivant l'invention, ce coupleur électromagnétique est caractérisé en ce que les bobinages des deux induits sont communs à ces deux induits, un premier entrefer étant réalisé entre une partie de l'un des rotors et une partie de l'autre rotor, un deuxième entrefer étant réalisé entre les bobinages en commun des deux induits et une autre partie de l'un des rotors et un entrefer supplémentaire étant réalisé entre les bobinages et ladite

15 partie de l'autre rotor, de sorte que le flux magnétique principal collecté au niveau du premier entrefer se compose avec le flux magnétique issu du deuxième entrefer. Selon un autre aspect de l'invention, le dispositif de transmission de puissance électrique comprenant un coupleur électromagnétique de transmission électrique de puissance comprenant deux machines électriques, avec deux rotors respectivement reliés

20. à un premier arbre et à un second arbre, les induits de ces deux machines étant disposés entre les deux rotors est caractérisé en ce que les bobinages des deux induits sont communs à ces deux induits, un premier entrefer étant réalisé entre une partie de l'un des rotors et une partie de l'autre rotor, un deuxième entrefer étant réalisé entre les bobinages en commun des deux induits et une autre partie de l'un des rotors et un entrefer

25 supplémentaire étant réalisé entre les bobinages et ladite partie de l'autre rotor, de sorte que le flux magnétique principal collecté au niveau du premier entrefer se compose avec le flux magnétique issu du deuxième entrefer et en ce que les bobinages sont alimentés au moyen d'un onduleur unique par des courants électriques polyphasés comportant des composantes superposées.

30 ^* Ce coupleur électromagnétique comprend de préférence plusieurs bobinages annulaires disposés les uns à côté des autres autour d'un axe commun, chacun de ces bobinages étant alimenté par l'onduleur unique. Chaque bobinage est compris entre deux éléments magnétiques comportant chacun une série de griffes disposées annulairement autour du bobinage et dirigées vers les griffes

35 de l'autre élément, les griffes de l'un des éléments étant disposées entre les griffes de l'autre élément, ces griffes étant disposées en regard d'aimants disposés annulairement sur une partie extérieure du rotor pour réaliser le premier entrefer, le nombre d'aimants étant égal à celui des griffes et la polarité de ces aimants étant successivement inversée. Dans un mode de réalisation, chaque bobinage entoure annulairement deux éléments magnétiques comportant chacun une série de griffes disposée annulairement autour de l'axe du bobinage et dirigées vers les griffes de l'autre élément, les griffes de l'un des éléments étant disposées entre les griffes de l'autre élément, ces griffes étant disposées en regard d'aimants disposés sur une partie intérieure du rotor pour réaliser le deuxième entrefer, le nombre d'aimants étant égal à celui des griffes et la polarité de ces aimants étant successivement inversée, chaque bobinage définissant avec lesdits éléments à griffes, une galette. Les galettes sont déphasées angulairemeπt l'une par rapport à la suivante de 2τr/(nι.p₁) par rapport au premier entrefer et de 2π/(n₂.p₂) par rapport au deuxième entrefer, le nombre n de bobinages étant un multiple commun de ni et n₂, ni étant le nombre de phases correspondant à l'entrefer (E1) et n₂ étant le nombre de phases correspondant à l'entrefer (-≡2), pi étant le nombre de paires de pôles sur le premier entrefer et p₂ le nombre de paires de pôles sur le deuxième entrefer. L'onduleur unique est adapté pour générer dans chaque galette un premier courant polyphasé de pulsation ωi déphasé de 2τr/n . d'une galette à l'autre et un second courant polyphasé de pulsation ω₂ déphasé de 2ττ/n₂ d'une galette à l'autre. D'autres particularités et avantages de l'invention apparaîtront encore tout au long de la description ci-après. Aux dessins annexés, donnés à titre d'exemples non limitatifs: la figure 1 est un schéma de principe d'un coupleur électromagnétique selon l'état de l'art, illustré ici dans une disposition concentrique des deux machines, la figure 2 est un schéma de principe d'un coupleur électromagnétique sans contact glissant avec bobinages globalisés annulaires immobilisés au moyen d'entrefers supplémentaires, la figure 3 est une vue éclatée d'une disposition de circuit magnétique à griffes avec entrefers supplémentaires permettant l'immobilisation du bobinage, la figure 4 est une variante d'un coupleur électromagnétique sans contact glissant: les parties bobinées des induits 1 et 2 sont disposées de manière adjacente; de plus, elles sont toutes les deux réalisées avec des bobinages annulaires avec couplages magnétiques par des systèmes de griffes _griffes tournantes pour l'induit 1 , griffes fixes pour l'induit 2_, la figure 5 est une disposition selon l'invention avec mise en commun des bobinages des deux induits, - la figure 5a est un schéma de l'électronique utilisée dans le dispositif selon la figure 5, la figure 6 est une vue éclatée d'un bobinage selon la disposition de la figure 5 avec son double système de griffes, te rotor double est représenté ici dans une configuration schématique avec des aimants de surface, - la figure 7 est un schéma équivalent du circuit magnétique d'un exemple de réalisation à courants composés et flux traversant la figure 8 est un schéma équivalent globalisé correspondant à celui de la figure 7, la figure 9 montre des exemples de dispositions à courants composés permettant l'annulation des couples puisants, la figure 10 montre un exemple d'adaptation à l'invention d'une cage asynchrone illustrée en perspective sur la partie intérieure du rotor, un espace non magnétique est ménagé entre les circuits magnétiques associés à chaque galette, - la figure 11 montre un autre exemple d'adaptation à l'invention d'une cage asynchrone: la vue en perspective ne montre cette fois qu'une moitié de la partie externe du rotor, les barres conductrices comportent des segments décalés angulairement pour réaliser le déphasage souhaité. Pour comprendre plus aisément l'invention, il est utile de revenir tout d'abord sur l'une des dispositions déjà présentée dans la demande de brevet français 04 00830 du 29 janvier 2004. Le principe de cette disposition est donné sur la figure 4. Le fonctionnement général en est analogue à celui de la disposition de la figure 2. Uarbre 7 dit "moteur" entraîne des systèmes de griffes 10 associés à l'induit 1 et qui en assurent le couplage aux parties actives de l'entrefer E1. La liaison magnétique entre ces griffes tournantes 10 et les bobinages annulaires fixes 9 de l'induit 1 s'opère au travers d'entrefers supplémentaires lisses ES. Ce premier induit 1 comporte plusieurs galettes placées côte à côte avec un déphasage angulaire successif approprié entre griffes et parties actives du rotor en vis à vis, de façon à constituer un système polyphasé. Cette première machine électrique, alimentée par un onduleur électronique 3, permet de transmettre te couple de l'arbre moteur 7 à la sortie de mouvement 5 avec un glissement positif ou négatif réglable à volonté. Le second induit, associé 2, associé à un autre onduleur électronique 6 joue le rôle d'une machine électrique usuelle et permet d'ajouter ou de retrancher du couple sur le rotor lié à la sortie de mouvement. La puissance de glissement du premier induit 1 peut être utilisée sur te second induit 2 avec des échanges éventuels avec un stockage d'énergie électrique. Le rôle de chaque entrefer E1, E2, ES peut être naturellement inversé avec un entrefer E1 et son entrefer supplémentaire externe ES tandis que l'entrefer E2 deviendrait interne. Par rapport à celle de la figure 2, la disposition de la figure 4 comporte cependant deux particularités: d'une part, les parties fixes 11 des induits qui portent les bobinages 9 sont réunies dans des espaces adjacents, ce qui présente un intérêt pour l'intégration mécanique et la mise en commun des circuits de refroidissement; d'autre part, l'induit 2 est du même type que l'induit 1: ses bobinages sont annulaires, couplés à l'entrefer E2 par des systèmes de griffes 10 fixes dans ce cas; il comporte le même nombre de galettes. Comme on va le voir maintenant, cette disposition peut être modifiée selon la présente invention pour obtenir des bénéfices supplémentaires à ceux déjà évoqués. Un exemple de disposition du coupleur électromagnétique selon l'invention est illustré sur la figure 5. Les induits 1 et 2 sont inspirés de la disposition à bobinages circulaires 9 déjà représentée sur la figure 4, avec une immobilisation des bobinages de l'induit 1 par entrefer supplémentaire ES. A la différence de la configuration de la figure 4 cependant, i! n'y a plus qu'un bobinage 9 par galette au lieu de 2, Ce bobinage 9 est commun aux deux induits; les culasses magnétiques 11 qui séparaient auparavant les bobinages 9 de la figure 4 ont disparus; les circuits magnétiques fixes des deux induits sont mis en commun; le flux principal collecté au niveau de l'entrefer E1 se compose ainsi avec celui issu de l'entrefer E2. On dira que le circuit magnétique des parties fixes des induits 1 et 2 est à "flux traversant".

Là où, dans les dispositions précédemment décrites, il y avait deux onduleurs alimentant chacun les bobinages polyphasés propres à chaque induit, on n'utilise plus maintenant qu'un unique onduleur commun 3 qui alimente les bobinages 9 par des courants polyphasés comportant deux composantes superposées. On désignera par la suite ce principe de supeφosition de courants par l'expression "commande à courants composés". Des commandes de ce type ont déjà été décrites dans d'autres conditions dans des brevets comme ceux des références US-6373160, US-6049152, EP-1089425. Elles seront présentées plus loin de manière plus explicite dans le cadre de l'invention. Comme on le verra plus loin, le choix d'une disposition à six galettes selon la figure 5 correspond à l'une des possibilités d'exploitation de la commande à courants composés qui permet de s'affranchir des ondulations de couple parasites. Les hauteurs de stator de la figure 4 ont été globalement conservées sur la représentation de la figure 5 pour mettre en évidence l'accroissement de section possible du bobinage unique 9 par rapport à chacun des bobinages antérieurs. Dans cette disposition, le stockage d'énergie électrique est toujours facultatif. Pour faciliter la compréhension, la figure 6 propose une vue éclatée indicative d'une bobine 9 commune aux deux induits 1, 2 et du double système de griffes qui lui est associé; l'ensemble est positionné en regard du rotor de sortie de mouvement Sur cette figure 6, les références 10, 10a désignent le système de griffes associées à l'entrefer E2, les références 12, 12a le système de griffes tournant associé à l'entrefer E1, les références 13, 14 les surfaces en regard de l'entrefer supplémentaire ES et les références 15, 15a les parties externe et interne du rotor de sortie de mouvement qui dans cet exemple est représenté avec une disposition à aimants de surface. Les références 16 et 17 désignent les éléments magnétiques associés aux griffes 12, 12a. Chacun de ces groupes d'aimants est disposé sur un anneau ferromagnétique (respectivement interne et externe) qui assure le bouclage du flux. Cette hypothèse servira de base au développement de la présentation de ta commande à courants composés qui suit, mais, comme cela a déjà été observé précédemment, de nombreux autres modes de réalisation sont possibles (aimants insérés, aimants enterrés, asynchrone, réluctance; notamment avec un bouclage transverse de flux comme indiqué dans la demande de brevet français 04 00830 du 29 janvier 2004. On va maintenant décrire le fonctionnement d'une disposition de ce type alimentée par courants composés. Le nombre de griffes de chaque entrefer est égal au nombre d'aimants qui sont en vis à vis; il y a ainsi pi paires de pôles sur -'entrefer E1, et p₂ sur l'entrefer E2, ^* Le nombre n de galettes est choisi pour être ur multiple commun de n- et de n₂: n=k..nι {: n=k₂.π₂avec ki et k₂ entiers.

Au niveau de l'entrefer E1, la disposition successive des galettes comporte un déphasage angulaire de 2π/(n₁.p₁); ce déphasage peut être obtenu soit en jouant sur le calage angulaire du groupe d'aimants associé à cette galette au niveau de l'entrefer E1, soit au niveau du groupe de griffes correspondant du rotor de la source motrice. Ainsi, par rapport à l'entrefer E1 , le système est électriquement à ni phases. De même, au niveau de l'entrefer E2, la disposition successive des galettes comporte un déphasage angulaire de 2π (n₂.p₂); ce déphasage peut être obtenu soit en jouant sur le calage angulaire du groupe d'aimants associé à cette galette au niveau de l'entrefer E2, soit au niveau du groupe de griffes fixes correspondant. Ainsi, par rapport à l'entrefer E2, le système est électriquement à n₂ phases. et_! est la position angulaire relative du rotor associé à la sortie de mouvement par rapport à celle du rotor associé à la source motrice, dont la position angulaire pour l'entrefer El α₂ est la position angulaire du rotor associé à la sortie de mouvement, donc la position angulaire pour l'entrefer E2. Ainsi, en notant Ωβ et Ω* les vitesses de l'entrée motrice et de la sortie de mouvement:

Ω -Ω . --_ ₂ -- ^ ι d e Ω = dt ^~dT

On notera ω - p₁.(Ω_:s -Ω_e)et ₂ = p₂-Çl_s ^les pulsations électriques associées respectivement aux deux entrefers. Θ_aι; Θ_a2 et θ_b seront respectivement les potentiels magnétiques des aimants de i'entrefer El, de l'entrefer E2 et celui de la bobine {c'est à dire, ses ampères-tours). L'onduleur 3 est schématisé sur la figure 5a: il comporte un nombre de bras correspondant à un multiple commun de ni et n₂ de préférence le plus petit multiple commun. Ce nombre de bras 18 correspond au nombre de galettes, à moins que chaque système polyphasé ne comporte plusieurs groupes de phases identiques: dans ce cas, les bobinages de même calage peuvent être raccordés en parallèle ou en série. Selon le principe connu de découpage par commutation des composants électroniques, et en exploitant l'information angulaire α-j issue de capteurs placés à cet effet, l'onduleur peut ainsi générer dans chacun des k. groupes de galettes à ni phases un système de courants polyphasés de pulsation ω-_.; au sein d'un groupe, chaque courant est successivement déphasé de 2π/n et la somme des courants est nulle. De la même façon, l'onduleur peut aussi générer dans chacun des ka groupes de galettes à n₂ phases un système de courants polyphasé de pulsation ω₂; au sein d'un groupe, chaque courant est successivement déphasé de 2π/n₂ et la somme des courants est nulle. La sommation des consignes permet d'obtenir une superposition des deux systèmes polyphasés, et une galette i sera parcourue par des courants lui conférant un potentiel magnétique:

211 211 Θ₆ ,. = Θ_M.sin(/vo.- + ç\ J) + ®_b2.άn(p₂.a₂ + φ₂ i) «! «2 soit encore, en remplaçant ni et n₂ par leur valeur en fonction de n: Θ_fc - k₂.j) où Θ_b1 et Θb₂, <pι et φ_∑ sont des amplitudes et des phasages réglables par la commande électronique. On s'intéresse maintenant au fonctionnement du circuit magnétique. La figure 7 donne un schéma équivalent du circuit magnétique ainsi défini sur une galette. A la manière des illustrations utilisées pour les circuits électriques, les cercles représentent les sources de potentiel magnétique et les rectangles figurent les peπméances. Le circuit n'a été représenté qu'en partie: il y a en fait autant de sources Θ_a1 et Θa2 que d'aimants. Pour ne pas compliquer inutilement l'exposé, on considérera ce circuit magnétique comme linéaire. Les pemnéances représentées sous forme grisée symbolisent les chemins de fuite; (fuites entre griffes, fuites réparties sur le bobinage). Ce schéma est globalisé sur la figure 8.

On décrit le couplage magnétique des aimants avec les griffes par un ensemble de perméances Λδ₊ι _ou 2 et Λ_M «_ 2 variables avec la position et qui intègrent la perméance d'entrefer et la perméance interne d'aimant. On admettra que l'on peut rendre compte de ces variations en première approche par des évolutions sinusoïdales:

^Λ _im2 = =- cos(/? .ûr_loa2)+— Λεuppi sera la perméance d'un entrefer supplémentaire. Dans ces conditions, le couple électromagnétique d'une galette au niveau de l'entrefer E1 s'écrit: r - ^{l dK}°^ 1 ^l — --2a2 1 dk + bb Θ d _x da, 2 da + ^^_.2Θ_fll.2Θ_Λ2 + * -.2Θ_al.®_b + ^A2Θ_α2-Θ da_x d da_} et au niveau de l'entrefer E2: _c _ t _{ΛA [} 1 rfΛ_{a2n2 |} 1 d _{bb &2} ^δ2 2 da 2^' d ₂ 2 da₂ ^{' b}

avec - u,: perméance mutuelle entre aimants ai et bobine b, etc.

Les termes affectés du coefficient ^ΛA correspondent aux composantes réluctantes. On va maintenant évaluer chacun des termes de ces expressions des couples. Remarque préliminaire: les aimants étant "éteints" (court-circuit), les groupes de permeances entrefer-aimants repérés par un cerclage sur la figure 8 ont respectivement une valeur équivalente de: Λ_G/arΛ.,₊_,- =Cp,.Λ_Λl +P_iA_δι _en_série avec p_lA_Si_+p₁Λs_i ... _A _PιAs +P s _A.^Λ* ^{bϋlL Jv}a Λ+_ι- - ^~ ~ ~

at • Λ — ^' ^2ma^χ

""" ^l^Gr&s2*_ - ~ r. c'est-à-dire une valeur constante.

Evaluation des couples réluctants en ^dA9^{lal dA«}^^{2 dA}i _et ^d^- da₂ da_x da_x d ₂ Il résulte de la remarque préliminaire que ces couples réluctants sont nuls sur chaque galette:

Evaluation des couples réluctants en — ≈i^L _e — ≥----i- da da₂

Le calcul de Λ_aι_aι conduit à une formulation du type: avec: alaljnax 1 + - ^Gnffesl+_l- doncΛ_alβlœflX<Λ_G„_jr„,₊ _

Sur une galette, il existe donc un couple reluctant associé aux aimants dans l'entrefer E1: 1 dh --lai ( f21Θ Ot \² = ^,.Λ_alalmax .sin( _la_t). cos( ,ûf₁).(2β_Ω)^: 2. da_x soit i_ ^rfΛ ------ ,( β_π)² = ^P|,Λalal" .sin( 2p_la_ï).(2Θ _a)² 2. da 2 Ce couple sur une galette est puisant à deux fois la fréquence synchrone de l'entrefer E1; il est proportionnel au nombre de pôles p_t; les fuites tendent à l'atténuer. Sa composition polyphasée sur l'ensemble des galettes donne cependant une résultante nulle; (sauf pour le cas particulier où n=2 qui s'apparente en fait au monophasé, avec deux bobinages en opposition de phase). " De même, il existe dans l'entrefer E2 au niveau de chaque galette un couple reluctant puisant associé aux aimants; tt est proportionnel au nombre de pôles p₂ et les fuites tendent à l'atténuer. A nouveau, la résultante polyphasée en est nulle sauf pour le cas n=2. Evaluation des couples d'interaction entre aimants des deux entrefers (termes en ^d _a^_{2 ci} dA_ala2 -/«_! da₂

Le calcul de Λ_aι₃₂ sur la galette i conduit à: 2J-1 211 ^A _ala2 = ^Λ-._{l 2}.n_*. -^COS( V^Ûf- .*, i).COS(^₂.α₂ -λ₂-0 n n avec, lorsque les permeances de fuite peuvent être négligées: _{Λ =}

Les permeances de fuite conduisent en pratique à une réduction de ce terme.

Ainsi, le couple lié à l'interaction entre groupes d'aimants 1 et 2 est sur l'entrefer E1 de la galette i de: -M) soit encore: 211 + sin(p,.α- - »₂.α₂ (^ -k₂)i)) n La galette en question est par conséquent soumise sur l'entrefer E1 à un couple puisant qui comporte deux composantes: une à la pulsation ω-ι+α-₂ et l'autre à | e»ι-ω₂1. Cependant, à l'exception de certains cas particuliers comme par exemple celui où les deux entrefers ont le même nombre de phases: nι=n₂. les résultantes polyphasées en ©ι+ω₂ et en | ωr-ω_∑ 1 sont nulles. C'est le cas notamment pour les exemples du tableau de la figure 9. De manière symétrique, au niveau de l'entrefer E2 d'une galette, il existe un couple puisant avec une composante à ω-ι+<D₂ et une autre à |co --.2. - Sous les mêmes conditions de nombre de phases que ci-dessus, les résultantes polyphasées s'annulent également sur cet entrefer E2: Evaluation de l'interaction entre aimants et bobine (termes en —^-et ₇ ^a2b ;-— ^et— — ) da_x da₂ da₂ da_x 2T1 Le calcul de Λ_a.b conduit à: une expression du type: A._alb - Λ_αlfcmax.cos{ ?₁.a:_] .k_vi) n 211 De même, le calcul de Λ_a2b conduit à: A._a2b - Λ_Λ2ijnax.cos( ?₂.û.₂ k₂.i))

Ce sont donc les termes en — —et — — qui traduisent le couplage de la bobine avec da_λ da₂ tes aimants; les termes en — —et — — ne produisent pas d'effort da₂ da_x Pour construire un couple moyen utile dans l'entrefer E1, il faut introduire une composante de courant à la pulsation ω, synchrone de pi-α-.; réciproquement, la construction d'un couple moyen utile dans l'entrefer E2 suppose une composante de courant à la pulsation ω₂ synchrone de p₂.α₂.

Si l'on suppose ainsi que, par une commande électronique appropriée, on génère sur chaque galette i: 2TT 2IT ®b , ^≈ Θ-.-.sin α. + . « V)+Θ₆₂.sin(/^? ₂-<ar-- + Ψι - ) alors, il apparaît dans l'entrefer E1 de la galette i un couple: *ι^J) + _b2.sm(p₂.a₂ + φ₂ J.₂.-)) que l'on peut mettre sous la forme: f^-S..2Θ_flt.Θ_» ≈ - P^ J2.Θ_Λ.{Θ_bl<cosφ_l -∞B&p^ +φ_x -—- » da 2 n ιτ 2π + Θ₆₂.(cosQ?, .û., -p₂.a₂ -φ₂ .(£, -k₂)j)- cas(p_y .a_l + p₂.a +φ₂ .(A, +k₂).i)) n n

Donc, au niveau de l'entrefer E1 sur une galette: l'interaction bobine-groupe 1 d'aimants se traduit par une composante utile continue, et trois composantes puisantes respectivement à o._1t ωι+ω_2l et | ω.-ω-. ! . La résultante en en est nulle pour nι>2. Les deux autres, composantes puisantes ont également des résultantes nulles sauf cas particuliers déjà é-voqués; elles sont nulles en particulier pour les exemples de la figure 9. Symétriquement, on obtient un résultat similaire dans l'entrefe-r E2. aπ--?-?.?.î5-?y J.^e.Ç.

Finalement, en prenant en compte la résultante des -couples sous les conditions d'annulation des composantes puisantes: sur l'entrefer E1 :

sur l'entrefer E2: _{Csτ =} ΛA-*--. ,2.@_a2θ_fc2.cosffl₂

L'accroissement des couples avec le nombre de pôles, dans la limite des effets parasites croissants liés aux fuites, est un effet naturel des structures à induit globalisé: la multiplication des pôles ne génère pas de contrainte sur la section du bobinage. En régime établi, on ajuste le couple du premier entrβrer pour équilibrer celui de la source motrice en jouant sur Θ_M.cosφι. Le couple sur le rotor de sortie est ensuite réglé en jouant sur le couple du deuxième entrefer par Θ_b2.cosφ₂. La disposition selon l'invention qui vient d'être décrite avec commande à courants composés permet bien d'obtenir la fonction recherchée de coupleur. Sa comparaison à son analogue à bobinages séparés dépasse le cadre de cette présentation, mais on peut toutefois noter qualitativement les points suivants: - tes aimants et tes culasses de bouclage de flux associées sont traversés par des composantes de flux puisantes: pour se prémunir contre te développement de courants de Foucault en leur sein, il est souhaitable que ces aimants soient à résistivité électrique interne élevée ou fractionnés en éléments de faible longueur isolée les uns et des autres; la constitution des culasses doit de même être adaptée aux flux variables (feuilletage, "poudres de fer"...). Cette observation vaut naturellement pour les transpositions à des configurations avec des dispositions d'aimants différentes, des réalisations asynchrone ou à réluctance variable. - comme dans les dispositions à induits séparés, la question des couplages parasites entre galettes voisines négligée en première approche ci-dessus doit être prise en considération: comme cela a déjà été observé pour les dispositions à induits distincts, en alternative à l'espacement des galettes, il peut être préférable de pratiquer des coupures magnétiques annulaires dans les espaces médians entre galettes au niveau des culasses externes et internes du rotor de sortie. - un surdimensioπnement des aimants est nécessaire: en effet, le facteur ™^Ά .2.Θ de proportionnalité du couple utile à θbj 2 correspond à un flux magnétisant; on retrouverait un coefficient de même nature dans le cas de bobinages séparés. Par rapport à ce dernier, avec des dimensions géométriques comparables, ce facteur se dégrade en raison de l'allongement du chemin magnétique dû à la structure à flux traversant, ce qui implique une augmentation du courant ou des dimensions. Des précautions relatives au risque de démagnétisation des aimants qui fonctionnent régulièrement en opposition vont aussi dans ce sens; les permeances de fuite correspondent à un paramètre d'optimisation du dimensionnement Naturellement, la question de la limite de démagnétisation ne se pose pas dans les réalisations asynchrones ou à réluctance; l'allongement du chemin magnétique résultant de la mise en série des entrefers n'y affecte que les composantes magnétisantes apportées par te bobinage.

- en contrepartie, des réductions sensibles des pertes Joule sont possibles; c'est un point important pour améliorer le rendement du coupleur et pousser plus loin les progrès apportés à sa thermique: en effet: à géométrie similaire, on conserve sensiblement les potentiels magnétiques Θ_M et Θ_b2 requis pour produire les couples. Or, on dispose pour loger le bobinage unique d'une section correspondant à la somme des sections des bobinages séparés de référence à laquelle s'ajoute potentiellement l'espace libéré par la suppression des culasses; on peut ainsi grossièrement considérer que ta section et le volume de cuivre du bobinage unique rapporté à l'un des précédents ont été multipliés par k>2. Si la densité de courant de référence était de j dans chacun des bobinages séparés, tes densités ji et j₂ des courants composés sont maintenant chacune de l'ordre de j/k; sauf cas particulier où les pulsations e^et ω₂ sont liées, les pertes Joule associées à ji et j₂ sont simplement additives: h² + J2²); (P étant la résistivité du conducteur et V_Ctl son volume global); cela signifie que les pertes Joule globales sont alors divisées par k>2. - tes pertes peuvent être réduites dans les composants électroniques, d'où un autre progrès sur le rendement et le coût associé au dimensionnement: En effet: si on considère que les pertes dans les composants électroniques sont en bonne partie liées au passage du courant au travers d'une tension de déchet (transistors IGBT, diodes de roue libre des bras de pont) et qu'on exprime grossièrement cette fraction des pertes sous la forme: il ), il vient dans te cas des bobinages séparés: Pertes giobales≈ V_d*moyeπne(| h.sinω .tl )+ V_d ^*moyenne(| l₂.sin o₂tl ); dans les fonctionnements typiques du coupleur en transmission sans alimentation électrique, la puissance de la machine 1 est similaire à celle de la machine 2 et cela sous des tensions identiques aux chutes parasites près; on écrira: l-Ha≈l; d'où:

Pertes globales≈ V_d*l*(moyenne(| sinω-itl )+ moyeπne(| sinω₂t| )). Dans le cas de la commande en courants composés, le même raisonnement conduit à: Pertes globates= V_d*!*(moyenne(| sinωιt+sin<a₂tl )). Les estimations numériques sur un horizon de temps de quelques périodes montrent un avantage de la commande en courants composés sur ces pertes de l'ordre de 35%, (hors cas très particuliers du type e>ι=ω₂).

Pour préciser ce qui a été dit sur la possibilité de réalisations selon l'invention utilisant des parties actives asynchrones au rotor, la figure 10 donne un exemple d'adaptation d'une cage asynchrone sur l'entrefer E1. Sur cette figure 10, les références 25, 26 désignent des anneaux de court-circuits de la cage asynchrone, la référence 27 des barres conductrices parallèles, la référence 28 des surfaces annulaires du circuit ferromagnétique comprises entre les barres 27 et des espaces annulaires 29 non magnétiques. La référence 30 désigne la culasse magnétique. On suppose ici que le déphasage requis entre galettes successives est obtenu par un décalage angulaire au niveau des systèmes de griffes consécutifs. Les barres conductrices 27 disposées à intervalles réguliers à la périphérie du rotor sont ainsi sensiblement rectilignes et parallèles à l'axe longitudinat. Selon la forme des griffes et de l'espace qui les sépare, il peut être souhaitable ou non de donner à ces barres 27 une inclinaison par rapport à leur direction de référence, comme on le fait souvent dans les machines asynchrones usuelles pour lisser les phénomènes puisants associés à l'encochage du stator. Les extrémités des barres 27 sont liées électriquement entre elles de chaque côté du rotor par un anneau conducteur 25, selon le principe usuel des cages asynchrones. Une première particularité relative à l'isolation électrique des barres conductrices 27 est cependant à noter pour cette cage. On doit en effet éviter les chemins électriques parasites entre barres conductrices: chacun des segments d'une barre qui se trouve dans l'entrefer d'une galette est le siège de deux composantes de force électromotrice associées respectivement aux deux systèmes de courants composés; l'ensemble fonctionne sur la sommation de ces fem sur l'ensemble des galettes; ainsi par exemple, la composante polyphasée parasite destinée à l'autre rotor conduit à une sommation nulle sur l'ensemble des segments de chaque barre. Si des courants intermédiaires aux bouclages par les anneaux d'extrémités peuvent se développer, ils vont être à l'origine de pertes. Pour cette raison, les barres doivent être ici isolées les unes des autres sur leur longueur. Cette isolation peut être obtenue naturellement si le matériau ferromagnétique utilisé n'est pas un bon conducteur électrique (cas des poudres de fer). Pour la même raison, le matériau ferromagnétique ne peut être massif s'il est électriquement conducteur; on utilisera donc par exemple des poudres de fer ou bien des empilements de tôles magnétiques. Une seconde particularité concerne tes espaces non magnétiques 29 qui sont ménagés entre les circuits magnétiques associés aux différentes galettes: ces espaces sont visibles sur la figure 10. Comme cela a déjà été vu, tts constituent une alternative à l'espacement des systèmes de griffes pour limiter les couplages magnétiques par les fuites entre galettes. Des protubérances prévues sur les barres 27 peuvent jouer le rôle de cales entre les éléments ferromagnétiques ainsi fractionnés. La ^"figure 11 représente une variante de réalisation de cage asynchrone d'un coupleur électromagnétique selon l'invention. Elle représente en coupe la partie externe du rotor. Sur cette figure, la référence 31 représente le trajet d'une barre conductrice avec ses six segments en escalier. La référence 32 représente la culasse. Les références 33 et 34 montrent les deux anneaux d'extrémité de court-circuit. La référence 35 désigne les espaces non magnétiques. . On retrouve sur la figure 11, le principe général qui vient d'être décrit avec des barres 31 isolées électriquement sur leur longueur et connectées électriquement à leurs extrémités par des anneaux de court-circuit 33, 34. On retrouve également les espaces non magnétiques 35 entre galettes destinés au découplage. La particularité vient de ce que les barres conductrices 31 apparaissent comme constituées d'un ensemble de segments délimités par les frontières entre galettes successives; ces segments sont chacun essentiellement rectilignes et parallèles à l'axe longitudinal, mais comportent entre eux un décalage angulaire successif pouvant contribuer partiellement ou totalement à assurer le déphasage requis entre galettes au niveau de cet entrefer. La continuité électrique entre les segments d'une barre 31 est assurée au niveau des frontières entre galettes par des liaisons qui prennent dans le principe la forme d'arcs de cercle dans le plan perpendiculaire à l'axe longitudinal. Ces liaisons peuvent servir de cales dans les espaces non magnétiques. Comme déjà remarqué ci-dessus pour le rotor intermédiaire, les segments de barre peuvent comporter une inclinaison par rapport à leur position de référence, et le crénelage de principe entre les segments peut s'en trouver fortement atténué, voire masqué. Ce mode de réalisation où te déphasage est réalisé au rotor permet de choisir librement le positionnement angulaire relatif entre galettes des systèmes de griffes, par exemple sur des critères de minimisatioπ des permeances de fuite entre galettes. Par ailleurs, en matière de déphasage, il est aussi possible de jouer sur l'ordre des galettes. Les cages asynchrones peuvent être réalisées par des procédés variés: des barres conductrices 27, 31 en cuivre peuvent par exemple être rapportées et soudées in situ à leurs anneaux d'extrémité 25, 26; 33, 34. On peut aussi réaliser d'emblée une cage complète, par exemple en aluminium coulé, sur laquelle on vient rapporter les éléments de circuits magnétiques sectorisés. On peut encore, dans le cas d'utilisation de poudres de fer, envisager un pressage du matériau magnétique sur la cage. La tenue mécanique de ces ensembles peut être obtenue par des solutions de collage, surmoulage, frettage, etc.. En résumé, l'invention s'applique à un coupleur électromagnétique sans contact glissant tel que décrit dans la demande de brevet français 04 00830 du 29 janvier 2004, c'est-à-dire dont les bobinages de l'induit rotatif sont rendus fixes dans une disposition "à induit centralisé" et "entrefers supplémentaires" avec distribution du flux alternatif dans l'entrefer par des systèmes de griffes. Selon l'invention, les circuits magnétiques des deux induits sont mis en commun, les parties du stator devenant "à flux traversant" et chaque galette ne comportant plus qu'un seul bobinage commun aux deux induits. La commande s'opère par un onduleur unique qui alimente les bobinages en courants composés. Les parties actives du rotor associé à la sortie de mouvement sont traitées pour accepter les flux alternatifs de la composante non synchrone, en évitant le développement de courants parasites dans le circuit magnétique lui-même (feuilletage, poudres de fer), dans les aimants éventuels (matières présentant une résistivité électrique adaptée, fragmentation en éléments isolés) ou encore dans des cheminements de courants intermédiaires sur la longueur des barres de cages asynchrones (isolation electnque des barres sur leur longueur, recours à un matériau ferromagnétique non conducteur). La description ci-dessus montre également comment réaliser des espaces non magnétiques au niveau du rotor pour limiter le couplage indésirable entre galettes. On note enfin l'adaptation spéciale des cages asynchrones qui permet de traiter partiellement ou totalement au niveau du rotor les décalages angulaires requis pour tes déphasages entre galettes. Plusieurs modes de réalisation déjà décrits dans la demande de brevet français 04 00830 du 29 janvier 2004 sont exploitables ici, notamment en matière de frettage ou de disposition à réluctance variable à bouclage transverse de flux, ils n'ont pas été repris dans cette description leur transposition selon la présente invention allant de soi.

Claims

REVENDICATIONS

1. Coupleur électromagnétique de transmission électrique de puissance comprenant deux machines électriques, avec deux rotors respectivement reliés à un premier arbre (7) et à un second arbre (5), les induits de ces deux machines étant disposés entre les deux rotors, caractérisé en ce que les bobinages (9) des deux induits sont communs à ces deux induits, un premier entrefer (E1) étant réalisé entre une partie de l'un des rotors et une partie de l'autre rotor, un deuxième entrefer (E2) étant réalisé entre les bobinages en commun (9) des deux induits et une autre partie de l'un des rotors et un entrefer supplémentaire (ES) étant réalisé entre les bobinages (9) et ladite partie de l'autre rotor, de sorte que le flux magnétique principal collecté au niveau du premier entrefer (E1) se compose avec le flux magnétique issu du deuxième entrefer (E2) et en ce que les bobinages (9) sont alimentés au moyen d'un onduleur unique (3) par des courants électriques polyphasés comportant des composantes superposées.

2. Dispositif de transmission de puissance électrique comprenant un coupleur électromagnétique de transmission électrique de puissance comprenant deux machines électriques, avec deux rotors respectivement reliés à un premier arbre (7) et à un second arbre (5), les induits de ces deux machines étant disposés entre les deux rotors, caractérisé en ce que les bobinages (9) des deux induits sont communs à ces deux induits, un premier entrefer (E1) étant réalisé entre une partie de l'un des rotors et une partie de l'autre rotor, un deuxième entrefer (E2) étant réalisé entre les bobinages en commun (9) des deux induits et une autre partie de l'un des rotors et un entrefer supplémentaire (ES) étant réalisé entre les bobinages (9) et ladite partie de l'autre rotor, de sorte que le flux magnétique principal collecté au niveau du premier entrefer (E1) se compose avec le flux magnétique issu du deuxième entrefer (E2) et en ce que les bobinages (9) sont alimentés au moyen d'un onduleur unique (3) par des courants électriques polyphasés comportant des composantes superposées.

3. Dispositif de transmission, selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend plusieurs bobinages annulaires (9) disposés les uns à côté des autres autour d'un axe commun, chacun de ces bobinages (9) étant alimentés par l'onduleur unique (3).

4. Dispositif de transmission, selon la revendication 3, caractérisé en ce que chaque bobinage (9) est compris entre deux éléments magnétiques (13, 14) comportant chacun une série de griffes (10, 10a) disposées annulairement autour du bobinage (9) et dirigées vers les griffes (10, 10a) de l'autre élément, les griffes (10) de l'un des éléments étant disposées entre les griffes (10a) de l'autre élément, ces griffes (10, 10a) étant disposées en regard d'aimants (15) disposés annulairement sur une partie extérieure du rotor pour réaliser le premier entrefer (E1), le nombre d'aimants (15) étant égal à celui des griffes (10, 10a) et la polarité de ces aimants (15) étant successivement inversée.

5. Dispositif de transmission, selon la revendication 4, caractérisé en ce que chaque bobinage (9) entoure annulairement deux éléments magnétiques (16, 17) comportant chacun une série de griffes (12, 12a) disposée annufairement autour de t'axe du bobinage (9) et dirigées vers les griffes (12, 12a) de l'autre élément, les griffes (12) de l'un des éléments étant disposées entre les griffes (12a) de l'autre élément, ces griffes (12, 12a) étant disposées en regard d'aimants (15a) disposés sur une partie intérieure du rotor pour réaliser le deuxième entrefer (E2), le nombre d'aimants (15a) étant égal à celui des griffes (12, 12a) et la polarité de ces aimants (15a) étant successivement inversée, chaque bobinage (9) définissant avec lesdits éléments (16, 17) à griffes (12, 12a), une galette.

6. Dispositif de transmission, selon les revendications 4 et 5, caractérisé en ce que les galettes sont déphasées angulairement l'une par rapport à la suivante de 2π/n .p₁ par rapport au premier entrefer (E1) et de 2ττ/n₂.p₂ par rapport au deuxième entrefer (E2), le nombre n de bobinages (9) étant un multiple commun de n-i et n_2l ni étant le nombre de phases correspondant à l'entrefer (E1) et n₂ étant le nombre de phases correspondant à l'entrefer (E2), pi étant le nombre de paires de pôles sur le premier entrefer (E1) et p₂ le nombre de paires de pôles sur le deuxième entrefer (E2).

7. Dispositif de transmission, selon ta revendication 6, caractérisé en ce que l'onduleur unique (3) est adapté pour générer dans chaque galette un premier courant polyphasé de pulsation ω-i déphasé de 2rr/nι d'une galette à l'autre et un second courant polyphasé de pulsation ω₂ déphasé de 2ττ/n₂ d'une galette à l'autre. Coupleur électromagnétique de transmission électrique de puissance et dispositif de transmission comportant un tel coupleur.