FR2816460A1 - Unite d'entrainement - Google Patents

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FR2816460A1
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FR
France
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stator
drive shaft
air gap
drive
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Withdrawn
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FR0114431A
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English (en)
Inventor
Martin Geiger
Bernhard Schierling
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ZF Friedrichshafen AG
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Mannesmann Sachs AG
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Publication date
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Abstract

L'invention concerne une unité d'entraînement (1) comportant un entraînement (13) avec un arbre d'entraînement (15) et un groupe électrique (2) qui comprend un stator (5) et un rotor (3) relié fonctionnellement, coaxialement à celui-ci, à l'arbre d'entraînement (15) pour transmettre le couple de rotation, le stator (5) et le rotor (3) étant en liaison d'action par un entrefer (19) et le rotor (3) étant excité par l'arbre d'entraînement (15) de manière à effectuer un mouvement en nutation. Le groupe électrique (2) est caractérisé en ce que dans une coupe parallèle à l'arbre d'entraînement (15), le tracé géométrique de l'une au moins des surfaces du rotor (3) ou du stator (5) adjacentes à l'entrefer (19) est ainsi réalisé que ce tracé s'approche du moins de la courbe de pivotement géométrique (VR ) décrite par le mouvement en nutation du rotor (3).

Description

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L'invention concerne une unité d'entraînement comportant un entraînement avec un arbre d'entraînement et un groupe électrique qui
Figure img00010001

comprend un stator et un rotor relié fonctionnellement, coaxialement à celui-ci, à l'arbre d'entraînement pour transmettre le couple de rotation, le stator et le rotor étant en liaison d'action par un entrefer et le rotor étant excité par l'arbre d'entraînement de manière à effectuer un mouvement en nutation.
On connaît de telles unités d'entraînement par exemple dans le domaine automobile, où un moteur à combustion interne est combiné avec un groupe électrique pour former un entraînement hybride, ou bien le groupe électrique est disponible comme générateur-démarreur. Le groupe électrique peut travailler ici en tant que moteur et faire démarrer le moteur à combustion interne et servir soit seul soit en coopération avec le moteur à combustion interne à l'entraînement du véhicule. Lorsque le groupe électrique travaille comme générateur, on peut alimenter des consommateurs électriques dans un réseau de bord ou accumuler de l'énergie électrique dans un accumulateur.
Le stator du groupe électrique est en règle générale agencé stationnaire, par exemple sur un carter du moteur à combustion interne ou sur un carter de boîte de vitesses. Le rotor est en liaison d'action avec le vilebrequin du moteur à combustion interne et il peut être relié soit directement à celui-ci soit indirectement via des tronçons de prolongement. Un tel agencement est montré par exemple dans le document DE 197 21 528 Al.
Ce qui est caractéristique pour un groupe électrique en rotation, c'est un entrefer entre un stator stationnaire et un rotor qui se déplace par rapport à celui-ci dans le but d'une interaction électromagnétique du stator et du rotor. Pour obtenir une efficacité élevée du groupe électrique, une exigence est que cet entrefer soit réalisé aussi étroit que possible, tout en maintenant la mobilité en rotation libre du rotor, et doit être constant en direction périphérique. Des valeurs typiques de
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l'entrefer sont de 1 mm à 1, 2 mm dans le cas des groupes synchrones, et d'environ 0,5 mm à 0,7 mm dans le cas des groupes asynchrones.
En raison de son fonctionnement périodique sous forme d'impulsions, le moteur à combustion interne excite le vilebrequin à effectuer des oscillations en flexion qui s'expriment par exemple dans un pivotement de l'extrémité du vilebrequin, laquelle dépasse hors du moteur à combustion interne. Par exemple dans un moteur à cylindres en ligne, le mouvement de pivotement s'effectue principalement dans le plan défini par la direction de la course des pistons. De plus, en raison des tolérances des paliers du vilebrequin, il se produit en supplément un faible décalage du vilebrequin. Au cours du développement de moteurs à combustion interne, on a augmenté de plus en plus le degré de remplissage de la chambre de combustion avec un mélange de carburant et d'air. Les pressions de combustion ainsi croissantes augmentent la puissance mécanique fournie, mais elles mènent d'autre part également à une amplification des oscillations en flexion du vilebrequin si l'on ne prend pas de contre-mesures constructives.
Le problème qui se pose donc pendant le fonctionnement d'un moteur à combustion interne, c'est que le rotor d'un groupe électrique, qui est en liaison d'action avec le vilebrequin, effectue un mouvement en nutation. Le mouvement en rotation du rotor est donc superposé par le mouvement de pivotement du vilebrequin, et l'association coaxiale du rotor et du stator est annulée. Par conséquent, l'extension radiale de l'entrefer du groupe électrique est soumise à des fluctuations continues pendant un tour de rotation du vilebrequin qui causent une perte considérable du rendement et des fluctuations du couple moteur ou générateur généré par le groupe électrique. De plus, on court le risque sérieux qu'en raison de l'étroitesse de l'entrefer, le rotor et le stator se touchent et que le groupe électrique puisse être endommagé ou même être défaillant.
Le problème décrit est connu depuis longtemps. Etant donné que la cause du mouvement en nutation, donc les oscillations en flexion du vilebrequin n'ont jusqu'à présent pas pu être évitées ou
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considérablement réduites par des améliorations techniques, les mesures pour y porter remède se concentrent sur des modifications structurelles du groupe électrique.
Le document DE-OS 199 37 545 Al illustre un groupe électrique agencé dans le train d'entraînement d'un véhicule automobile comportant un moteur à combustion interne, le stator étant agencé solidaire du carter. Pour découpler le rotor vis-à-vis des irrégularités de rotation de l'arbre d'entraînement du moteur à combustion interne, on propose de monter le rotor avec au moins un palier sur une bride de palier agencée solidaire du carter, et de réaliser élastique la liaison du rotor avec l'arbre d'entraînement. Grâce à cette mesure, la position concentrique du rotor et du stator est définie même pendant le fonctionnement du moteur à combustion interne. Cette variante résout le problème, mais elle est très complexe et coûteuse en particulier en raison de l'introduction d'un palier propre pour le rotor.
Le document DE 199 08 450 Al divulgue un groupe électrique du type mentionné en introduction, dans lequel on cherche à exclure un endommagement en particulier à cause d'oscillations résonantes du rotor. Dans cette invention, on prévoit une bague coulissante qui limite un mouvement relatif du rotor par rapport au stator dans une direction radiale. L'inconvénient de ce groupe électrique proposé est qu'il permet toujours des fluctuations de l'entrefer dues au fonctionnement. Uniquement dans le cas extrême, une bague coulissante destinée à l'usure pendant le fonctionnement doit assurer une protection contre une destruction. On accepte des pertes de rendement du groupe électrique. La vérification et l'échange nécessaire après une certaine durée de fonctionnement de la bague coulissante exigent en outre des mesures d'entretien supplémentaires.
En partant de cette situation, l'objectif sous-jacent à l'invention est de développer un groupe électrique de ce type de manière à permettre un fonctionnement sûr même sous l'influence d'oscillations en flexion d'un arbre menant d'un entraînement, tout en évitant un palier
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supplémentaire pour le rotor et l'intégration d'organes d'usure protecteurs.
Conformément à l'invention, cet objectif est atteint en ce que dans une coupe parallèle à l'arbre d'entraînement, le tracé géométrique de l'une au moins des surfaces du rotor ou du stator adjacentes à l'entrefer est ainsi réalisé que ce tracé s'approche du moins de la courbe de pivotement géométrique décrite par le mouvement en nutation du rotor.
Dans une telle réalisation du rotor et/ou du stator, l'extension de l'entrefer n'est pas ou guère influencée par le mouvement de rotation et de nutation du rotor. L'entrefer reste donc sensiblement constant, ce qui se répercute de façon avantageuse sur l'efficacité du groupe électrique. Un endommagement causé par un contact mutuel du rotor et du stator est donc exclu.
Selon un développement avantageux de l'invention, dans une coupe parallèle à l'arbre d'entraînement, les surfaces du rotor ou du stator adjacentes à l'entrefer s'étendent sensiblement parallèlement l'une à l'autre. Grâce à ceci, un champ magnétique homogène d'intensité constante peut se former dans l'entrefer en direction axiale, ce qui se répercute également de façon avantageuse sur le rendement du groupe électrique.
De manière particulièrement avantageuse, dans une coupe parallèle à l'arbre d'entraînement, le tracé géométrique de la surface du rotor et/ou du stator adjacente à l'entrefer peut être décrit par une courbe du deuxième degré. Une telle forme s'approche très bien de la courbe de pivotement géométrique du rotor en nutation, et elle est relativement simple à réaliser lors de la fabrication d'un rotor et/ou d'un stator par mise en oeuvre d'un procédé assisté par ordinateur.
Au cas où la courbe de pivotement géométrique ne présente qu'une faible courbure, il est avantageux que dans une coupe parallèle à l'arbre d'entraînement, les surfaces du rotor et du stator adjacentes à l'entrefer forment des droites qui sont pivotées par rapport à l'arbre
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d'entraînement. Grâce à ceci, on atteint également l'avantage d'une fabrication très simple.
Avantageusement, le stator est formé par un empilement de tôles individuelles de formes différentes. De cette manière, on peut transférer le tracé de la courbe de pivotement géométrique du rotor de manière très précise au contour du stator.
La description qui suit de l'invention sert à expliquer plus en détail l'invention en se rapportant aux dessins. Les figures montrent : figure 1, une illustration schématique d'un groupe électrique conforme à l'invention dans une coupe parallèlement à un arbre d'entraînement ; et figure 2, une illustration schématique d'un groupe électrique, dans lequel les surfaces adjacentes du rotor et du stator sont réalisées en coupe sous forme d'une droite.
La figure 1 montre schématiquement une illustration en coupe d'une partie d'une unité d'entraînement 1 comprenant un groupe électrique 2 avec un rotor 3 et un stator 5. Le stator 5 comprend un empilement de tôles 7 et des bobines 9 agencées sur celui-ci. L'empilement de tôles est agencé sur une bride de stator 11 qui est fixée du côté carter par des moyens de fixation 14 sur un moteur à combustion interne 13 servant d'élément d'entraînement. Contrairement à ceci, la fixation peut s'effectuer également par un élément mené, par exemple sur une boîte de vitesses ou sur un convertisseur de couple. Le rotor 2 du groupe électrique 2 entoure le stator 5 radialement à l'extérieur et il est relié à l'arbre d'entraînement 15 du moteur à combustion interne 13 pour une rotation commune. Le rotor 3 comprend des aimants permanents 17 agencés en direction périphérique qui se trouvent à l'opposé des bobines 9. L'intervalle forme un entrefer 19 qui s'étend radialement et qui présente une hauteur constante aussi bien en direction périphérique qu'en direction axiale, dans la plage des imprécisions de fabrication et de montage. Lorsque les bobines de stator 9 sont alimentées en courant, l'interaction avec les champs magnétiques des aimants permanents 17 provoque un champ magnétique dans l'entrefer 19, ce pourquoi un
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mouvement de rotation du rotor 3 est excité et un couple moteur peut être fourni. Dans un autre type de fonctionnement, un mouvement de rotation agissant sur le rotor 3 mène à un couple générateur dans les bobines de stator 9. On voit que le groupe électrique 2 est un groupe synchrone excité en permanence du type à rotor extérieur. Pour réaliser l'idée inventive, il n'y a cependant pas de limites concernant le type du groupe électrique 1. Celui-ci pourrait également être conçu du type à rotor intérieur et fonctionner par exemple selon le principe de réluctance ou le principe asynchrone.
Dans la figure 1, l'arbre d'entraînement 15 représente un vilebrequin d'un moteur à combustion interne 13 qui fait saillie de son carter et qui est monté à cet emplacement au moyen d'un palier 21. Lors du fonctionnement du moteur à combustion interne 13, l'arbre 15 est excité de manière à effectuer des oscillations qui ont pour conséquence un mouvement en nutation du rotor 3 relié à celui-ci. La courbe de pivotement parcourue ici Vp présente des composantes principalement dans le plan illustré dans la figure 1. D'autres composantes différentes
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de celles-ci de la courbe de pivotement V R ont été négligées en raison de leur faible valeur. De plus, on voit que les surfaces du rotor et du stator adjacentes à l'entrefer 19 sont réalisées de telle sorte que son tracé corresponde à la courbe de pivotement géométrique VR décrite par le mouvement en nutation du rotor 3. Dans la pratique, pour atteindre l'objectif posé en introduction, il suffira cependant souvent de réaliser le tracé géométrique de l'une au moins des surfaces du rotor 3 et du stator 5 adjacentes à l'entrefer 19 de telle sorte que ce tracé s'approche du moins de la courbe de pivotement géométrique VR décrite par le mouvement en nutation du rotor 3. La surface de l'empilement de tôles 7 tournée vers le rotor 3 peut ici être réalisée par exemple par un empilement de tôles individuelles différentes ou simplement par une reprise d'un empilement de tôles 7 de type traditionnel constitué par des tôles égales. Les aimants permanents 17 réalisés en correspondance peuvent être réalisés par exemple par un agencement en forme de segments d'aimants individuels, les aimants individuels étant agencés de façon légèrement décalée en direction radiale les uns par rapport aux autres. En variante, les aimants permanents peuvent être réalisés sous la forme désirée déjà lors de
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l'estampage du matériau de base, ou bien, selon une autre variante, être adaptés après leur fabrication à la forme de la courbe de pivotement VR par une reprise en usinage.
De plus, on voit dans la figure 1 que les surfaces du rotor 3 et du stator 5 opposées l'une à l'autre sont réalisées sensiblement parallèles. Ainsi, l'entrefer 19 peut être maintenu sensiblement constant sur toute la zone d'interaction magnétique même sous l'influence d'oscillations en flexion. Dans l'exemple illustré, on a supposé un segment d'une trajectoire pour la courbe de pivotement VR dans des conditions idéalisées. Ceci signifie que le vilebrequin effectue un mouvement de pivotement exclusivement dans un plan parallèle à l'axe longitudinal. Dans ce cas, le centre de rotation de ce pivotement se trouve à l'intérieur de l'arbre d'entraînement 15 et axialement au niveau du palier 21. Ceci n'est cependant pas obligatoire. Pour une description appropriée, le centre de rotation D peut en principe occuper toute position à l'intérieur de l'extension axiale de l'arbre d'entraînement 15. On peut également imaginer un centre de rotation D situé à l'extérieur de la zone d'extension axiale de l'arbre d'entraînement 15. Le mouvement de l'arbre d'entraînement 15 est bien entendu plus complexe dans la réalité, comme décrit en introduction. Pour le décrire, une courbe du deuxième degré convient en règle générale. Ceci signifie qu'en outre de la possibilité déjà mentionnée de la description par une trajectoire, celle-ci pourrait également s'effectuer par un segment d'une ellipse, d'une parabole ou d'une hyperbole. Bien entendu, pour une description encore plus exacte, on peut également avoir recours à une courbe de plus haut degré, par exemple du troisième ou du quatrième degré.
Dans la figure 2, contrairement à la figure 1, les surfaces du rotor 3 et du stator 5 adjacentes à l'entrefer 19 sont réalisées sous forme d'une droite, et elles s'étendent parallèlement et sont pivotées d'un angle 0 par rapport à l'arbre d'entraînement 15. La réalisation conique illustrée des surfaces concernées se distingue légèrement de la courbe de pivotement V R. Cependant, comme montré dans l'illustration en coupe, lorsque les arêtes opposées du rotor 3 et du stator 5 sont formées par exemple par une tangente T sur la courbe de pivotement VR parcourue
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par un point situé sur la surface du rotor, ceci suffit déjà dans de nombreux cas pratiques pour atteindre l'objectif posé. De plus, des réalisations non illustrées dans les dessins sont également possibles dans lesquelles une surface, donc soit celle du stator 5 soit celle du rotor 3, suit le tracé de la courbe de pivotement VR avec une courbure du moins approximative, et l'autre surface respective est réalisée sous forme d'une arête rectiligne dans une illustration en coupe selon la figure 1 ou 2.
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Liste des références 1 unité d'entraînement 2 groupe électrique 3 rotor 5 stator 7 empilement de tôles 9 bobine 11 bride de stator 13 moteur à combustion interne 14 moyen de fixation 15 arbre d'entraînement 17 aimant permanent 19 entrefer 21 palier VR courbe de pivotement du rotor D centre de rotation R rayon T tangente

Claims (5)

  1. Revendications 1. Unité d'entraînement (1) comportant un entraînement (13) avec arbre d'entraînement (15) et un groupe électrique (2) qui comprend un stator (5) et un rotor (3) relié fonctionnellement, coaxialement à celui-ci, à l'arbre d'entraînement (15) pour transmettre le couple de rotation, le stator (5) et le rotor (3) étant en liaison d'action par un entrefer (19) et le rotor (3) étant excité par l'arbre d'entraînement (15) de manière à effectuer un mouvement en nutation, caractérisée en ce que dans une coupe parallèle à l'arbre d'entraînement (15) le tracé géométrique de l'une au moins des surfaces du rotor (3) ou du stator (5) adjacentes à l'entrefer (19) est ainsi réalisé que ce tracé s'approche du moins de la courbe de pivotement géométrique (VR) décrite par le mouvement en nutation du rotor (3).
  2. 2. Unité d'entraînement selon la revendication 1, caractérisée en ce que dans une coupe parallèle à l'arbre d'entraînement (15), les surfaces du rotor (3) ou du stator (5) adjacentes à l'entrefer (19) s'étendent sensiblement parallèlement l'une à l'autre.
  3. 3. Unité d'entraînement selon l'une ou l'autre des revendications 1 et 2, caractérisée en ce que dans une coupe parallèle à l'arbre d'entraînement (15), le tracé géométrique de la surface du rotor (3) et/ou du stator (5) adjacente à l'entrefer (19) peut être décrit par une courbe du deuxième degré.
  4. 4. Unité d'entraînement selon l'une ou l'autre des revendications 1 et 2, caractérisée en ce que dans une coupe parallèle à l'arbre d'entraînement (15), les surfaces du rotor (3) et du stator (5) adjacentes à l'entrefer (19) forment des droites qui sont pivotées par rapport à l'arbre d'entraînement (15).
  5. 5. Unité d'entraînement selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que le stator (5) est formé par un empilement de tôles individuelles de formes différentes.
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