FR3033457A1

FR3033457A1 - Machine electrique tournante munie de moyens de suivi ameliores de la position angulaire du rotor

Info

Publication number: FR3033457A1
Application number: FR1551799A
Authority: FR
Inventors: Baraka Khadija El; Svetislav Jugovic; Mamy Rakotovao; Cyril Dubuc
Original assignee: Valeo Equipements Electriques Moteur SAS
Current assignee: Valeo Equipements Electriques Moteur SAS
Priority date: 2015-03-04
Filing date: 2015-03-04
Publication date: 2016-09-09
Anticipated expiration: 2035-03-04
Also published as: FR3033457B1

Abstract

L'invention porte principalement sur une machine électrique tournante comportant: - un rotor (12), - un stator, - des moyens de suivi (41) d'une position angulaire dudit rotor (12) comportant: - au moins un ensemble de détection (43), et - une cible (42) liée en rotation avec ledit rotor (12), caractérisée en ce que ladite cible (42) de forme annulaire réalisée dans un matériau ferromagnétique présente une face (45) ayant une forme variant périodiquement lorsqu'on se déplace suivant la circonférence de ladite cible (42) et en ce que - ledit ensemble de détection (43) comporte des moyens d'émission de flux (50), et des moyens de réception de flux (51) configurés pour recevoir au moins une partie du flux généré par lesdits moyens d'émission de flux (50) après son passage par ladite face (45) de forme variable de ladite cible (42).

Description

1 MACHINE ELECTRIQUE TOURNANTE MUNIE DE MOYENS DE SUIVI AMELIORES DE LA POSITION ANGULAIRE DU ROTOR La présente invention porte sur une machine électrique tournante munie de moyens de suivi améliorés de la position angulaire du rotor. L'invention trouve une application particulièrement avantageuse avec les alternateurs pour véhicules automobiles, ainsi qu'avec les machines électriques tournantes de type moteur ou alterno-démarreurs. La machine électrique pourra également appartenir à un ensemble de transmission intégrant au moins un embrayage relié d'une part à un vilebrequin d'un moteur thermique et d'autre part à la boîte de vitesses du véhicule. De façon connue en soi, les machines électriques tournantes comportent un stator et un rotor solidaire d'un arbre. Le rotor pourra être solidaire d'un arbre menant et/ou mené et pourra appartenir à une machine électrique tournante sous la forme d'un alternateur comme décrit dans le document EP0803962 ou d'un moteur électrique comme décrit dans le document EP0831580. La machine électrique comporte un boîtier portant le stator. Ce boîtier est configuré pour porter à rotation l'arbre par l'intermédiaire de roulements. Le rotor comporte un corps formé par un empilage de feuilles de tôles maintenues sous forme de paquet au moyen d'un système de fixation adapté, tel que des rivets traversant axialement le rotor de part en part. Le rotor comporte des pôles formés par exemple par des aimants permanents logés dans des cavités ménagées dans la masse magnétique du rotor, comme cela est décrit par exemple dans le document EP0803962. Alternativement, dans une architecture dite à pôles "saillants", les pôles sont formés par des bobines enroulées autour de bras du rotor. Le stator est constitué par un empilage de tôles minces formant une couronne, dont la face intérieure est pourvue d'encoches ouvertes vers l'intérieur recevant les bobinages des phases, généralement au nombre de trois ou six. Dans les stators d'alternateurs de ce genre, les types de bobinages les plus couramment utilisés sont, d'une part, les bobinages dits "concentriques" constitués par des bobines fermées sur elles-mêmes qui 3033457 2 sont enroulées autour des dents du stator, et d'autre part, les bobinages du type dit "ondulé", qui sont connus par exemple par le document FR2483702. Par ailleurs, la machine comporte des moyens de suivi de la position du rotor afin de pouvoir commander la machine de manière adaptée. Ces moyens de 5 suivi comprennent une cible annulaire magnétique solidaire en rotation de l'arbre de la machine, et au moins un capteur fixe de type à effet Hall disposé à proximité de la cible. Sous l'effet de la rotation de la cible conjointement avec l'arbre, le champ magnétique reçu par le capteur varie. Le capteur est relié à un dispositif électronique de gestion et de commande, et transmet à 10 celui-ci des signaux fonction des champs magnétiques reçus, ce dispositif traitant lesdits signaux pour en déduire la position angulaire ainsi que la vitesse du rotor. Le document FR2884367 enseigne de réaliser la cible en plastoaimant qui est matériau constitué de particules magnétiques à base de ferrite ou de 15 terre rare dispersées dans une matrice en matière plastique. Toutefois, une telle réalisation est coûteuse, en particulier pour les machines de grand diamètre qui requièrent une grande quantité de matériau pour la réalisation de la cible. L'invention vise à remédier efficacement à cet inconvénient en proposant une 20 machine électrique tournante comportant: - un rotor, - un stator, - des moyens de suivi d'une position angulaire dudit rotor comportant: - au moins un ensemble de détection, et 25 - une cible liée en rotation avec ledit rotor, caractérisée en ce que ladite cible de forme annulaire réalisée dans un matériau ferromagnétique présente une face ayant une forme variant périodiquement lorsqu'on se déplace suivant la circonférence de ladite cible et en ce que 30 - ledit ensemble de détection comporte des moyens d'émission de flux, et des moyens de réception de flux configurés pour recevoir au moins une partie du flux généré par lesdits moyens d'émission de flux après son passage par ladite face de forme variable de ladite cible.

3033457 3 Ainsi, en remplaçant la cible en plastoaimant par une cible en matériau ferromagnétique de forme spécifique, on réduit le coût de réalisation de la cible et donc des moyens de suivi de la position angulaire du rotor. Selon une réalisation, lesdits moyens d'émission de flux 5 comportent une source de flux. Selon une réalisation, ladite source de flux est un aimant permanent. Selon une réalisation, lesdits moyens d'émission de flux comportent en outre une pièce de rebouclage de flux configurée pour orienter le flux généré par ladite source de flux en direction des moyens de réception de flux et de ladite 10 face de forme variable de ladite cible. Selon une réalisation, lesdits moyens de réception de flux comportent un capteur de flux. Selon une réalisation, ledit capteur de flux est un capteur à effet Hall de type linéaire.

15 Selon une réalisation, ladite cible a une forme dont une hauteur axiale varie périodiquement lorsqu'on se déplace suivant la circonférence de ladite cible. Selon une réalisation, ladite cible a une forme dont le rayon interne varie périodiquement lorsqu'on se déplace suivant la circonférence de ladite cible. Selon une réalisation, ladite face de ladite cible présente une alternance 20 régulière de sommets et de creux. Selon une réalisation, ladite face de ladite cible présente une forme sinusoïdale. Selon une réalisation, un écart entre un sommet et un creux correspond à un pas polaire. On simplifie ainsi la réalisation de la cible.

25 Selon une réalisation, ladite cible est un ensemble de tôles frettées sur un moyeu dudit rotor. Selon une réalisation, ladite cible est monobloc avec un moyeu dudit rotor.

3033457 4 Selon une réalisation, le rotor comporte un moyeu et en ce que ladite cible est installé côté à côte dudit moyeu. Cela permet de mettre la cible et le capteur le plus proche de l'axe de la machine alors que le flux généré par le rotor lors du fonctionnement de la 5 machine est situé sur la surface externe du rotor. Ainsi, on limite les perturbations par le flux généré par le rotor lors du fonctionnement de la machine. Selon une réalisation, la face de la cible est tournée vers l'axe de la machine. Cela permet d'avoir une mise en place de la cible plus simple à l'intérieur du 10 rotor. Selon une réalisation, ladite cible est issue d'un arbre lié en rotation avec ledit rotor de ladite machine électrique. Selon une réalisation, ladite machine comporte en outre des moyens de réglage de la position angulaire dudit ensemble 15 de détection par rapport audit stator. Selon une réalisation, ladite machine comporte deux ensembles de détection décalés entre eux d'un angle électrique de 90 degrés. Cela permet d'améliorer la précision et la fiabilité de la mesure de position effectuée par le dispositif.

20 L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit et à l'examen des figures qui l'accompagnent. Ces figures ne sont données qu'à titre illustratif mais nullement limitatif de l'invention. La figure 1 est une vue en coupe longitudinale de la machine électrique tournante selon la présente invention intégrée 25 à un ensemble de transmission; La figure 2 montre une vue en perspective du moyeu du rotor appartenant à la machine électrique selon la présente invention; 3033457 5 Les figures 3a et 3b sont des vues détaillées respectivement en perspective et en coupe des moyens de suivi de la position angulaire du rotor selon la présente invention; La figure 4 est une vue en coupe illustrant la forme ondulée de la face de la 5 cible située en regard de l'ensemble de détection selon la présente invention; Les figures 5a et 5b sont des vues en perspective illustrant un deuxième mode de réalisation de la cible des moyens de suivi selon la présente invention; La figure 6 est une vue en perspective montrant par transparence les 10 moyens de réglage angulaire de l'ensemble de détection selon la présente invention; Les éléments identiques, similaires, ou analogues conservent la même référence d'une figure à l'autre. On utilisera une orientation axiale d'avant en arrière correspondant à une orientation de gauche à droite 15 conformément à la figure 1. La figure 1 représente une machine 10 comportant un stator 11 polyphasé entourant un rotor 12 d'axe X lié en rotation avec un arbre (non représentée). Le stator 11 est destiné à être porté par un support 15. Le stator 11 de la machine 10 entoure le rotor 12 avec présence d'un entrefer entre la 20 périphérie interne du stator 11 et la périphérie externe du rotor 12. Cette machine électrique 10 pourra appartenir à un ensemble de transmission comportant un embrayage 16 relié d'une part à un arbre lié au vilebrequin d'un moteur thermique situé du côté de l'espace 18 et d'autre part à un arbre lié à l'entrée d'une boîte de vitesses située du côté de l'espace 19.

25 Le support 15 est configuré pour porter à rotation, via un roulement à billes 21, l'arbre lié au rotor 12 ainsi qu'au moteur thermique. En l'occurrence, la machine 10 est une machine synchrone dont le rotor 12 est doté d'aimants permanents. Plus précisément, pour diminution des courants de Foucault, le rotor 12 comporte un corps sous la forme d'un 30 paquet de tôles. Les aimants permanents pourront être implantés dans des 3033457 6 ouvertures du paquet de tôles. Les aimants pourront être en terre rare ou en ferrite selon les applications et la puissance recherchée de la machine. Par ailleurs, le stator 11 comporte un corps de forme annulaire d'axe confondu avec l'axe X. Ce corps présente des dents réparties régulièrement 5 sur la périphérie interne délimitant deux à deux des encoches ouvertes vers l'intérieur. Le corps est formé par un empilement de tôles réalisées en matière ferromagnétique s'étendant dans un plan radial perpendiculaire à l'axe X. Le paquet de tôles est maintenu au moyen de rivets traversant axialement de part en part l'empilement des tôles.

10 On monte sur les dents les bobines préformées formant le bobinage du stator 11, en l'occurrence de type concentrique. Ces bobines sont réalisées chacune à partir d'un fil enroulé sur plusieurs tours sur un isolant de bobine monté une dent du stator. Les fils consistent en un fil électriquement conducteur, par exemple en un fil de cuivre et/ou d'aluminium, revêtu d'un 15 isolant électrique, tel que de l'émail. Les bobines sont interconnectées entre elles à l'aide d'un interconnecteur 24 comportant plusieurs cadres dont l'un est relié au neutre de la machine électrique 10, les autres cadres étant associés chacun à une phase de la machine électrique 10. Un tel stator 11 est décrit dans la demande de brevet FR12/55770 à laquelle on se reportera 20 pour plus de précisions. Le corps du rotor 12 est monté sur un moyeu 25 bien visible sur la figure 2. La périphérie interne du corps du rotor 12 est montée sur la périphérie externe d'une portion cylindrique 32 du moyeu 25. Ce montage pourra être réalisé par frettage. En variante, la périphérie externe de la portion 32 du 25 moyeu 25 est moletée et le paquet de tôles du rotor 12 est emmanché à force sur le moletage du moyeu 25. Dans tous les cas, le corps du rotor 12 est solidaire axialement et en rotation du moyeu 25. Plus précisément, le moyeu 25 du rotor 12 est destiné à être fixé à une extrémité de l'arbre lié au vilebrequin du moteur thermique. A cet effet, le 30 moyeu 25 comporte un rebord interne 28 d'orientation sensiblement transversale muni d'ouvertures 29 autorisant le passage de moyens de fixation à l'arbre, tels que des rivets. Le moyeu 25 est également destiné à être fixé à un disque de l'embrayage 16. A cet effet, le moyeu 25 comporte 3033457 7 un rebord externe 30 issu d'un prolongement à l'arrière de la portion cylindrique 32 du moyeu 25 portant le rotor 12. Ce rebord externe 30 est muni d'ouvertures 31 autorisant le passage de moyens de fixation au disque de l'embrayage, tels que des rivets.

5 Le support 15 pourra être métallique. Il pourra être en matière moulable en étant par exemple en aluminium ou en un alliage à base d'aluminium. Le montage du corps du stator 11 dans le support 15 pourra être réalisé par frettage. De préférence, le support 15 comporte en outre un circuit de refroidissement, par exemple à eau, pour refroidir le stator 11.

10 Comme cela est montré à la figure 1, le support 15 comporte un voile interne formant une paroi de séparation entre le rotor 12 et l'espace 18 situé du côté du moteur thermique. Ce voile 35 est ainsi décalé axialement par rapport à la face avant du support 15. Ainsi, le voile interne 35 permet d'éviter l'arrivée de poussières dans la machine électrique 10 issues 15 notamment du frottement des éléments de friction de l'embrayage 16. Ce voile interne 35 présente à son extrémité interne un premier 36 et un deuxième 37 manchon d'orientation axiale qui pénètrent à l'intérieur du rotor 12 via un jeu radial. Ces manchons 36, 37 sont traversés par l'arbre lié au moteur. Le manchon 37 qui s'étend le plus à l'intérieur du rotor 12 a un 20 diamètre inférieur à celui du manchon 36. Ainsi, on peut monter le roulement à billes 21 entre le manchon interne 37 et l'arbre lié au moteur thermique. Les deux manchons 36, 37 s'étendent axialement de part et d'autre d'une paroi transversale 38 trouée de manière à pouvoir être traversée par l'arbre. La machine électrique 10 comporte en outre des moyens de suivi 41 de la 25 position angulaire du rotor 12 montrés plus en détails aux figures 3a et 3b. Ces moyens de suivi 41 comportent une cible 42 liée en rotation avec le rotor 12, ainsi qu'au moins un ensemble de détection 43. Plus précisément, la cible 42 de forme annulaire est réalisée dans un matériau ferromagnétique. La cible 42 présente une face 45 ayant une forme 30 ondulée variant périodiquement lorsqu'on se déplace suivant la circonférence de la cible 42. Comme cela est bien visible sur la figure 4, la face 45 de la cible 42 présente une alternance régulière de sommets 46 et de creux 47. Un 3033457 8 écart E entre un sommet 46 et un creux 47 adjacent correspond à un pas polaire, c'est-à-dire à l'écart entre deux pôles successifs du rotor 12. Alternativement, l'écart E entre un sommet 46 et un creux 47 est un multiple du pas polaire. La face 45 de la cible 42 présente de préférence une forme 5 sinusoïdale. Alternativement, la face 45 de la cible 42 pourra présenter une forme périodique de forme triangulaire ou même rectangulaire. Par ailleurs, l'ensemble de détection 43 comporte des moyens d'émission de flux 50, et des moyens de réception de flux 51 configurés pour recevoir une partie du flux généré par les moyens d'émission de flux 50 après son 10 passage par la face 45 ondulée de la cible 42. Comme cela est montré sur la figure 3b, les moyens d'émission de flux 50 comportent une source de flux 54 et une pièce de rebouclage de flux 55 configurée pour orienter le flux généré par la source de flux 54 en direction de la face 45 ondulée de la cible 42 et des moyens de réception de flux 51. Les moyens de réception de flux 51 15 comportent un capteur de flux 58 constitué par exemple par un capteur à effet Hall de type linéaire. Ainsi, la source de flux 54, constituée en l'occurrence par un aimant permanent, génère un flux F représenté par les traits discontinus qui passe par la pièce de rebouclage de flux 55, l'entrefer entre la pièce 55 et la cible 20 42, puis la face ondulée 45 de la cible 42, puis l'entrefer entre la cible 42 et le capteur 58, puis le capteur de flux 58, pour ensuite reboucler vers l'aimant 54. A cet effet, la pièce 55 en matériau ferromagnétique présente dans le cas présent une forme sensiblement en L munie de rebords à ses extrémités tournés respectivement en direction de la source de flux 54 et de la cible 42.

25 Sous l'effet de la rotation de la cible 42 conjointement avec le rotor 12, le champ magnétique reçu par le capteur 58 varie du fait de l'alternance de sommets 46 et de creux 47 passant devant le capteur 58 en regard duquel est positionnée la cible 42. Le capteur 58 est relié à un dispositif électronique 59 de gestion et de commande, et transmet à celui-ci des signaux 30 sinusoïdaux S qui dépendent des champs magnétiques reçus. Ce dispositif 59 traite les signaux pour en déduire la position angulaire ainsi que la vitesse du rotor 12.

3033457 9 Alternativement, la source de flux 54 est remplacée par une bobine alimentée en courant. Par ailleurs, dans un fonctionnement dégradé du dispositif, il serait possible de supprimer la pièce de rebouclage de flux 55. Dans le mode de réalisation des figures 3a et 3b, la cible annulaire 42 5 présente une forme dont une hauteur axiale varie périodiquement lorsqu'on se déplace suivant la circonférence de la cible 42. La cible 42 est monobloc avec le moyeu 25 du rotor 12. Dans ce cas, on usine directement la matière du moyeu 25 pour conférer à une de ses faces extrémités axiales 45 une forme sinusoïdale.

10 Dans le mode de réalisation des figures 2, 5a, 5b, et 6, la cible annulaire 42 a une forme dont le rayon interne varie périodiquement lorsqu'on se déplace suivant la circonférence de la cible 42. Dans ce cas, la cible 42 est réalisée de préférence à partir d'un ensemble de tôles fines découpées pour obtenir la forme en sinus de la face 45 tournée vers le capteur 58 (cf. figure 5a). Cet 15 ensemble rapporté de tôles usinées est ensuite fretté sur une extrémité du moyeu 25 du rotor 12. De préférence, comme cela est illustré par les figures 3a, 5b, et 6, on utilise deux ensembles de détection 43 décalés entre eux d'un angle électrique de 90 degrés. Cela permet d'améliorer la précision et la fiabilité de la mesure de 20 position effectuée par le dispositif. Les deux ensembles de détection 43 sont noyés dans une même pièce monobloc en plastique 60. La pièce 60 comporte en outre de préférence des moyens de réglage 61 de la position angulaire des ensembles de détection 43 par rapport au stator 11, bien visibles sur la figure 6. Ces moyens de réglage 61 permettent 25 d'effectuer un positionnement angulaire sous contrôle du dispositif en face d'une dent du stator 11. On évite ainsi d'avoir à réaliser un réglage logiciel pour assurer un calage entre le rotor 12 et le stator 11. Ces moyens de réglage 61 comportent en l'occurrence une vis 62 coopérant avec une première ouverture oblongue 63 réalisée dans la pièce 60 et une 30 deuxième ouverture oblongue 64 réalisée dans le voile interne 35 du support 15.

3033457 10 Alternativement, la cible 42 est issue de l'arbre de la machine électrique 10. Bien entendu, la description qui précède a été donnée à titre d'exemple uniquement et ne limite pas le domaine de l'invention dont on ne sortirait pas en remplaçant les différents éléments par tous autres équivalents. 5

Claims

REVENDICATIONS1. Machine électrique tournante (10) comportant: - un rotor (12), - un stator (11), - des moyens de suivi (41) d'une position angulaire dudit rotor (12) comportant: - au moins un ensemble de détection (43), et - une cible (42) liée en rotation avec ledit rotor (12), caractérisée en ce que ladite cible (42) de forme annulaire réalisée 10 dans un matériau ferromagnétique présente une face (45) ayant une forme variant périodiquement lorsqu'on se déplace suivant la circonférence de ladite cible (42) et en ce que - ledit ensemble de détection (43) comporte des moyens d'émission de flux (50), et des moyens de réception de flux (51) configurés pour recevoir 15 au moins une partie du flux généré par lesdits moyens d'émission de flux (50) après son passage par ladite face (45) de forme variable de ladite cible (42).
2. Machine selon la revendication 1, caractérisée en ce que lesdits moyens d'émission de flux (50) comportent une source de flux (54). 20
3. Machine selon la revendication 2, caractérisée en ce que ladite source de flux (54) est un aimant permanent.
4. Machine selon la revendication 2 ou 3, caractérisée en ce que lesdits moyens d'émission de flux (50) comportent en outre une pièce de rebouclage de flux (55) configurée pour orienter le flux généré par ladite 25 source de flux (54) en direction des moyens de réception de flux (51) et de ladite face (45) de forme variable de ladite cible (42).
5. Machine selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que lesdits moyens de réception de flux (51) comportent un capteur de flux (58). 30
6. Machine selon la revendication 5, caractérisée en ce que ledit capteur de flux (58) est un capteur à effet Hall de type linéaire. 3033457 12
7. Machine selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que ladite cible (42) a une forme dont une hauteur axiale varie périodiquement lorsqu'on se déplace suivant la circonférence de ladite cible (42). 5
8. Machine selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que ladite cible (42) a une forme dont le rayon interne varie périodiquement lorsqu'on se déplace suivant la circonférence de ladite cible (42).
9. Machine selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisée en ce que ladite face (45) de ladite cible (42) présente une alternance régulière de sommets (46) et de creux (47).
10. Machine selon la revendication 9, caractérisée en ce que ladite face (45) de ladite cible (42) présente une forme sinusoïdale.
11. Machine selon la revendication 9 ou 10, caractérisée en ce qu'un écart entre un sommet (46) et un creux (47) correspond à un pas polaire.
12. Machine selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisée en ce que ladite cible (42) est un ensemble de tôles frettées sur un moyeu (25) dudit rotor (12).
13. Machine selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, 20 caractérisée en ce que ladite cible (42) est monobloc avec un moyeu (25) dudit rotor (12).
14. Machine selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisée en ce que le rotor comporte un moyeu et en ce que ladite cible (42) est installée côté à côte dudit moyeu. 25
15. Machine selon l'une quelconque des revendications 1 à 14, caractérisée en ce que la face de la cible (45) est tournée vers l'axe de la machine.
16. Machine selon l'une quelconque des revendications 1 à 15, caractérisée en ce que ladite cible (42) est issue d'un arbre lié en rotation 3033457 13 avec ledit rotor (12) de ladite machine électrique.
17. Machine selon l'une quelconque des revendications 1 à 16, caractérisée en ce qu'elle comporte en outre des moyens de réglage (61) de la position angulaire dudit ensemble de détection (43) 5 par rapport audit stator (11).
18. Machine selon l'une quelconque des revendications 1 à 17, caractérisée en ce qu'elle comporte deux ensembles de détection (43) décalés entre eux d'un angle électrique de 90 degrés.