FR3069116A1 - Machine electrique tournante munie d'un capteur de temperature - Google Patents

Machine electrique tournante munie d'un capteur de temperature Download PDF

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Abstract

L'invention concerne une machine électrique tournante (100) comportant : - un rotor (140) à aimants permanents monté autour d'un arbre (130); - un stator (150) monté autour du rotor et muni d'un corps (151) et d'un bobinage (152), le bobinage comportant une pluralité d'entrées/sorties (162) de phase; - un palier (122) monté à une extrémité du rotor et du stator et recevant l'arbre de rotation; et - un connecteur global (160) fixé sur le palier et recevant les entrées/sorties de phase, ledit connecteur global comportant : ? au moins une borne de connexion (163) connectée aux entrées/sorties (162) de phase, ? une pluralité de pistes conductrices de puissance (165) assurant chacune une connexion entre une entrée/sortie (162) de phase et la borne de connexion (163), et ? un capteur de température (170) agencé de sorte à être en contact avec une des pistes conductrices de puissance (165) et relié électriquement à la borne de connexion (163).

Description

MACHINE ELECTRIQUE TOURNANTE MUNIE D’UN CAPTEUR DE
TEMPERATURE
DOMAINE TECHNIQUE
La présente invention concerne une machine électrique tournante équipée d’un capteur de température destiné à détecter la température de la machine. L’invention trouve des applications dans le domaine des machines électriques tournantes pour véhicules automobiles et, en particulier, dans le domaine des machines électriques réversibles de forte puissance, pouvant fonctionner en mode alternateur et en mode moteur, accouplées avec un élément hôte tel qu’une boite de vitesses.
ETAT DE LA TECHNIQUE
De façon connue en soi, les machines électriques tournantes comportent un stator et un rotor solidaire d'un arbre. Le rotor peut être solidaire d'un arbre menant et/ou mené et peut appartenir à une machine électrique tournante sous la forme d'un alternateur, d'un moteur électrique, ou d'une machine réversible pouvant fonctionner dans les deux modes.
Le stator est monté dans un carter configuré pour porter à rotation l'arbre sur des paliers 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. Le rotor comporte des pôles formés par exemple par des aimants permanents logés dans des cavités ménagées dans la masse magnétique du rotor.
Par ailleurs, le stator comporte un corps constitué par un empilage de tôles minces formant une couronne, dont la face intérieure est pourvue d'encoches ouvertes vers l'intérieur pour recevoir des enroulements de phase formant le bobinage du stator. Ces enroulements traversent les encoches du corps du stator et forment des chignons - avant et arrière - faisant saillie de part et d'autre du corps du stator. Les enroulements de phase sont obtenus par exemple à partir d'un fil continu recouvert d'émail ou à partir d'éléments conducteurs en forme d'épingles reliées entre elles par soudage. Ces enroulements sont des enroulements polyphasés connectés en étoile ou en triangle dont les entrées/sorties sont reliées à un module électrique de contrôle.
Lors du fonctionnement de la machine électrique tournante, ces enroulements chauffent jusqu’à un certain niveau de température. Si ce niveau de température est trop élevé, la machine électrique tournante peut être endommagée. II est donc important de connaître le plus précisément possible la température des enroulements de stator afin, notamment, de commander la machine de sorte à éviter toute surchauffe.
Une solution pour mesurer la température des enroulements est d’insérer, au sein du bobinage de stator, une sonde de mesure de la température desdits enroulements. Cette sonde de mesure est placée de sorte à être en contact avec au moins un des fils ou éléments conducteurs formant les enroulements de stator. Pour des raisons d’encombrement, cette sonde de mesure est généralement placée au plus proche de l’un des chignons du bobinage.
Cependant, si cette sonde permet de mesurer la température des enroulements, elle nécessite un câblage spécifique s’étendant, en extérieur de stator, depuis le chignon du stator jusqu’à l’interconnecteur ou le module de contrôle fixé sur le palier. La fixation du câblage sur le module de contrôle, ou sur l’interconnecteur, est réalisée généralement au moyen d’un système à vis, ce qui rend l’installation de la sonde de mesure laborieuse et relativement délicate.
La connexion de la sonde de mesure par l’extérieur du stator est donc une solution relativement encombrante du fait qu’elle nécessite l’ajout d’un câblage et d’une protection de câblage le long du stator et une solution relativement précaire car le câblage ou sa fixation peut être facilement endommagé lors des manipulations de la machine électrique tournante.
RESUME DE L’INVENTION
Pour répondre aux problèmes évoqués ci-dessus de l’encombrement et de la précarité de la connexion par l’extérieur du stator, le demandeur propose une machine électrique tournante dans laquelle le capteur de température est implanté dans l’interconnecteur ou dans le module de contrôle du connecteur global de sorte à être en contact avec une piste conductrice de puissance et connecté, à travers l’interconnecteur ou le module de contrôle, à une borne de connexion.
Selon un premier aspect, l’invention concerne une machine électrique tournante comportant :
- un rotor à aimants permanents monté autour d’un arbre ;
- un stator monté autour du rotor et muni d’un corps et d’un bobinage, le bobinage comportant une pluralité d’entrées/sorties de phase ;
- un palier monté à une extrémité du rotor et du stator et recevant l’arbre de rotation ; et
- un connecteur global fixé sur le palier et recevant les entrées/sorties de phase, ce connecteur global comportant :
o au moins une borne de connexion connectée aux entrées/sorties de phase, o une pluralité de pistes conductrices de puissance assurant chacune une connexion entre une entrée/sortie de phase et la borne de connexion, et o un capteur de température agencé de sorte à être en contact avec une des pistes conductrices de puissance et relié électriquement à la borne de connexion.
Le fait que le capteur de température soit intégré dans le connecteur global permet de réaliser une machine électrique tournante compacte, sans câblage extérieur au stator.
De façon avantageuse, le capteur de température est en contact mécanique avec la piste conductrice de puissance. Le capteur mesure ainsi la température de la piste conductrice qui relie une entrée/sortie de phase à la borne de connexion.
La machine électrique tournante selon l’invention peut comporter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes :
- le capteur de température est relié à la borne de connexion par une piste conductrice de signal.
- la piste conductrice de signal et les pistes conductrices de puissance sont encapsulées dans le connecteur global.
- les pistes conductrices de puissance comportent des pistes de sortie de phase, le capteur de température étant en contact avec une desdites pistes de sortie de phase.
- les pistes conductrices de puissance comportent des pistes d’entrée de phase, le capteur de température étant en contact avec une desdites pistes d’entrée de phase.
- les pistes conductrices de puissance comportent des pistes de point neutre, le capteur de température étant en contact avec une desdites pistes de point neutre.
- le capteur de température est logé dans une cavité ménagée dans le connecteur global et débouche sur une piste conductrice de puissance.
- le capteur de température est une thermistance CTN.
- la borne de connexion comporte une pluralité de plots conducteurs de puissance connectés chacun à une piste conductrice de puissance et au moins un plot conducteur de signal connecté au capteur de température.
- le capteur de température est disposé au voisinage d’un des plots conducteurs de puissance.
- le capteur de température est disposé axialement entre un plot conducteur de puissance et une extrémité de la piste conductrice de puissance correspondant audit plot.
BREVE DESCRIPTION DES FIGURES
D’autres avantages et caractéristiques de l’invention apparaîtront à la lecture de la description, illustrée par les figures dans lesquelles :
- La figure 1 représente, schématiquement et partiellement, une vue en coupe d’une machine électrique tournante selon un exemple de mise en œuvre de l’invention.
- La figure 2 représente une vue en perspective de la partie arrière de la machine électrique tournante de la figure 1.
- La figure 3 représente une vue de dessus, en coupe partielle, d’une portion du connecteur global de la machine de la figure 2.
- La figure 4 représente une vue de dessus d’une portion du connecteur global de la machine de la figure 2.
DESCRIPTION DETAILLEE D’AU MOINS UN MODE DE REALISATION
Un exemple de réalisation d'une machine électrique tournante dans laquelle le capteur de température est implanté dans le connecteur global, est décrit en détail ciaprès, en référence aux dessins annexés. Cet exemple illustre les caractéristiques et avantages de l'invention. Il est toutefois rappelé que l'invention ne se limite pas à cet exemple.
Sur les figures, les éléments identiques sont repérés par des références identiques. Pour des questions de lisibilité des figures, les échelles de taille entre éléments représentés ne sont pas respectées.
La figure 1 représente une machine électrique tournante 100 compacte et polyphasée, notamment pour véhicule automobile. Cette machine électrique tournante 100 transforme de l’énergie mécanique en énergie électrique, en mode alternateur, et transforme de l’énergie électrique en énergie mécanique, en mode moteur. Cette machine électrique tournante 100 est, par exemple, un alternodémarreur ou une machine réversible.
De manière connue, une machine électrique tournante 100 comporte un carter 120, traversé par un arbre 130 s’étendant suivant l’axe X. A l'intérieur du carter 120, sont montés un rotor 140 et un stator 150. Le rotor 140 est solidaire de l’arbre 130 et le stator 150 est solidaire du carter 120.
Dans l’exemple de la figure 1, le carter 120 comporte deux paliers 121, 122 montés chacun à une extrémité dudit carter pour supporter et guider l’arbre 130. Les paliers sont solidarisés l’un avec l’autre. Le palier avant 121 et le palier arrière 122 portent chacun, centralement, un roulement à billes pour le montage à rotation de l'arbre 130.
Dans cet exemple de réalisation, le stator 150 comporte un corps 151 formé d'un paquet de tôles doté d'encoches recevant des enroulements de phase 152 qui forment le bobinage du stator. Ces enroulements de phase 152 traversent les encoches du corps du stator et forment, de part et d'autre dudit corps de stator 151, un chignon avant (non visible sur la figure) et un chignon arrière 153. Ces enroulements 152 sont des enroulements polyphasés connectés en étoile ou en triangle et dont les entrées/sorties sont reliées à un connecteur global 160. Ce connecteur global 160 comporte :
- un composant, appelé interconnecteur, qui comporte des pistes de connexion reliant les entrées/sorties des enroulements de phase du stator 150 à un onduleur ; et
- un circuit électrique, appelé module de commande, qui assure une connexion électrique entre le signal entrant/sortant de la machine tournante et le signal entrant/sortant de l’onduleur.
La figure 2 représente une vue en perspective d’une portion de la machine électrique tournante 100 selon certains modes de réalisation de l’invention. La figure 2 représente, en particulier, la partie arrière de la machine 100 avec le palier arrière 122 et le connecteur global 160. Le palier arrière 122 coiffe les extrémités axiales arrières du rotor 140 et du stator 150 et supporte le connecteur global 160.
Comme représenté sur la figure 2, le connecteur global 160 comporte deux blocs d’entrées/sorties 161a, 161b des enroulements de phase, chaque bloc comportant trois entrées/sorties des enroulements de phase. Ces entrées/sorties des enroulements de phase sont appelées, plus simplement, entrées/sorties de phases et sont référencées 162. Les entrées/sorties de phases 162 peuvent être des entrées de phases par lesquelles les enroulements du stator sont alimentés électriquement ou des sorties de phases par lesquelles la puissance générée par les enroulements est collectée. Les entrées/sorties de phases 162 peuvent également être des points neutres, notamment dans le cas d’une connexion de phases en étoile.
L’homme du métier comprendra qu’une machine électrique tournante fonctionnant en simple triphasé comprend un seul bloc d’entrées/sorties, qu’une machine électrique tournante fonctionnant en double triphasé - comme dans l’exemple de la figure 2 - comprend deux blocs d’entrées/sorties, qu’une machine électrique tournante fonctionnant en triple triphasé comprend trois blocs d’entrées/sorties, etc. Chaque entrée/sortie 162 des blocs d’entrées/sorties 161a, 161b est connectée à un plot conducteur de puissance 164 d’une borne de connexion 163. La borne de connexion 163 assure la transmission à une carte électronique (non représentée sur les figures) du circuit de commande des signaux de puissance issus ou à destination des enroulements du stator, via un connecteur complémentaire connecté à la carte électronique.
Une vue en coupe partielle d’une portion du connecteur global 160 est représentée sur la figure 3. Cette représentation montre le bloc d’entrées/sorties 161a avec ses trois entrées/sorties de phases 162a, 162b, 162c et des pistes conductrices de puissance 165a, 165b, 165c reliant, respectivement, chacune des entrées/sorties de phases 162a, 162b, 162c à un plot conducteur de puissance 164a, 164b, 164c. De façon symétrique, mais non représentées sur la figure 3, trois pistes conductrices de puissance relient les trois entrées/sorties de phase du bloc d’entrées/sorties 161b à, respectivement, trois autres plots de la borne de connexion 163. La borne de connexion 163 est ainsi apte à transmettre, à la carte électronique, le signal de puissance issu de chacun des enroulements de phase du stator 150.
Les pistes conductrices de puissance 165 peuvent être des pistes d’entrée de phase, ou bien des pistes de sortie de phase ou encore des pistes de point neutre.
Selon l’invention, le connecteur global 160 comporte un capteur de température 170 agencé de sorte à être en contact physique avec une des pistes conductrices de puissance 165a, 165b, 165c. Le capteur de température peut être implanté dans l’interconnecteur ou dans le module de contrôle du connecteur global 160. En particulier, le capteur de température 170, par exemple une thermistance CTN, peut être posé sur une des pistes conductrices de puissance de sorte à mesurer, par contact mécanique avec ladite piste, la température de cette piste conductrice de puissance. Le capteur de température 170 peut être fixé, par exemple par collage, sur une des pistes conductrices de puissance 165a, 165b, 165c du connecteur global 160. Comme représenté sur la figure 4, le capteur de température 170 peut également être déposé dans une cavité traversante 171, formée dans le substrat 167 du connecteur global 160, au-dessus de la piste conductrice de puissance 165. Une couche de résine d’encapsulation peut recouvrir l’ensemble (capteur et pistes conductrices) afin de fixer le capteur sur la piste conductrice de puissance. Quelle que soit la technique de fixation, le capteur de température 170 est plaqué contre la piste conductrice de puissance 165 afin d’assurer une mesure précise de sa température.
Ainsi positionné au contact d’une piste conductrice de puissance, le capteur de température 170 mesure la température de la piste conductrice de puissance. Une loi mathématique, connue de l’homme du métier, permet de calculer la température du chignon à partir de la température mesurée de la piste conductrice de puissance.
Cette loi mathématique comporte une formule mathématique connue qui, à partir des paramètres prédéfinis de la machine électrique tournante (par exemple, sa charge et sa vitesse) et de la température mesurée sur la piste conductrice de puissance, permet d’évaluer la température des enroulements de phase.
Le calcul de la température des enroulements de phase peut être réalisé par la carte électronique du connecteur global 160. Pour cela, le capteur de température 170 est relié électriquement à un plot conducteur de signal 166 inséré, avec les plots conducteurs de puissance 164, dans la borne de connexion 163. La borne de connexion 163 comporte ainsi six plots conducteurs de puissance 164 et un plot conducteur de signal 166. La borne de connexion 163, prévue pour recevoir un connecteur complémentaire connecté à la carte électronique, transmet ainsi non seulement des données de puissance mais également les données de température mesurées à la carte électronique.
Cette liaison électrique entre le capteur de température 170 et le plot conducteur de signal 166 peut être mise en œuvre au moyen d’une piste conductrice supplémentaire 172, appelée piste conductrice de signal. Les pistes conductrices de puissance 165 et la piste conductrice de signal 172 sont des pistes conductrices, par exemple en cuivre, gravées et encapsulées dans un substrat formant le support du connecteur global 160. Ces pistes conductrices de puissance 165 et de signal 172 appelées « leadframe » en termes anglo-saxons - peuvent être gravées sur des étages différents du substrat de sorte que la piste conductrice de signal 172 ne soient en contact avec aucune des pistes conductrices de puissance 165.
Selon certains modes de réalisation, le capteur de température 170 est positionné à l’emplacement le plus chaud de la piste conductrice de puissance, c'està-dire au voisinage d’un des plots conducteurs de puissance 164. Selon une variante, le capteur de température 170 est disposé axialement entre un des plots conducteurs de puissance 164 et une extrémité de la piste conductrice de puissance 165 correspondant audit plot. Par exemple, le capteur de température 170 est disposé entre la piste conductrice de puissance 165a et le plot conducteur de puissance 164a de la borne de connexion 163.
Dans la machine électrique tournante décrite ci-dessus, la température des enroulements de phase est déterminée, non pas par mesure directe de la température du chignon, mais par mesure de la température d’une des pistes conductrices de puissance et calcul d’une compensation entre la température de piste et la température d’enroulement. Mesurer la température de la piste conductrice de puissance permet d’intégrer le capteur de température 170 directement dans le 5 connecteur global 160, de sorte qu’une piste conductrice courte suffit à le connecter à la borne de connexion 163 et qu’aucun câblage supplémentaire extérieur au stator n’est nécessaire. L’implantation du capteur de température 170 dans le connecteur global permet, en outre, sa mise en place au moment de la fabrication dudit connecteur global, ce qui évite une opération d’installation et de fixation (par exemple 10 par vis) d’un câblage. Le procédé d’assemblage des pièces formant la machine électrique tournante est ainsi facilité.
Bien que décrit à travers un certain nombre d'exemples, variantes et modes de réalisation, la machine électrique tournante selon l’invention comprend divers variantes, modifications et perfectionnements qui apparaîtront de façon évidente à 15 l'homme du métier, étant entendu que ces variantes, modifications et perfectionnements font partie de la portée de l'invention.

Claims (12)

  1. REVENDICATIONS
    1. Machine électrique tournante (100) comportant :
    - un rotor (140) à aimants permanents monté autour d’un arbre (130);
    - un stator (150) monté autour du rotor et muni d’un corps (151) et d’un bobinage (152), le bobinage comportant une pluralité d’entrées/sorties (162) de phase;
    - un palier (122) monté à une extrémité du rotor et du stator et recevant l’arbre; et
    - un connecteur global (160) fixé sur le palier et recevant les entrées/sorties de phase, ledit connecteur global comportant :
    o au moins une borne de connexion (163) connectée aux entrées/sorties (162) de phase, o une pluralité de pistes conductrices de puissance (165) assurant chacune une connexion entre une entrée/sortie (162) de phase et la borne de connexion (163), et o un capteur de température (170) agencé de sorte à être en contact avec une des pistes conductrices de puissance (165) et relié électriquement à la borne de connexion (163).
  2. 2. Machine électrique tournante selon la revendication 1, caractérisée en ce que le capteur de température (170) est en contact mécanique avec la piste conductrice de puissance (165).
  3. 3. Machine électrique tournante selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que le capteur de température (170) est relié à la borne de connexion (163) par une piste conductrice de signal (172).
  4. 4. Machine électrique tournante selon la revendication 3, caractérisée en ce que la piste conductrice de signal (172) et les pistes conductrices de puissance (165) sont encapsulées dans le connecteur global (160).
  5. 5. Machine électrique tournante selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que les pistes conductrices de puissance (165) comportent des pistes de sortie de phase, le capteur de température (170) étant en contact avec une desdites pistes de sortie de phase.
  6. 6. Machine électrique tournante selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que les pistes conductrices de puissance (165) comportent des pistes d’entrée de phase, le capteur de température (170) étant en contact avec une desdites pistes d’entrée de phase.
  7. 7. Machine électrique tournante selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que les pistes conductrices de puissance (165) comportent des pistes de point neutre, le capteur de température (170) étant en contact avec une desdites pistes de point neutre.
  8. 8. Machine électrique tournante selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que le capteur de température (170) est logé dans une cavité (171) ménagée dans le connecteur global et débouchant sur une piste conductrice de puissance.
  9. 9. Machine électrique tournante selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisée en ce que le capteur de température (170) est une thermistance CTN.
  10. 10. Machine électrique tournante selon l’une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisée en ce que la borne de connexion (163) comporte une pluralité de plots conducteurs de puissance (164) connectés chacun à une piste conductrice de puissance (165) et au moins un plot conducteur de signal (166) connecté au capteur de température (170).
  11. 11. Machine électrique tournante selon la revendication 10, caractérisée en ce que le capteur de température (170) est disposé au voisinage d’un des plots conducteurs de puissance (164).
  12. 12. Machine électrique tournante selon la revendication 10 ou 11, caractérisée en ce que le capteur de température (170) est disposé axialement entre un plot conducteur de puissance (164) et une extrémité de la piste conductrice de puissance (165) correspondant audit plot.
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