FR3105639A1 - machine électrique tournante comprenant un capteur de température - Google Patents

Abstract

La présente invention propose une machine électrique tournante d’axe X comportant un arbre (13) portant un rotor (12) entouré par un stator (15) porté intérieurement par un palier avant (16) et un palier arrière (17) reliés entre eux, un ensemble électronique (36) monté axialement sur le palier arrière (17) comprenant une électronique de puissance (37) et une électronique de commande (38), un capteur de position (50) du rotor associé à une cible (51), la cible (51) étant fixée sur un porte-cible (510) calé en rotation sur le rotor (12) et étant implantée axialement entre le rotor (12) et le palier arrière (17), le capteur de position (50) comprenant une portion de détection (52) adaptée pour détecter le passage de la cible magnétique (51) et une portion de connexion électrique du capteur de position à l’électronique (53), la portion de détection du capteur de position (52) étant portée par l’ensemble électronique (36), un capteur de température (40), le capteur de température comprenant une sonde de mesure (401) adaptée pour mesurer la température localement et une portion de connexion électrique du capteur de température à l’électronique (402),caractérisé en ce que le capteur de température (40) est porté par le capteur de position (50). Figure pour l’abrégé : Figure 3

Description

machine électrique tournante comprenant un capteur de température

Le domaine technique de l’invention concerne une machine électrique tournante, notamment pour véhicule automobile, dans laquelle un capteur de température est positionné de sorte à donner une mesure de température fiable.

L’invention trouve des applications dans le domaine des machines électriques tournantes telles que les alternateurs ou les machines réversibles pouvant fonctionner en générateur électrique ou en moteur électrique.

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 de type alterno-démarreur 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 est par exemple de type « rotor à griffes » et comporte deux roues polaires présentant chacune des griffes imbriquées les unes dans les autres pour former les pôles et un noyau autour duquel est enroulé une bobine rotorique. Selon un autre exemple, 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. Alternativement, dans une architecture dite à pôles « saillants », les pôles sont formés par des bobines enroulées autour de bras du rotor.

Lorsque la machine et l’ensemble électronique sont refroidis par l’air ambiant, des capteurs de température astucieusement positionnés permettent de mesurer ou d’estimer la température des différents composants et ainsi de protéger la machine d’une surchauffe. Ces capteurs sont habituellement positionnés au sein de l’ensemble électronique. Dans le cas où l’ensemble électronique est refroidi par un liquide, par exemple le circuit de refroidissement du véhicule dans lequel est installée la machine, et que la machine est refroidie par l’air ambiant, les capteurs de température positionnés au sein de l'ensemble électronique peuvent ne plus donner une information suffisamment fiable de l’air extérieur. Dans ce cas, l’estimation de la température de la machine, notamment du rotor et du stator, peut ne plus être réalisée avec la précision souhaitée. Une précision importante étant nécessaire pour ne pas brider inutilement les performances de la machine, une autre solution doit être identifiée pour estimer ou mesurer la température de la machine.

Dans la machine de l’art antérieur décrite dans le document brevet FR3046507 le capteur de température est clipsé sur le bobinage statorique. Un tel montage du capteur de température est difficile à mettre en œuvre et cher. En effet, la forme des chignons formés par le bobinage statorique ne permet pas d’avoir une zone pour facilement intégrer un capteur de température. Les solutions mises en œuvre la plupart du temps nécessitent la mise en place de résine sur le chignon stator, ce qui augmente les risques au niveau du procédé de fabrication et notamment le risque de pollution rotor ou stator. De plus, la mesure de température obtenue avec un tel positionnement du capteur de température est peu représentative de la température machine.

La présente invention vise à permettre d’éviter les inconvénients de l’art antérieur.

A cet effet, la présente invention a donc pour objet l’intégration d’un capteur de température dans un capteur déjà utilisé pour déterminer la position du rotor de la machine.

Selon la présente invention, la machine électrique tournante d’axe X comporte un arbre portant un rotor entouré par un stator porté intérieurement par un palier avant et un palier arrière reliés entre eux, un ensemble électronique monté axialement sur le palier arrière comprenant une électronique de puissance et une électronique de commande, un capteur de position du rotor associé à une cible, la cible étant fixée sur un porte-cible calé en rotation sur le rotor et étant implantée axialement entre le rotor et le palier arrière, le capteur de position comprenant une portion de détection adaptée pour détecter le passage de la cible magnétique et une portion de connexion électrique du capteur de position à l’électronique, la portion de détection du capteur de position étant portée par l’ensemble électronique, un capteur de température, le capteur de température comprenant une sonde de mesure adaptée pour mesurer la température localement et une portion de connexion électrique du capteur de température à l’électronique, caractérisé en ce que le capteur de température est porté par le capteur de position.

La présente invention permet donc d’avoir une mesure de température plus fiable compte tenu du positionnement du capteur de température à proximité du capteur de position dans le flux d’air axial de la machine, comme cela sera détaillé ci-dessous. La présente invention permet donc d’avoir une mesure de température beaucoup plus simple à intégrer et donc de limiter les coûts de manière importante. De plus le raccord du capteur de température à l’électronique est ainsi facilité, et les coûts en sont limités.

Dans un mode de réalisation, la portion de détection du capteur de position et la sonde de mesure du capteur de température sont positionnées dans un secteur angulaire autour de l’axe de la machine inférieur à 180° et avantageusement inférieur à 90°.

Dans un mode de réalisation de l’invention, la sonde de mesure du capteur de température est disposée axialement entre le palier arrière et l’ensemble électronique.

Dans un mode de réalisation de l’invention, la sonde de mesure du capteur de température est portée par la portion de détection du capteur de position.

Dans un mode de réalisation de l’invention, la machine comprend un porte-capteur, la portion de détection du capteur de position et la sonde de mesure du capteur de température étant encapsulées dans ledit porte-capteur.

Dans un mode de réalisation de l’invention, le porte-capteur comprend aux moins une première et une deuxième portion distinctes, circonférentiellement adjacentes autour de l’axe de la machine, et reliées entre elles par une troisième portion, la première portion surmoulant la portion de détection du capteur de position et la deuxième portion surmoulant la sonde de mesure du capteur de température.

Dans un mode de réalisation, la sonde de mesure du capteur de température est portée par la portion de connexion du capteur de position.

Dans un mode de réalisation, les portions de connexion du capteur de température et du capteur de position ont une masse commune reliée électriquement à la masse de l’électronique de commande.

représente, schématiquement et partiellement, une vue en coupe d’une machine électrique tournante selon un exemple de mise en œuvre de l’invention.

est une vue en perspective de l’ensemble électronique de la machine intégrant le capteur de position.

est une vue en coupe du capteur de position.

illustre l’assemblage électrique du capteur de position avec l’électronique de commande, selon un premier mode de réalisation de l’invention.

illustre schématiquement le flux d’air dans la machine.

est un schéma du montage sur capteur de température sur le capteur de position selon un second mode de réalisation de l’invention.

Dans la suite de la description on entendra par axialement, qui s’étend le long de l’axe de la machine et par orthoradialement qui s’étend selon un secteur angulaire autour de l’axe de la machine, dans un plan transverse à l’axe de la machine.

La figure 1 représente un alternateur 10 compact et polyphasé, notamment pour véhicule automobile. Cet alternateur transforme de l’énergie mécanique en énergie électrique et peut être réversible. Un alternateur réversible est appelé alterno-démarreur et permet de transformer de l’énergie électrique en énergie mécanique notamment pour démarrer le moteur thermique du véhicule.

L’alternateur 10 comporte un carter 11 et, à l'intérieur de celui-ci, un rotor 12 à griffes, solidaire en rotation de manière directe ou indirecte d'un arbre 13, et un stator 15, qui entoure le rotor 12 avec présence d’un entrefer. Un axe X-X de l’arbre 3 forme l’axe de rotation du rotor 12.

Dans la suite de la description les orientations radiale, transversale et axiale sont à considérer par rapport à cet axe X-X.

Le stator 15 comporte un corps en forme d'un paquet de tôles 27 doté d'encoches, par exemple du type semi fermé, équipées d’isolant d’encoches pour le montage des phases du stator, chaque phase comportant au moins un enroulement traversant les encoches du corps du stator et formant, avec toutes les phases, un chignon avant 29 et un chignon arrière 30 de part et d'autre du corps du stator.

Les enroulements sont obtenus par exemple à partir d’un fil continu recouvert d’émail ou à partir d’éléments conducteurs en forme de barre, tels que des épingles reliées entre elles par exemple par soudage.

Ces enroulements 28 sont par exemple des enroulements triphasés connectés en étoile ou en triangle, dont les sorties sont reliées électriquement à un ensemble électronique 36 décrit plus loin.

Le rotor 12 comporte deux roues polaires 31. Chaque roue 31 présente un plateau 32 d’orientation transversale pourvu à sa périphérie externe de griffes 33 par exemple de forme trapézoïdale et d’orientation axiale. Les griffes 33 d’une roue polaire 31 sont dirigées axialement vers le plateau 32 de l'autre roue, la griffe 33 pénétrant dans l'espace existant entre deux griffes 33 voisines de l'autre roue polaire, de sorte que les griffes 33 soient imbriquées.

La périphérie externe des griffes 33 est d’orientation axiale et définit avec la périphérie interne du corps du stator un entrefer entre le stator 15 et le rotor 12.

Les plateaux des roues 32 sont de forme annulaire.

Un noyau cylindrique 34 est intercalé axialement entre les plateaux des roues.

Le rotor 12 comporte, entre le noyau et les griffes 33, une bobine 35 comportant un moyeu et un bobinage électrique sur ce moyeu.

Dans l’exemple décrit, le moyeu est en matière électriquement isolante telle que de la matière plastique, tandis que les roues polaires 31 et le noyau sont métalliques en étant ici en matière ferromagnétique, telle que de l’acier doux. L’arbre 13 est également métallique en étant en matériau ferromagnétique, tel que de l’acier, plus dur que les roues polaires et le noyau du rotor à griffes.

Le carter 11 comporte un palier avant 16 et un palier arrière 17 qui sont assemblés ensemble. Le palier arrière 17 porte un porte-balais 24, le régulateur de tension et au moins un pont redresseur.

Les paliers 16 et 17 sont de forme creuse et portent chacun centralement un roulement à billes respectivement 18 et 19 pour le montage à rotation de l'arbre 13 du rotor 12.

Une poulie 20 est fixée sur une extrémité dite avant de l’arbre 13, par exemple à l’aide d’un écrou en appui sur le fond de la cavité de cette poulie.

L'extrémité avant de l’arbre 13 porte la poulie appartenant à un dispositif de transmission de mouvements à au moins une courroie entre l'alternateur et le moteur thermique du véhicule automobile, tandis que l’extrémité arrière 6 de diamètre réduit de l’arbre 3 porte des bagues collectrices reliées par des liaisons filaires au bobinage. Des balais appartenant à un porte-balais sont disposés de façon à frotter sur les bagues collectrices. Le porte-balais est relié à un régulateur de tension.

Les bagues collectrices appartiennent à un collecteur 22. Le collecteur 22 comporte en outre les bagues collectrices 21, des pattes de raccord électriques pouvant être déformées pour assurer la connexion électrique au bobinage. Ces pattes sont reliées électriquement aux bagues collectrices.

Lorsque le bobinage d'excitation est alimenté électriquement à partir des balais, le rotor 12 est magnétisé et devient un rotor inducteur avec formation de pôles magnétiques Nord-Sud au niveau des griffes et donc des griffes des roues polaires.

Ce rotor inducteur crée un courant induit alternatif dans le stator induit lorsque l’arbre 13 tourne, le ou les ponts redresseurs de l’ensemble électronique 36 décrit ensuite permettant de transformer le courant alternatif induit en un courant continu, notamment pour alimenter les charges et les consommateurs du réseau de bord du véhicule automobile, ainsi que pour recharger la batterie dudit véhicule.

Ce rotor 12 peut comporter des aimants permanents interposés entre deux griffes voisines à la périphérie externe du rotor. En variante, le rotor 12 peut être dépourvu de tels aimants.

Le palier avant 16 et le palier arrière 17 comportent des ouvertures sensiblement latérales pour le passage de l’air en vue de permettre le refroidissement de l'alternateur par circulation d'air engendrée par la rotation d’un ventilateur 26 dit arrière sur la face dorsale arrière du rotor, c’est-à-dire au niveau du palier arrière 17. Chaque ventilateur 25, 26 est fixé sur la roue polaire correspondante par exemple à l’aide de vis ou par rivetage ou encore par soudage par points.

La machine comprend donc également un ensemble électronique 36 qui est ici monté sur le carter 11, comportant au moins un module électronique de puissance 37 permettant de piloter au moins une phase du bobinage 28. Le module électronique de puissance 37 forme un pont redresseur de tension pour transformer la tension alternative générée en une tension continue et inversement. Le module électronique de puissance comprend avantageusement des capacités et des modules de puissance composés de Mosfet.

L’ensemble électronique 36 comprend également un module électronique de commande 38 comprenant une carte de contrôle. L’ensemble du module électronique de puissance 37 et du module électronique de commande 38 est illustré à la figure 2.

La position du rotor 12 peut être mesurée à l’aide d’un capteur de position du rotor 50, également illustré sur la figure 2, porté par l’ensemble électronique. Ce capteur de position 50 coopère avec une cible magnétique 51 afin de délivrer une information relative à la position angulaire du rotor.

La cible magnétique 51, plus communément appelée encodeur magnétique, est par exemple un aimant. Cet élément magnétique 51 est calé en rotation sur le rotor 12. Ce calage peut être réalisé physiquement en positionnant de manière relative l’encodeur et les roues-polaires, ou simplement grâce au logiciel suite à l’assemblage de la machine. La cible est par exemple fixée sur un porte-cible solidaire en rotation du rotor 12. La cible est implantée axialement entre le rotor et le palier arrière.

Le capteur de position traverse axialement une ouverture du palier arrière pour être positionné en regard de la cible.

Ce capteur de position comprend une portion de détection 52 portée par le palier arrière. La portion de détection comprend par exemple trois sondes de position 520, par exemple des sondes à effet Hall. Ces sondes sont portées par un porte-capteur 54 et sont chacune électriquement connectées à la carte de contrôle de l’électronique de commande. Le porte capteur 54 est un logement, par exemple en plastique, dans lequel sont logées, par exemple moulées ou soudées, les sondes à effet hall.

Ces sondes sont adjacentes les unes aux autres disposées orthoradialement en regard de la cible, formant la portion de détection 52 du capteur. Chaque sonde à effet hall comprend trois électrodes 521a, 521b, 521c, dont deux électrodes de mesure 521a et 521b et une électrode de masse 521c. Les trois électrodes s’étendent sensiblement axialement et sont adjacentes les unes aux autres autour de l’axe de la machine X, comme représenté à la figure 3.

Les sondes sont orthoradialement réparties sur un secteur angulaire inférieur à 180° et avantageusement inférieur à 90°, comme illustré à la figure 4.

Le porte capteur 54 est par exemple une pièce plastique dans laquelle sont logées les trois sondes à effet hall. Le porte-capteur 54 a avantageusement une forme de couronne autour de l’axe X disposant chacune des trois électrodes 521a, 521b, 521c en regard de l’électronique.

Comme illustré à la figure 3, de chaque sonde à effet hall s’étendent des connecteurs 530 permettant de connecter chaque sonde à effet hall à l’électronique de commandeLa connexion entre les sondes et la carte de contrôle est réalisée à l’aide de pistes, permettant à la carte de contrôle de recevoir les signaux électriques émis par les sondes lors de la rotation de la machine. La connexion entre les sondes et les pistes, ainsi que la connexion entre la carte de contrôle et les pistes, sont par exemple réalisées par soudure.

Une portion de connexion électrique 53 du capteur de position à l’électronique de commande, illustrée à la figure 4, comprend l’ensemble des pistes reliant chacune des trois sondes à effet hall à l’électronique de commande.

La portion de détection 52, le porte capteur 54 et la portion de connexion du capteur de position 53 sont avantageusement surmoulés dans un boitier 55, par exemple en plastique.

Le boitier 55 comprend des pistes connectant électriquement chaque sonde à la carte de contrôle. Ces pistes sont, par exemple, surmoulées dans le boitier plastique 55 permettant de garantir le maintien de ces pistes lors de l’utilisation de la machine.

La figure 5 présente le flux d’air créé grâce aux ventilateurs positionnés sur le rotor ainsi que grâce au cheminement avantageusement créé par l’assemblage des différents composants. L’air qui entre par les ouvertures supérieures du palier et permet de refroidir le bobinage avant de ressortir par les ouvertures latérales.

La machine comprend également un capteur de température 40 adapté pour mesurer la température machine.

Le capteur de température comprend une sonde de mesure 401, adaptée pour mesurer la température localement, d’où s’étendent deux connecteurs, lesdits connecteurs permettant de raccorder électriquement la sonde à l’électronique de commande 38. Le capteur de température comprend ainsi un connecteur de masse 402c et un connecteur permettant d’appliquer une différence de potentiel aux bornes de la sonde 402a.

Le capteur de température est par exemple avantageusement un capteur à coefficient de température négatif. Le capteur de température est par exemple un capteur de température à coefficient de température négatif ou un capteur de température à coefficient de température positif.

Le capteur de température est porté par le capteur de position.

On entendra par « capteur de température porté par le capteur de position », le fait que la sonde de température est contenue dans le boitier du capteur de position ou montée sur la surface du boitier du capteur de position, la portion de connexion du capteur de température étant mutualisée avec la portion de connexion du capteur de position. En particulier, dans le cas où la sonde de température est contenue dans le boitier du capteur de position, on pourra envisager que la sonde de température et les sondes à effet Hall sont portées par un même porte capteur ou par deux portes capteurs différents. Dans le cas où les sondes de température et la sonde à effet Hall sont portées par deux portes capteurs différents, orthoradialement adjacents, le boitier pourra présenter deux portions disjointes adjacentes orthoradialement autour de l’axe de la machine, ces deux portions disjointes étant reliées par une portion commune logeant au moins les portions de connexion des deux capteurs, comme décrit et illustré dans la suite.

Le capteur de température est ainsi positionné à proximité du capteur de position de sorte qu’il baigne dans le même flux d’air dont la température est représentative de la température machine. On entend par « à proximité » que la distance entre les capteurs est petite, relativement aux dimensions de la machine, axialement et orthoradialement autour de l’axe X.

Dans les modes de réalisation décrits ci-dessous, la portion de détection du capteur de position 52 et la sonde de mesure 401 du capteur de température sont positionnées orthoradialement dans un secteur angulaire autour de l’axe de la machine inférieur à 180°. Le secteur angulaire est avantageusement inférieur à 90° comme illustré à la figure 3. La température mesurée par le capteur de température est alors sensiblement la même que la température de l’air machine à proximité du capteur de position.

Dans un premier mode de réalisation, la sonde de mesure du capteur de température 401 est portée par la portion de détection du capteur de position 52.

La sonde de température est avantageusement portée par le porte-capteur 54.

Les trois sondes à effet hall 520 et la sonde de température 401 s’étendent avantageusement parallèlement et parallèles à l’axe de la machine X.

Les sondes à effet hall et la sonde de température sont logées dans un même porte-capteur. Le porte capteur a par exemple une forme de couronne s’étendant orthoradialement autour de l’axe de la machine. Les sondes sont avantageusement surmoulées dans le porte capteur.

Dans ce mode de réalisation, la sonde de température 401 et les connecteurs 402a, 402c sont également logés dans le boitier 55.

La sonde de température ainsi logée dans du plastique permet d’avoir une mesure fiable de la température de l’air dans lequel elle baigne, le plastique n’empêchant pas une thermalisation de la sonde de température avec l’air ambiant. Un model thermique correctif pourra éventuellement être utilisé pour corriger la mesure de température faite au niveau de la sonde de température.

Dans une variante de réalisation de ce mode, comme décrit ci-dessus, comme illustré à la figure 4, le boitier 55 présente une encoche axiale, séparant les sondes à effet hall et la sonde de température.

Le boitier 55 comprend donc deux portions 55a et 55b adjacentes orthoradialement autour de l’axe X ayant chacune sensiblement une forme de couronne, les deux portions adjacentes étant reliées par une portion de raccordement 55c.

Dans un second mode de réalisation, schématisé à la figure 6 la sonde de mesure de la température 401 est portée par le boitier 55 au niveau de la partie du boitier encapsulant la portion de connexion du capteur de position 53.

Dans ce second mode de réalisation, une ouverture est avantageusement effectuée dans le boitier 55 au niveau de la partie du boitier couvrant la portion de connexion 53. Une telle ouverture permet le passage des fils pour le raccord électrique de la sonde du capteur de température 401 portée extérieurement par le boitier 55, avec les connecteurs 402a et 402c à l’électronique de commande 38, s’étendant intérieurement au boitier.

Les connecteurs du capteur de température 402a et 402c sont donc logés dans le boitier 55.

Dans les modes de réalisation décrits précédemment, les potentiels de masse du capteur de position et du capteur de température sont électriquement connectés à la masse de l’électronique de commande 38. Les potentiels de masse 521c et 402c sont en effet mutualisés au niveau de la portion de connexion 53.

Claims (8)

1. Machine électrique tournante d’axe X comportant :
   - un arbre (13) portant un rotor (12) entouré par un stator (15) porté intérieurement par un palier avant (16) et un palier arrière (17) reliés entre eux,
   - un ensemble électronique (36) monté axialement sur le palier arrière (17) comprenant une électronique de puissance (37) et une électronique de commande (38),
   - un capteur de position (50) du rotor associé à une cible (51),
   la cible (51) étant fixée sur un porte-cible (510) calé en rotation sur le rotor (12) et étant implantée axialement entre le rotor (12) et le palier arrière (17),
   le capteur de position (50) comprenant une portion de détection (52) adaptée pour détecter le passage de la cible magnétique (51) et une portion de connexion électrique du capteur de position à l’électronique (53),
   la portion de détection du capteur de position (52) étant portée par l’ensemble électronique (36),
   - un capteur de température (40),
   le capteur de température comprenant une sonde de mesure (401) adaptée pour mesurer la température localement et une portion de connexion électrique du capteur de température à l’électronique (402),
   caractérisé en ce que le capteur de température (40) est porté par le capteur de position (50).
2. Machine selon la revendication 1 dans laquelle la portion de détection du capteur de position (52) et la sonde de mesure du capteur de température (401) sont positionnées dans un secteur angulaire autour de l’axe de la machine inférieur à 180° et avantageusement inférieur à 90°.
3. Machine selon l’une quelconque des revendications 1 ou 2 dans laquelle la sonde de mesure du capteur de température (401) est disposée axialement entre le palier arrière (17) et l’ensemble électronique (36).
4. Machine selon l’une quelconque des revendications 1 à 3 dans laquelle la sonde de mesure du capteur de température (401) est portée par la portion de détection du capteur de position (52).
5. Machine selon la revendication 4 comprenant un porte-capteur (54), la portion de détection du capteur de position (52) et la sonde de mesure du capteur de température (401) étant encapsulées dans ledit porte-capteur (54).
6. Machine selon la revendication 5 dans lequel le porte-capteur (54) comprend aux moins une première (54a) et une deuxième portion (54b) distinctes, circonférentiellement adjacentes autour de l’axe de la machine, et reliées entre elles par une troisième portion (54c), la première portion (54a) surmoulant la portion de détection du capteur de position (52) et la deuxième portion (54b) surmoulant la sonde de mesure du capteur de température (401).
7. Machine selon l’une quelconque des revendications 1 à 3 dans laquelle la sonde de mesure du capteur de température (401) est portée par la portion de connexion du capteur de position (53).
8. Machine selon l’une quelconque des revendications précédentes dans laquelle les portions de connexion du capteur de température (402) et du capteur de position (53) ont une masse commune reliée électriquement à la masse de l’électronique de commande (38).