FR3106088A1 - Chaine de traction à machines électriques tournantes a flux axial - Google Patents

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Abstract

La présente invention porte sur une chaîne de traction (10) de véhicule automobile comportant: - un train de roues (15), - un moteur électrique de traction (12), - un réducteur de vitesse (16) disposé entre le moteur électrique de traction (12) et le train de roues (15), et - une machine électrique de couplage (13), - le moteur électrique de traction (12) et la machine électrique de couplage (13) étant des machines électriques à flux axial et comportant un rotor commun (18) couplé magnétiquement d'une part à un stator (12.1) du moteur électrique de traction (12) et à un stator (13.1) de la machine électrique de couplage. Figure 1

Description

CHAINE DE TRACTION À MACHINES ÉLECTRIQUES TOURNANTES A FLUX AXIAL
La présente invention porte sur une chaîne de traction à machines électriques tournantes à flux axial. L'invention trouve une application particulièrement avantageuse avec les chaînes de traction de véhicule automobile.
Le document FR3081390 décrit une chaîne de traction de véhicule automobile comportant un moteur thermique, un moteur électrique de traction, et une machine électrique de couplage implantés sur un train de roues.
Le moteur électrique de traction comporte un stator fixe et un rotor lié en rotation avec un premier élément magnétique, notamment un stator mobile en rotation, entourant un deuxième élément magnétique de la machine électrique de couplage, notamment un rotor.
Le moteur électrique de traction et la machine de couplage sont reliés électriquement à un dispositif de stockage d'énergie électrique par l'intermédiaire d'un onduleur correspondant. La machine électrique de couplage est reliée électriquement à l'onduleur par l'intermédiaire d'un ensemble balais-collecteurs.
Toutefois, une telle configuration est onéreuse et encombrante du fait de l'utilisation de deux machines électriques distinctes.
L’invention vise à remédier efficacement à cet inconvénient en proposant une chaîne de traction de véhicule automobile comportant:
- un train de roues,
- un moteur électrique de traction,
- un réducteur de vitesse disposé entre le moteur électrique de traction et le train de roues, et
- une machine électrique de couplage,
- le moteur électrique de traction et la machine électrique de couplage étant des machines électriques à flux axial. En outre, le moteur électrique de traction et la machine électrique de couplage comportent un rotor commun couplé magnétiquement d'une part à un stator du moteur électrique de traction et d'autre part à un stator de la machine électrique de couplage.
L'invention permet ainsi de proposer une chaîne de traction compacte et à coût réduit, dans la mesure où, grâce à l'utilisation d'un rotor commun, elle permet de faire l'économie d'un élément magnétique.
Selon une réalisation de l'invention, ladite chaîne de traction comporte un moteur thermique, le stator de la machine électrique de couplage étant un stator mobile lié en rotation avec un vilebrequin du moteur thermique.
Selon une réalisation de l'invention, le moteur électrique de traction et la machine électrique de couplage sont des machines électriques synchrones.
Selon une réalisation, le rotor commun comporte des pôles à aimants permanents.
Selon une réalisation de l'invention, le rotor commun comporte des pôles bobinés.
Selon une réalisation de l'invention, le moteur électrique de traction et la machine électrique de couplage sont des machines électriques asynchrones.
Selon une réalisation de l'invention, le rotor commun est un rotor à cage d'écureuil.
Selon une réalisation de l'invention, un élément de blocage commandé est apte à sélectivement bloquer ou autoriser une rotation du vilebrequin du moteur thermique.
Selon une réalisation de l'invention, l'élément de blocage commandé est choisi parmi un frein à disques, un frein à tambour, ou une roue libre débrayable.
L'invention a également pour objet un véhicule automobile comportant une chaîne de traction telle que précédemment définie.
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 représentation schématique d'un premier mode de réalisation d'une chaîne de traction selon l'invention pour un véhicule automobile de type hybride;
La figure 2 est une représentation schématique d'un deuxième mode de réalisation d'une chaîne de traction selon l'invention pour un véhicule automobile de type hybride rechargeable;
La figure 3 est une représentation schématique d'un troisième mode de réalisation d'une chaîne de traction selon l'invention pour un véhicule automobile de type électrique.
Les éléments identiques, similaires, ou analogues conservent les mêmes références d'une figure à l'autre.
La figure 1 montre une chaîne de traction 10 de véhicule automobile comportant un moteur thermique 11, un moteur électrique de traction 12, et une machine électrique de couplage 13 implantés sur un train de roues 15, notamment le train de roues avant. En variante, les éléments pourraient toutefois être implantés sur le train de roues arrière.
Un réducteur de vitesse 16 est disposé entre le moteur électrique de traction 12 et le train de roues 15. Le réducteur de vitesse 16 permet de rendre compatible la vitesse de rotation élevée des machines électriques tournantes 12, 13, notamment comprise entre 10000 tr/min et 20000 tr/min, avec celle des roues qui est bien inférieure. Le moteur thermique 11 pourra être associé à un multiplicateur de vitesse 17.
Conformément à l'invention, le moteur électrique de traction 12 et la machine électrique de couplage 13 sont des machines électriques à flux axial et comportent un rotor commun 18 couplé magnétiquement d'une part à un stator 12.1 du moteur électrique de traction 12 et d'autre part à un stator 13.1 de la machine électrique de couplage 13. Au sens de l'invention, un stator est un élément comportant un corps réalisé dans un matériau magnétique et un bobinage polyphasé qui pourra être fixe comme cela est le cas classiquement pour une machine électrique tournante (cf. stator 12.1 du moteur électrique de traction 12), ou mobile en rotation comme cela est le cas pour le stator 13.1 de la machine électrique de couplage 13 dans le mode de réalisation des figures 1 et 2.
Par flux axial, on entend le fait que le flux magnétique de la machine électrique tournante 12, 13 circule axialement, par rapport à un axe de la machine électrique tournante, à l’intérieur d'un premier entrefer E1 s’étendant entre le rotor commun 18 et le stator 12.1 du moteur électrique de traction 12, et d'un deuxième entrefer E2 s’étendant entre le rotor commun 18 et le stator 13.1 de la machine électrique de couplage 13.
Le stator 12.1 du moteur électrique de traction 12 est un stator fixe par rapport à un carter du moteur électrique. Le stator 13.1 de la machine électrique de couplage 13 est un stator mobile lié en rotation avec un vilebrequin du moteur thermique 11, notamment par l’intermédiaire du multiplicateur de vitesse 17.
Le stator 12.1 du moteur électrique de traction 12 et le stator 13.1 de la machine électrique de couplage 13 sont des stators bobinés polyphasés. Les stators 12.1, 13.1 pourront par exemple être de type triphasé, double triphasés, pentaphasé, hexaphasé, ou autre. Plus généralement, les stators 12.1, 13.1 pourront comporter un nombre quelconque de phases.
Les bobinages statoriques pourront être réalisés à partir de fils conducteurs mis en forme à l'intérieur des encoches du stator ou à partir d'épingles. Les fils ou les épingles pourront être réalisés en cuivre ou en aluminium notamment, ou dans tout autre matériau électriquement conducteur adapté à l'application.
En l’occurrence, le rotor commun 18 est monté sur un arbre creux 20 en prise avec le train de roues 15 par l’intermédiaire du réducteur de vitesse 16. Le stator mobile 13.1 est lié en rotation avec un arbre plein 21 inséré de façon coaxiale à l'intérieur de l'arbre creux 20. L'arbre 21 est en prise avec un vilebrequin du moteur thermique 11 par l'intermédiaire du multiplicateur de vitesse 17.
Le moteur électrique de traction 12 et la machine électrique de couplage 13 sont reliés électriquement à un dispositif de stockage d'énergie électrique 23 par l'intermédiaire d'un onduleur 24 correspondant. Le stator tournant 13.1 de la machine électrique de couplage 13 est relié électriquement à l'onduleur 24 par l'intermédiaire d'un ensemble balais-collecteurs 25. Le dispositif de stockage d'énergie 23 prend la forme d'une batterie, par exemple de type Lithium-Ion.
Un onduleur 24 est destiné à transformer une tension continue issue du dispositif de stockage d'énergie électrique 23 en une tension alternative alimentant les différentes phases d'une machine électrique 12, 13 correspondante fonctionnant en mode moteur. Un onduleur 24 pourra également fonctionner dans un mode redresseur de tension pour transformer une tension alternative générée par le stator d'une machine électrique 12, 13 fonctionnant en mode générateur en une tension continue appliquée aux bornes du dispositif de stockage d'énergie électrique 23 pour son rechargement.
Lorsque le moteur électrique de traction 12 assure seul la traction du véhicule automobile, un courant est injecté dans les phases du stator 12.1 du moteur électrique de traction 12 de façon à créer un couple moteur au rotor 18 qui entraîne alors en rotation l'arbre creux 20 dont il est solidaire, lequel entraîne en rotation les roues du train 15 par l'intermédiaire du réducteur de vitesse 16. En parallèle, la machine électrique de couplage 13 est pilotée de sorte que le couple magnétique entre le stator 13.1 et le rotor 18 soit nul.
Lorsque le moteur thermique 11 est démarré pour assurer la traction du véhicule automobile, le stator 13.1 de la machine électrique de couplage 13 est entraîné en rotation par le vilebrequin du moteur thermique 11, via le multiplicateur de vitesse 17. Cela engendre la rotation du rotor 18 du fait d'un couple magnétique entre le stator mobile 13.1 et le rotor 18. Par ailleurs, un courant généré par le bobinage du stator 13.1 de la machine électrique de couplage 13 est récupéré au niveau de l'ensemble balais-collecteur 25 et réinjecté, via les onduleurs 24, au stator 12.1 du moteur électrique de traction 12 qui génère également un couple de traction.
Le moteur électrique de traction 12 et la machine électrique de couplage 13 pourront être des machines électriques synchrones. Dans ce cas, le rotor commun 18 comporte de préférence des pôles à aimants permanents. Les aimants permanents du rotor commun 18 pourront être réalisés en ferrite ou en terres rares. Il est également possible d'utiliser une combinaison d'aimants en ferrite et d'aimants en terres rares. En variante, le rotor commun 18 pourra comporter des pôles bobinés.
Alternativement, le moteur électrique de traction 12 et la machine électrique de couplage 13 sont des machines électriques asynchrones. Dans ce cas, le rotor commun 18 est un rotor à cage d'écureuil.
Dans le mode de réalisation de la figure 2, un élément de blocage commandé 27 est apte à sélectivement bloquer ou autoriser une rotation du vilebrequin du moteur thermique 11. L'élément de blocage commandé 27 est choisi parmi un frein à disques, un frein à tambour, ou une roue libre débrayable.
L'élément de blocage commandé 27 est utile, notamment lors du fonctionnement du véhicule en mode purement électrique, pour utiliser la puissance de la machine électrique de couplage 13 à des fins de traction. En effet, une fois le frein activé, le stator mobile 13.1 de la machine électrique de couplage 13 est bloqué. La machine électrique de couplage 13 devient alors une machine électrique pouvant pleinement participer à la traction, en mode moteur mais également à la récupération d'énergie, en mode générateur.
Ainsi, le mode de réalisation de la figure 2 correspond à un véhicule hybride rechargeable (dit de type "Plug-in" en anglais) capable de rouler de longues distances sans utiliser le moteur thermique 11. Ce véhicule hybride pourra comporter une batterie de traction avec une autonomie de plusieurs dizaines, voire plusieurs centaines de kilomètres.
Dans le mode de réalisation de la figure 3, le moteur thermique 11 a été supprimé. Le stator 13.1 de la machine électrique de couplage 13 ainsi que l'arbre 21 ont été immobilisés par rapport à un bâti du véhicule, ce qui permet de supprimer l'ensemble balais-collecteur 25 qui était destiné à assurer l'alimentation du stator tournant. La machine électrique de couplage 13 est alors transformée en un deuxième moteur électrique de traction. L'invention permet ainsi de passer aisément d'une architecture hybride à une architecture purement électrique.
L'invention a également pour objet un véhicule automobile comportant une chaîne de traction 10 telle que précédemment définie.

Claims (10)

  1. Chaîne de traction (10) de véhicule automobile comportant:
    - un train de roues (15),
    - un moteur électrique de traction (12),
    - un réducteur de vitesse (16) disposé entre le moteur électrique de traction (12) et le train de roues (15), et
    - une machine électrique de couplage (13),
    caractérisée en ce que le moteur électrique de traction (12) et la machine électrique de couplage (13) sont des machines électriques à flux axial et en ce que le moteur électrique de traction (12) et la machine électrique de couplage (13) comportent un rotor commun (18) couplé magnétiquement d'une part à un stator (12.1) du moteur électrique de traction (12) et d'autre part à un stator (13.1) de la machine électrique de couplage (13).
  2. Chaîne de traction selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comporte un moteur thermique (11), et en ce que le stator (13.1) de la machine électrique de couplage (13) est un stator mobile lié en rotation avec un vilebrequin du moteur thermique (11).
  3. Chaîne de traction selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que le moteur électrique de traction (12) et la machine électrique de couplage (13) sont des machines électriques synchrones.
  4. Chaîne de traction selon la revendication 3, caractérisée en ce que le rotor commun (18) comporte des pôles à aimants permanents.
  5. Chaîne de traction selon la revendication 3 ou 4, caractérisée en ce que le rotor commun (18) comporte des pôles bobinés.
  6. Chaîne de traction selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que le moteur électrique de traction (12) et la machine électrique de couplage (13) sont des machines électriques asynchrones.
  7. Chaîne de traction selon la revendication 6, caractérisée en ce que le rotor commun (18) est un rotor à cage d'écureuil.
  8. Chaîne de traction selon la revendication 2, caractérisée en ce qu'un élément de blocage commandé (27) est apte à sélectivement bloquer ou autoriser une rotation du vilebrequin du moteur thermique (11).
  9. Chaîne de traction selon la revendication 8, caractérisée en ce que l'élément de blocage commandé (27) est choisi parmi un frein à disques, un frein à tambour, ou une roue libre débrayable.
  10. Véhicule automobile comportant une chaîne de traction (10) telle que définie selon l'une quelconque des revendications précédentes.
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