FR3108807A1 - Electric brushless machine with variable FEM - Google Patents
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Abstract
Machine électrique (1), du type sans balai, rotative selon un axe (A), comprenant un rotor (2) équipé d’un jeu d’aimants permanents (4) et un stator (3) équipé d’un jeu d’enroulements statoriques (5), le jeu d’aimants permanents (4) étant axialement engagé en regard du jeu d’enroulements statoriques (5) selon une longueur d’engagement (L), comprenant encore un moyen de réglage de la longueur d’engagement (L). Figure d’abrégé : Figure 2Electric machine (1), of the brushless type, rotating along an axis (A), comprising a rotor (2) fitted with a set of permanent magnets (4) and a stator (3) fitted with a set of stator windings (5), the set of permanent magnets (4) being axially engaged opposite the set of stator windings (5) along an engagement length (L), further comprising means for adjusting the length of commitment (L). Abstract Figure: Figure 2
Description
L’invention concerne le domaine des machines électriques sans balai.The invention relates to the field of brushless electric machines.
Il est connu parmi les machines électriques, pouvant être utilisées en tant que moteur ou en tant que générateur, la machine électrique sans balai ou « brushless » en anglais ou encore BLDC. Une telle machine est plus précisément dénommée machine synchrone auto-pilotée à aimants permanents.It is known among electric machines, which can be used as a motor or as a generator, the brushless electric machine or “brushless” in English or even BLDC. Such a machine is more precisely called self-driven synchronous machine with permanent magnets.
De manière connue, et telle qu’illustrée à la figure 1, une telle machine électrique 1 est rotative autour d’un axe A. Elle comprend un rotor 2 équipé d’un jeu d’aimants permanents 4 et un stator 3 équipé d’un jeu d’enroulements statoriques 5. Le jeu d’aimants permanents 4 comprend au moins une paire d’aimants disposés angulairement équirépartis à la circonférence du rotor 2 en alternant les polarités. Le jeu d’enroulements statoriques 5 comprends un nombre quelconque de bobines disposées angulairement équiréparties à la circonférence du stator 3, avec leur axe radial à l’axe A. Un contrôleur (non représenté) pilote les courant des bobines de manière à faire varier leur champ magnétique afin de maximiser à chaque instant l’orthogonalité entre le champ magnétique des aimants, constant mais tournant avec le rotor 2, et le champ magnétique des bobines, variable en intensité par pilotage. Un capteur de position angulaire (non représenté) permet au contrôleur de connaître la position angulaire relative des bobines par rapport aux aimants, afin d’adapter son pilotage.In known manner, and as illustrated in Figure 1, such an electric machine 1 is rotatable around an axis A. It comprises a rotor 2 equipped with a set of permanent magnets 4 and a stator 3 equipped with a set of stator windings 5. The set of permanent magnets 4 comprises at least one pair of magnets arranged angularly evenly distributed around the circumference of the rotor 2 with alternating polarities. The set of stator windings 5 comprises any number of coils arranged angularly equidistributed around the circumference of the stator 3, with their axis radial to the axis A. A controller (not shown) controls the currents of the coils so as to vary their magnetic field in order to maximize at each instant the orthogonality between the magnetic field of the magnets, constant but rotating with the rotor 2, and the magnetic field of the coils, variable in intensity by control. An angular position sensor (not shown) allows the controller to know the relative angular position of the coils with respect to the magnets, in order to adapt its control.
Pour qu’une telle machine électrique 1 fonctionne, le jeu d’aimants permanents 4 doit être axialement engagé en regard du jeu d’enroulements statoriques 5 selon une longueur d’engagement L.For such an electric machine 1 to operate, the set of permanent magnets 4 must be axially engaged opposite the set of stator windings 5 along an engagement length L.
Une telle machine électrique 1 peut être utilisée comme moteur en fournissant au contrôleur un courant continu d’intensité proportionnelle à la vitesse. Elle peut encore être utilisée comme générateur lorsqu’entraînée par un couple mécanique. Elle produit alors un courant continu proportionnel à la vitesse de rotation.Such an electric machine 1 can be used as a motor by supplying the controller with a direct current of intensity proportional to the speed. It can still be used as a generator when driven by a mechanical torque. It then produces a direct current proportional to the speed of rotation.
Aussi, selon une utilisation avantageuse, une telle machine électrique 1 est utilisée pour un véhicule hybride thermique/électrique. La machine électrique 1 peut être utilisée comme moteur pour la motricité en entraînant les roues, ou toujours comme moteur, pour démarrer le moteur thermique. Une fois le moteur thermique démarré, la machine électrique 1 est avantageusement entraînée par ce dernier et fonctionne alors comme générateur pour charger les batteries.Also, according to an advantageous use, such an electric machine 1 is used for a thermal/electric hybrid vehicle. The electric machine 1 can be used as a motor for traction by driving the wheels, or still as a motor, to start the heat engine. Once the heat engine has started, the electric machine 1 is advantageously driven by the latter and then operates as a generator to charge the batteries.
Une fois que les batteries ont atteint leur charge, le générateur / la machine électrique 1 devient inutile. Afin de supprimer la production de courant, maintenant inutile, une solution pourrait être de désaccoupler la machine électrique 1. Il est encore connu de configurer le contrôleur de manière à déphaser ou « défluxer » le pilotage des enroulements statoriques.Once the batteries have reached their charge, the generator / electric machine 1 becomes useless. In order to eliminate the production of current, which is now useless, one solution could be to uncouple the electrical machine 1. It is also known to configure the controller so as to phase-shift or “deflux” the driving of the stator windings.
La force électromotrice de la machine électrique 1 étant proportionnelle à la dérivée de la phase, il est ainsi possible de régler la force électromotrice à une valeur souhaitée, par exemple nulle. Cependant ce contrôle en mode déphasage est contraignant en ce qu’il crée une importante puissance réactive, entraîne une chauffe importante du contrôleur et une perte par effet joule préjudiciable.The electromotive force of the electric machine 1 being proportional to the derivative of the phase, it is thus possible to adjust the electromotive force to a desired value, for example zero. However, this control in phase shift mode is restrictive in that it creates a significant reactive power, leads to significant heating of the controller and a loss by detrimental Joule effect.
Aussi il est recherché un autre moyen d’adapter les caractéristiques d’une machine électrique 1 sans balai, en fonction du besoin dicté par son profil d’utilisation.Another way is also sought to adapt the characteristics of a brushless electric machine 1, according to the need dictated by its use profile.
Afin de résoudre ce problème, le principe de l’invention consiste à régler mécaniquement la longueur d’engagement L.In order to solve this problem, the principle of the invention consists in mechanically adjusting the engagement length L.
Pour cela, l’invention a pour objet une machine électrique, du type sans balai, rotative selon un axe, comprenant un rotor équipé d’un jeu d’aimants permanents et un stator équipé d’un jeu d’enroulements statoriques, le jeu d’aimants permanents étant axialement engagé en regard du jeu d’enroulements statoriques selon une longueur d’engagement, où la machine électrique comprend encore un moyen de réglage de la longueur d’engagement.For this, the subject of the invention is an electric machine, of the brushless type, rotating along an axis, comprising a rotor equipped with a set of permanent magnets and a stator equipped with a set of stator windings, the set permanent magnets being axially engaged facing the set of stator windings along an engagement length, where the electric machine further comprises means for adjusting the engagement length.
Des caractéristiques ou des modes de réalisation particuliers, utilisables seuls ou en combinaison, sont :
- le moyen de réglage est apte à déplacer axialement le stator relativement au rotor ou le jeu d’enroulements statoriques relativement au reste du stator,
- le moyen de réglage est apte à déplacer axialement le rotor relativement au stator ou le jeu d’aimants permanents relativement au reste du rotor,
- le moyen de réglage comprend un actionneur rectiligne agissant axialement, tel un électro-aimant ou un vérin,
- le moyen de réglage est apte à commander une position relative de longueur d’engagement maximale,
- le moyen de réglage est apte à commander une position relative de longueur d’engagement nulle,
- le moyen de réglage est proportionnel de manière à être apte à commander une position relative de longueur d’engagement et donc une force électromotrice donnée,
- le moyen de réglage est apte à commander une force électromotrice égale à la tension du réseau.Particular characteristics or embodiments, which can be used alone or in combination, are:
- the adjustment means is able to move the stator axially relative to the rotor or the set of stator windings relative to the rest of the stator,
- the adjustment means is able to move the rotor axially relative to the stator or the set of permanent magnets relative to the rest of the rotor,
- the adjustment means comprises a rectilinear actuator acting axially, such as an electromagnet or a cylinder,
- the adjustment means is capable of controlling a relative position of maximum engagement length,
- the adjustment means is capable of controlling a relative position of zero engagement length,
- the adjustment means is proportional so as to be able to control a relative position of engagement length and therefore a given electromotive force,
- the adjustment means is capable of controlling an electromotive force equal to the network voltage.
Dans un deuxième aspect de l’invention, un véhicule comprend une machine électrique selon l’un quelconque des modes de réalisation précédents.In a second aspect of the invention, a vehicle comprises an electric machine according to any of the preceding embodiments.
L’invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit, faite uniquement à titre d’exemple, et en référence aux figures en annexe dans lesquelles :The invention will be better understood on reading the following description, given solely by way of example, and with reference to the appended figures in which:
Tel qu’illustré à la figure 1, la longueur d’engagement L est la longueur selon l’axe A où le jeu d’aimants permanents 4 est en regard du jeu d’enroulements statoriques 5.As shown in Figure 1, the engagement length L is the length along the axis A where the set of permanent magnets 4 faces the set of stator windings 5.
Une longueur d’engagement L importante confère à la machine électrique 1 une force électromotrice maximale et donc un couple maximal lors d’une utilisation moteur ou un courant de charge maximal lors d’une utilisation en générateur. Aussi une machine électrique sans balai selon l’art antérieur, telle que précédemment décrite, est généralement conçue pour optimiser l’engagement L.A significant engagement length L gives the electrical machine 1 a maximum electromotive force and therefore a maximum torque when used as a motor or a maximum load current when used as a generator. Also, a brushless electric machine according to the prior art, as previously described, is generally designed to optimize the engagement L.
Une machine électrique 1 selon l’invention est en tout point identique à une machine électrique selon l’art antérieur. Une machine électrique 1 selon l’invention, du type sans balai, rotative selon un axe A, comprend un rotor 2 équipé d’un jeu d’aimants permanents 4 et un stator 3 équipé d’un jeu d’enroulements statoriques 5, le jeu d’aimants permanents 4 étant axialement engagé en regard du jeu d’enroulements statoriques 5 selon une longueur d’engagement L. Elle permet de reproduire une configuration où l’engagement L est maximum, telle qu’illustrée à la figure 1.An electric machine 1 according to the invention is in all respects identical to an electric machine according to the prior art. An electric machine 1 according to the invention, of the brushless type, rotating along an axis A, comprises a rotor 2 fitted with a set of permanent magnets 4 and a stator 3 fitted with a set of stator windings 5, the set of permanent magnets 4 being axially engaged opposite the set of stator windings 5 along an engagement length L. It makes it possible to reproduce a configuration where the engagement L is maximum, as illustrated in FIG. 1.
Cependant, selon une caractéristique avantageuse de l’invention, une machine électrique 1 selon l’invention comprend encore un moyen de réglage de la longueur d’engagement L. Il apparaît à l’homme du métier qu’une modification de la longueur d’engagement L permet de faire varier la force électromotrice de la machine électrique 1. Ceci permet avantageusement de l’adapter au profil d’utilisation souhaité : une force électromotrice importante, voire maximale, lors d’une utilisation en moteur, dans les phases propulsive ou de démarrage du moteur thermique, une force électromotrice importante, ou du moins adaptée à la capacité, lors d’une utilisation en générateur, dans les phases de charge des batteries et une force électromotrice faible, voire nulle, dans les phases où la machine électrique 1 est inutile et où il convient de minorer son effet résistant sur la chaîne de transmission.However, according to an advantageous characteristic of the invention, an electric machine 1 according to the invention further comprises means for adjusting the length of engagement L. It appears to those skilled in the art that a modification of the length of engagement L allows the electromotive force of the electric machine 1 to be varied. starting of the heat engine, a high electromotive force, or at least adapted to the capacity, during use as a generator, in the battery charging phases and a weak electromotive force, or even zero, in the phases where the electric machine 1 is useless and where its resistant effect on the transmission chain should be reduced.
L’optimisation de la capacité d’une machine électrique 1 conduit habituellement à maximiser la longueur d’engagement L. Aussi cette caractéristique de l’invention, qui permet principalement de réduire la longueur d’engagement L est contre-intuitive et n’est pas évidente pour l’homme du métier.Optimizing the capacity of an electric machine 1 usually leads to maximizing the engagement length L. Also this characteristic of the invention, which mainly makes it possible to reduce the engagement length L, is counter-intuitive and is not not obvious to those skilled in the art.
La réduction de la longueur d’engagement L, en ce qu’elle réduit la force électromotrice, et offre ainsi une alternative au déphasage, permet, dans les modes où la machine électrique 1 est utilisée en générateur, de réduire les pertes dans le contrôleur. La non-utilisation du contrôleur en mode déphasage permet encore de simplifier la topologie du contrôleur, de réduire son dimensionnement et ainsi avantageusement son coût et son encombrement.The reduction of the engagement length L, in that it reduces the electromotive force, and thus offers an alternative to the phase shift, makes it possible, in the modes where the electric machine 1 is used as a generator, to reduce the losses in the controller . The non-use of the controller in phase shift mode further simplifies the topology of the controller, reduces its dimensioning and thus advantageously its cost and its size.
Le moyen de réglage peut agir de différentes manières. L’objectif est de réaliser un déplacement relatif, préférentiellement selon l’axe A, du jeu d’aimants permanents 4 par rapport au jeu d’enroulements statoriques 5.The adjustment means can act in different ways. The objective is to achieve a relative displacement, preferably along the axis A, of the set of permanent magnets 4 with respect to the set of stator windings 5.
Selon une autre caractéristique, le moyen de réglage agit sur le stator 3. Aussi, le moyen de réglage est conformé pour déplacer axialement le stator 3, tandis que le rotor 2 reste fixe. Alternativement, le moyen de réglage peut être conformé pour déplacer le jeu d’enroulements statoriques 5 relativement au reste du stator 3, la position axiale du rotor 2 par rapport au stator 3 restant inchangée. Ces deux actions déplacent le jeu d’aimants permanents 4 par rapport au jeu d’enroulements statoriques 5.According to another characteristic, the adjustment means acts on the stator 3. Also, the adjustment means is shaped to move the stator 3 axially, while the rotor 2 remains fixed. Alternatively, the adjustment means can be shaped to move the set of stator windings 5 relative to the rest of the stator 3, the axial position of the rotor 2 relative to the stator 3 remaining unchanged. These two actions move the set of permanent magnets 4 relative to the set of stator windings 5.
Selon une autre caractéristique, préférée en ce qu’elle est généralement plus simple à mettre en œuvre, le moyen de réglage agit sur le rotor 2. Aussi, selon une autre caractéristique, le moyen de réglage est conformé pour déplacer axialement le rotor 2, tandis que le stator 3 reste fixe. Alternativement, selon un mode de réalisation préféré, le moyen de réglage est conformé pour déplacer axialement le jeu d’aimants permanents 4 relativement au reste du rotor 2, la position axiale du rotor 2 par rapport au stator 3 restant inchangée. Ces deux actions déplacent le jeu d’aimants permanents 4 par rapport au jeu d’enroulements statoriques 5.According to another characteristic, preferred in that it is generally simpler to implement, the adjustment means acts on the rotor 2. Also, according to another characteristic, the adjustment means is shaped to move the rotor 2 axially, while the stator 3 remains fixed. Alternatively, according to a preferred embodiment, the adjustment means is shaped to axially move the set of permanent magnets 4 relative to the rest of the rotor 2, the axial position of the rotor 2 relative to the stator 3 remaining unchanged. These two actions move the set of permanent magnets 4 relative to the set of stator windings 5.
Il est encore possible de combiner une action sur le stator 3 avec une action sur le rotor 2.It is still possible to combine an action on stator 3 with an action on rotor 2.
La figure 2 montre une configuration de la machine électrique 1 de la figure 1, où le jeu d’aimants permanents 4 a été translaté relativement au reste du rotor 2. Ce déplacement réduit en conséquence la longueur d’engagement L, ici sensiblement de moitié.FIG. 2 shows a configuration of the electric machine 1 of FIG. 1, where the set of permanent magnets 4 has been translated relative to the rest of the rotor 2. This displacement consequently reduces the engagement length L, here substantially by half .
A partir des enseignements précédents, l’homme du métier sait mettre en œuvre le moyen de réglage. Le moyen de réglage est tout moyen apte à réaliser un déplacement relatif en translation selon une direction confondue avec l’axe A. Ce déplacement peut être réalisé manuellement. Cependant afin de faciliter un pilotage in situ, alors que la machine électrique 1 est en fonctionnement, il est préféré un dispositif commandable. Aussi selon une autre caractéristique, le moyen de réglage comprend un actionneur rectiligne agissant axialement. Un tel actionneur peut être un électro-aimant ou un vérin de tout type : pneumatique, hydraulique, vis à billes, etc.From the previous teachings, the person skilled in the art knows how to implement the adjustment means. The adjustment means is any means capable of carrying out a relative movement in translation in a direction coinciding with the axis A. This movement can be carried out manually. However, in order to facilitate in situ control, while the electric machine 1 is in operation, a controllable device is preferred. Also according to another characteristic, the adjustment means comprises a rectilinear actuator acting axially. Such an actuator can be an electromagnet or a cylinder of any type: pneumatic, hydraulic, ball screw, etc.
Selon une autre caractéristique, le moyen de réglage est conformé pour réaliser une position relative où la longueur d’engagement L est maximale. Cette configuration permet d’obtenir une force électromotrice maximale et d’utiliser la machine électrique 1 à pleine capacité.According to another characteristic, the adjustment means is shaped to achieve a relative position where the engagement length L is maximum. This configuration makes it possible to obtain a maximum electromotive force and to use the electric machine 1 at full capacity.
Selon une autre caractéristique, le moyen de réglage est conformé pour réaliser une position relative où la longueur d’engagement L est nulle. Dans une telle configuration le jeu d’aimants permanents 4 est totalement dégagé du jeu d’enroulements statoriques 5. Cette configuration permet d’obtenir une force électromotrice nulle et de réduire l’impact négatif de la machine électrique 1 sur la chaîne électrique et ou sur la chaîne mécanique.According to another characteristic, the adjustment means is shaped to achieve a relative position where the engagement length L is zero. In such a configuration, the set of permanent magnets 4 is completely disengaged from the set of stator windings 5. This configuration makes it possible to obtain zero electromotive force and to reduce the negative impact of the electrical machine 1 on the electrical chain and/or on the mechanical chain.
Si l’on se contente de deux positions relatives, de longueurs d’engagement L différentes, par exemple, mais pas nécessairement, des positions extrêmes, le moyen de réglage peut comprendre un actionneur bistable commandé par une commande tout ou rien.If two relative positions are sufficient, with different engagement lengths L, for example, but not necessarily, extreme positions, the adjustment means may comprise a bistable actuator controlled by an on/off control.
Selon une autre caractéristique avantageuse, le moyen de réglage est proportionnel. Ceci permet de réaliser une position relative où la longueur d’engagement L est réglable de manière continue, selon une valeur donnée, permettant d’obtenir une valeur de force électromotrice donnée. Ceci permet d’adapter la machine électrique 1, en fonction de son profil d’utilisation et des conditions environnantes mécaniques et/ou électriques.According to another advantageous characteristic, the adjustment means is proportional. This makes it possible to achieve a relative position where the engagement length L is continuously adjustable, according to a given value, making it possible to obtain a given electromotive force value. This makes it possible to adapt the electric machine 1, according to its usage profile and the surrounding mechanical and/or electrical conditions.
Ainsi, selon une autre caractéristique particulièrement avantageuse, le moyen de réglage peut être apte à commander une force électromotrice égale à la tension du réseau. Ceci peut être réaliser de manière asservie, le moyen de réglage comprenant un moyen de mesure de la tension du réseau. Ceci permet d’annuler le courant entre la machine électrique 1 et le réseau. La machine électrique 1 se comportant alors comme un moteur sans couple. Ceci permet de rendre la machine électrique 1 transparente tant électriquement que mécaniquement.Thus, according to another particularly advantageous characteristic, the adjustment means can be capable of controlling an electromotive force equal to the network voltage. This can be carried out in a controlled manner, the adjustment means comprising a means for measuring the network voltage. This makes it possible to cancel the current between the electrical machine 1 and the network. The electric machine 1 then behaves like a motor without torque. This makes it possible to make the electrical machine 1 transparent both electrically and mechanically.
Le fait de modifier la force électromotrice de la machine électrique 1 en fonctionnement permet encore, en fonctionnement moteur, de réaliser une survitesse, qui peut présenter un intérêt pour certaines applications.The fact of modifying the electromotive force of the electric machine 1 in operation also makes it possible, in engine operation, to achieve an overspeed, which may be of interest for certain applications.
L’invention concerne encore un véhicule comprenant une telle machine électrique 1.The invention also relates to a vehicle comprising such an electric machine 1.
L’invention a été illustrée et décrite en détail dans les dessins et la description précédente. Celle-ci doit être considérée comme illustrative et donnée à titre d’exemple et non comme limitant l’invention à cette seule description. De nombreuses variantes de réalisation sont possibles.The invention has been illustrated and described in detail in the drawings and the foregoing description. This must be considered as illustrative and given by way of example and not as limiting the invention to this description alone. Many variant embodiments are possible.
1 : machine électrique,
2 : rotor,
3 : stator,
4 : jeu d’aimants permanents,
5 : jeu d’enroulements statoriques,
A : axe de rotation,
L : longueur d’engagement.1: electric machine,
2: rotor,
3: stator,
4: set of permanent magnets,
5: set of stator windings,
A: axis of rotation,
L: engagement length.
Claims (9)
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| FR2003167A FR3108807B1 (en) | 2020-03-31 | 2020-03-31 | Variable EMF brushless electric machine |
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| FR2003167A FR3108807B1 (en) | 2020-03-31 | 2020-03-31 | Variable EMF brushless electric machine |
| FR2003167 | 2020-03-31 |
Publications (2)
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| FR3108807A1 true FR3108807A1 (en) | 2021-10-01 |
| FR3108807B1 FR3108807B1 (en) | 2022-10-14 |
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ID=70978189
Family Applications (1)
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Country Status (1)
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Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP1946430A1 (en) * | 2005-10-19 | 2008-07-23 | Lawrence P. Zepp | Brushless permanent magnet motor/ generator with axial rotor decoupling to eliminate magnet induced torque losses |
-
2020
- 2020-03-31 FR FR2003167A patent/FR3108807B1/en active Active
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP1946430A1 (en) * | 2005-10-19 | 2008-07-23 | Lawrence P. Zepp | Brushless permanent magnet motor/ generator with axial rotor decoupling to eliminate magnet induced torque losses |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| FR3108807B1 (en) | 2022-10-14 |
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Legal Events
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