FR3109679A1 - Electric machine - Google Patents
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Abstract
Machine électrique (2) de propulsion d’un véhicule, comprenant : - un rotor (6) mobile en rotation autour d’un axe (X), et - un stator (7), le rotor (6) présentant une vitesse de rotation maximale et un nombre de paires de pôles choisis de manière à ce que le rapport entre cette vitesse en tr/min et ce nombre de paires de pôles soit supérieur à 5000. Figure d’abrégé: Fig 1Electrical machine (2) for propelling a vehicle, comprising: - a rotor (6) rotatable around an axis (X), and - a stator (7), the rotor (6) having a speed of rotation maximum and a number of pairs of poles chosen so that the ratio between this speed in rpm and this number of pairs of poles is greater than 5000. Figure for abstract: Fig 1
Description
La présente invention concerne une machine électrique tournante pour véhicule.The present invention relates to a rotating electrical machine for a vehicle.
La machine électrique est par exemple un alternateur ou un alterno-démarreur ou un moteur électrique, alimenté par une tension nominale de 12V ou de 48V, voire plus.The electric machine is for example an alternator or an alternator-starter or an electric motor, powered by a nominal voltage of 12V or 48V, or even more.
Cette machine électrique peut être intégrée à un véhicule à propulsion hybride ou purement électrique, par exemple une automobile.This electric machine can be integrated into a vehicle with hybrid or purely electric propulsion, for example an automobile.
Il existe un besoin pour améliorer encore les propriétés de ces machines électriques, notamment en termes de performance ou d’encombrement.There is a need to further improve the properties of these electrical machines, particularly in terms of performance or size.
L’invention vise à répondre à ce besoin et elle y parvient, selon l’un de ses aspects, à l’aide d’une machine électrique de propulsion d’un véhicule, comprenant :The invention aims to meet this need and it achieves this, according to one of its aspects, with the aid of an electric machine for propelling a vehicle, comprising:
- un rotor mobile en rotation autour d’un axe, et- a mobile rotor in rotation around an axis, and
- un stator,- a stator,
le rotor présentant une vitesse de rotation maximale et un nombre de paires de pôles choisis de manière à ce que le rapport entre cette vitesse en tr/min et ce nombre de paires de pôles soit supérieur à 5000.the rotor having a maximum speed of rotation and a number of pairs of poles chosen so that the ratio between this speed in rpm and this number of pairs of poles is greater than 5000.
L’invention consiste ainsi à réaliser des machines électriques dont la vitesse maximale est très élevée, ce qui permet, pour un encombrement constant par rapport à l’art antérieur, d’augmenter la puissance mécanique disponible pour entraîner en tout ou partie le véhicule. A même puissance que selon l’art antérieur, on peut réduire les dimensions de la machine électrique du fait de cette vitesse maximale plus élevée, ce qui permet des gains en place et en poids, et donc en consommation du véhicule. Par ailleurs, un faible nombre de paires de pôles au rotor de la machine a un effet positif sur le comportement thermique de la machine électrique.The invention thus consists in producing electric machines whose maximum speed is very high, which makes it possible, for a constant size compared to the prior art, to increase the mechanical power available to drive all or part of the vehicle. At the same power as in the prior art, the dimensions of the electric machine can be reduced due to this higher maximum speed, which allows gains in space and weight, and therefore in vehicle consumption. Furthermore, a low number of pole pairs at the machine rotor has a positive effect on the thermal behavior of the electrical machine.
Selon l’invention, le fait d’associer à cette vitesse maximale très élevée un nombre de paires de pôles plus faible au rotor de la machine électrique permet que la fréquence du courant circulant dans l’enroulement électrique du stator de cette machine soit du même ordre que lorsque la machine électrique a une vitesse maximale plus réduite et un rotor avec un nombre de paires de pôles plus important. Ainsi, une machine électrique selon un exemple de mise en œuvre de l’invention avec une vitesse maximale de 40 000 tr/min et un rotor à 4 paires de pôles présente une fréquence électrique de l’ordre de 17 kHz dans son enroulement électrique de stator alors qu’une machine électrique selon l’art antérieur avec une vitesse maximale de 18 000 tr/min et un rotor à 8 paires de pôle présente une fréquence électrique de l’ordre de 15 kHz dans son enroulement électrique de stator. On peut ainsi, pour alimenter électriquement une machine électrique selon l’invention depuis une unité de stockage d’énergie embarquée sur le véhicule, associer cette machine électrique à un convertisseur de tension utilisé avec une machine selon l’art antérieur de vitesse maximale plus faible et à rotor de nombre de paires de pôles plus élevé. Similairement, les lois de commande utilisées avec une machine électrique selon l’art antérieur peuvent aussi être utilisées en association avec la machine électrique selon l’invention.According to the invention, the fact of associating with this very high maximum speed a lower number of pairs of poles with the rotor of the electric machine allows the frequency of the current flowing in the electric winding of the stator of this machine to be of the same order than when the electrical machine has a lower maximum speed and a rotor with a greater number of pole pairs. Thus, an electric machine according to an exemplary implementation of the invention with a maximum speed of 40,000 rpm and a rotor with 4 pairs of poles has an electric frequency of the order of 17 kHz in its electric winding of stator whereas an electrical machine according to the prior art with a maximum speed of 18,000 rpm and a rotor with 8 pole pairs has an electrical frequency of the order of 15 kHz in its electrical stator winding. It is thus possible, to electrically supply an electric machine according to the invention from an energy storage unit on board the vehicle, to associate this electric machine with a voltage converter used with a machine according to the prior art of lower maximum speed. and with a rotor having a higher number of pole pairs. Similarly, the control laws used with an electric machine according to the prior art can also be used in association with the electric machine according to the invention.
En combinaison ou non avec ce qui précède, on peut associer la machine électrique selon l’invention à des capteurs de position du rotor, tels que des capteurs à effet Hall, déjà utilisés avec des machines électriques selon l’art antérieur.Whether or not in combination with the foregoing, the electric machine according to the invention can be associated with rotor position sensors, such as Hall effect sensors, already used with electric machines according to the prior art.
Le convertisseur et/ou les lois de commande et/ou les capteurs de position du rotor déjà utilisés avec des machines électriques selon l’art antérieur peuvent ainsi être réutilisés avec la machine électrique selon l’invention.The converter and/or the control laws and/or the rotor position sensors already used with electric machines according to the prior art can thus be reused with the electric machine according to the invention.
La machine électrique selon l’invention présente par exemple :The electric machine according to the invention has for example:
- une vitesse maximale de 30 000 tr/min et un nombre de paires de pôles au rotor de 3, ou- a maximum speed of 30,000 rpm and a number of rotor pole pairs of 3, or
- une vitesse maximale de 30 000 tr/min et un nombre de paires de pôles au rotor de 4, ou- a maximum speed of 30,000 rpm and a number of rotor pole pairs of 4, or
- une vitesse maximale de 30 000 tr/min et un nombre de paires de pôles au rotor de 5, ou- a maximum speed of 30,000 rpm and a number of rotor pole pairs of 5, or
- une vitesse maximale de 30 000 tr/min et un nombre de paires de pôles au rotor de 6, ou- a maximum speed of 30,000 rpm and a number of rotor pole pairs of 6, or
- une vitesse maximale de 40 000 tr/min et un nombre de paires de pôles au rotor de 3, ou- a maximum speed of 40,000 rpm and a number of rotor pole pairs of 3, or
- une vitesse maximale de 40 000 tr/min et un nombre de paires de pôles au rotor de 4, ou- a maximum speed of 40,000 rpm and a number of rotor pole pairs of 4, or
- une vitesse maximale de 40 000 tr/min et un nombre de paires de pôles au rotor de 5, ou- a maximum speed of 40,000 rpm and a number of rotor pole pairs of 5, or
- une vitesse maximale de 40 000 tr/min et un nombre de paires de pôles au rotor de 6.- a maximum speed of 40,000 rpm and a number of rotor pole pairs of 6.
Le rapport entre la vitesse maximale du rotor en tr/min et le nombre de paires de pôles du rotor de la machine peut être supérieur à 7000, étant notamment supérieur ou égal à 10 000.The ratio between the maximum speed of the rotor in rpm and the number of pairs of poles of the rotor of the machine can be greater than 7000, being in particular greater than or equal to 10,000.
La vitesse maximale du rotor peut être comprise entre 30 000 tr/min et 40 000 tr/min, et le nombre de paires de pôles du rotor peut être égal à 3, à 4 ou à 5.The maximum rotor speed can be between 30,000 rpm and 40,000 rpm, and the number of rotor pole pairs can be 3, 4 or 5.
Au sens de la présente demande :For the purposes of this application:
- « axialement » signifie « parallèlement à l’axe de rotation de l’arbre »,- "axially" means "parallel to the axis of rotation of the shaft",
- « radialement » signifie « dans un plan perpendiculaire à l’axe de rotation de l’arbre et le long d’une droite coupant cet axe de rotation »,- "radially" means "in a plane perpendicular to the axis of rotation of the shaft and along a straight line intersecting this axis of rotation",
- « circonférentiellement » signifie « dans un plan perpendiculaire à l’axe de rotation de l’arbre et en se déplaçant autour de cet axe ».- "circumferentially" means "in a plane perpendicular to the axis of rotation of the shaft and moving around this axis".
La machine électrique peut être une machine synchrone. Il peut s’agir d’une machine à rotor bobiné, ou à rotor à aimants permanents, ou à rotor bobiné avec aimants permanents.The electric machine can be a synchronous machine. It can be a machine with a wound rotor, or a rotor with permanent magnets, or a wound rotor with permanent magnets.
Dans tout ce qui précède, le rotor peut être un rotor à griffes. Ce rotor comprend alors une première et une deuxième roues polaires imbriquées, la première roue polaire définissant une série de griffes de forme globalement trapézoïdale, chaque griffe s'étendant axialement en direction de la deuxième roue polaire, la deuxième roue polaire définissant une série de griffes de forme globalement trapézoïdale, chaque griffe s'étendant axialement en direction de la première roue polaire. Un aimant permanent peut être reçu entre deux griffes consécutives circonférentiellement parlant pour le rotor. En variante, le rotor peut être autre qu’un rotor à griffes, comprenant par exemple un paquet de tôles.In all of the above, the rotor may be a claw rotor. This rotor then comprises a first and a second nested pole wheels, the first pole wheel defining a series of claws of generally trapezoidal shape, each claw extending axially in the direction of the second pole wheel, the second pole wheel defining a series of claws of generally trapezoidal shape, each claw extending axially in the direction of the first pole wheel. A permanent magnet can be received between two consecutive claws circumferentially speaking for the rotor. As a variant, the rotor can be other than a claw rotor, comprising for example a stack of laminations.
Dans tout ce qui précède, la machine électrique tournante peut avoir un stator ayant un enroulement électrique polyphasé, par exemple formé par des fils ou par des barres conductrices reliées les unes les autres.In all of the above, the rotating electrical machine may have a stator having a polyphase electrical winding, for example formed by wires or by conductive bars connected to each other.
Dans tout ce qui précède, la machine électrique peut comprendre un circuit de refroidissement du stator dans lequel circule du fluide tel que de l’air ou du liquide. Ce liquide peut être de l’eau ou de l’huile.In all of the above, the electrical machine may include a stator cooling circuit in which fluid such as air or liquid circulates. This liquid can be water or oil.
Le rotor peut être refroidi par ce même circuit de refroidissement ou par un autre circuit de refroidissement dans lequel circule de l’air, ou du liquide tel que de l’eau ou de l’huile.The rotor can be cooled by this same cooling circuit or by another cooling circuit in which air circulates, or liquid such as water or oil.
L’invention a encore pour objet, selon un autre de ses aspects, un ensemble de propulsion électrique, comprenant :Another subject of the invention, according to another of its aspects, is an electric propulsion assembly, comprising:
- une machine électrique telle que définie ci-dessus,- an electric machine as defined above,
- une unité de stockage d’énergie électrique présentant une tension nominale dont la- an electrical energy storage unit having a nominal voltage of which the
valeur est de 48V ou une valeur supérieure à 300V, etvalue is 48V or greater than 300V, and
- un convertisseur de tension interposé entre l’unité de stockage d’énergie électrique et l’enroulement électrique du stator de la machine électrique.- a voltage converter interposed between the electrical energy storage unit and the electrical winding of the stator of the electrical machine.
Comme mentionné précédemment le choix ci-dessus pour le rapport entre la vitesse maximale de la machine et le nombre de paires de pôles de son rotor peut permettre d’utiliser un convertisseur de tension qui est déjà utilisé pour des machines électriques dont la vitesse maximale est plus faible et dont le rotor présente un nombre de paires de pôles plus élevé. Ce convertisseur de tension peut mettre en œuvre des interrupteurs électroniques commandables tels que des transistors en nitrure de galium (GaN), en carbure de silicium (SiC), ou en silicium. Dans les exemples considérés, ce convertisseur de tension est un onduleur/redresseur.As mentioned previously the above choice for the ratio between the maximum speed of the machine and the number of pairs of poles of its rotor can make it possible to use a voltage converter which is already used for electrical machines whose maximum speed is weaker and whose rotor has a higher number of pairs of poles. This voltage converter can implement controllable electronic switches such as galium nitride (GaN), silicon carbide (SiC), or silicon transistors. In the examples considered, this voltage converter is an inverter/rectifier.
L’invention a encore pour objet un groupe motopropulseur de véhicule hybride, comprenant :The invention also relates to a hybrid vehicle powertrain, comprising:
- l’ensemble de propulsion électrique ci-dessus,- the electric propulsion unit above,
- un moteur thermique,- a heat engine,
- une boîte de vitesses,- a gearbox,
- un essieu avant, et- a front axle, and
- un essieu arrière.- a rear axle.
Dans un tel groupe motopropulseur de véhicule hybride, le rotor de la machine électriqueIn such a hybrid vehicle powertrain, the rotor of the electric machine
peut être relié, par une courroie ou tout autre moyen, au vilebrequin du moteur thermique, ou à l’entrée de la boîte de vitesses du point de vue du couple transitant vers les essieux du véhicule, ou en sortie de la boîte de vitesses du point de vue du couple transitant vers les essieux du véhicule, ou au niveau de la boîte de vitesses, ou encore sur l’essieu avant ou l’essieu arrière de ce groupe motopropulseur. Le cas échéant, chacun de l’essieu arrière et de l’essieu avant peut porter une machine électrique propre, celle-ci étant selon l’invention.can be connected, by a belt or any other means, to the crankshaft of the internal combustion engine, or to the input of the gearbox from the point of view of the torque transiting towards the axles of the vehicle, or at the output of the gearbox of the point of view of the torque transiting towards the axles of the vehicle, or at the level of the gearbox, or even on the front axle or the rear axle of this powertrain. If necessary, each of the rear axle and the front axle can carry its own electric machine, this being according to the invention.
L’invention a encore pour objet, selon encore un autre de ses aspects, un groupe motopropulseur de véhicule électrique, comprenant :Another subject of the invention, according to yet another of its aspects, is an electric vehicle powertrain, comprising:
- l’ensemble de propulsion électrique ci-dessus,- the electric propulsion unit above,
- un essieu avant, et- a front axle, and
- un essieu arrière.- a rear axle.
L’un et/ou l’autre de l’essieu avant et de l’essieu arrière porte par exemple une machine électrique selon l’invention.One and/or the other of the front axle and the rear axle carries, for example, an electric machine according to the invention.
L’invention a encore pour objet, selon encore un autre de ses aspects, un procédé de commande d’une machine électrique pour véhicule, cette machine électrique étant alimentée par une unité de stockage d’énergie électrique, notamment une unité de stockage d’énergie électrique ayant une tension nominale de 48V ou de valeur supérieure à 300 V, via un convertisseur de tension, et cette machine électrique ayant un rotor avec un nombre de paires de pôle donné,Another subject of the invention, according to yet another of its aspects, is a method for controlling an electric machine for a vehicle, this electric machine being powered by an electric energy storage unit, in particular an energy storage unit. electrical energy having a nominal voltage of 48V or a value greater than 300V, via a voltage converter, and this electrical machine having a rotor with a given number of pole pairs,
procédé selon lequel on commande le convertisseur de tension de manière à ce que le rotor tourne à une vitesse maximale telle que le rapport entre cette vitesse maximale en tr/min et le nombre de paires de pôles du rotor de la machine soit supérieur à 5000.process according to which the voltage converter is controlled so that the rotor rotates at a maximum speed such that the ratio between this maximum speed in rpm and the number of pairs of poles of the rotor of the machine is greater than 5000.
Tout ou partie de ce qui a été mentionné précédemment s’applique encore à cet autre aspect de l’invention.All or part of what was mentioned above still applies to this other aspect of the invention.
Lors de cette commande de la machine électrique, on peut appliquer une commande pleine onde au convertisseur de tension lorsque le rotor de la machine électrique tourne à une vitesse supérieure à sa vitesse de base, cette vitesse de base étant définie comme la vitesse de rotation du rotor pour laquelle l’amplitude de la force électromotrice de la machine est supérieure à la tension d’alimentation fournie par le convertisseur de tension.During this control of the electric machine, a full-wave control can be applied to the voltage converter when the rotor of the electric machine rotates at a speed greater than its basic speed, this basic speed being defined as the speed of rotation of the rotor for which the amplitude of the electromotive force of the machine is greater than the supply voltage supplied by the voltage converter.
Toujours lors de cette commande, lorsque le rotor de la machine électrique tourne à une vitesse inférieure à la vitesse de base, on peut appliquer une commande par modulation de largeur d’impulsion (MLI) au convertisseur de tension. La fréquence de cette commande par modulation de larguer d’impulsion est par exemple comprise entre 5 kHz et 20 kHz.Also during this control, when the rotor of the electric machine rotates at a speed lower than the base speed, a control by pulse width modulation (PWM) can be applied to the voltage converter. The frequency of this control by pulse width modulation is for example between 5 kHz and 20 kHz.
La machine électrique tournante n’est pas nécessairement une machine synchrone, pouvant être une machine asynchrone ou toute autre type de machine électrique.The rotating electrical machine is not necessarily a synchronous machine, it can be an asynchronous machine or any other type of electrical machine.
La machine électrique peut présenter une puissance électrique nominale supérieure ou égale à 5 kW, à 15 kW, à 25 kW, à 50 kW, à 100kW ou à 300 kW.The electrical machine may have a nominal electrical power greater than or equal to 5 kW, 15 kW, 25 kW, 50 kW, 100 kW or 300 kW.
L’invention pourra être mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre d’un exemple non limitatif de mise en œuvre de celle-ci et à l’examen du dessin annexé sur lequel :The invention can be better understood on reading the following description of a non-limiting example of its implementation and on examining the appended drawing in which:
exemple de mise en œuvre de l’invention, etexample of implementation of the invention, and
On a représenté sur la Figure 1 une machine électrique tournante 2 de propulsion d’un véhicule.There is shown in Figure 1 a rotating electrical machine 2 for propelling a vehicle.
La machine électrique tournante 2 peut former un alternateur ou un alterno-démarreur du véhicule ou encore un moteur électrique. Cette machine électrique tournante peut être alimentée via un convertisseur de tension 20 formant dans l’exemple décrit un onduleur/redresseur par une batterie dont la tension nominale est de 48V ou d’une valeur supérieure à 300V, par exemple.The rotating electrical machine 2 can form an alternator or an alternator-starter of the vehicle or even an electric motor. This rotating electrical machine can be powered via a voltage converter 20 forming in the example described an inverter/rectifier by a battery whose nominal voltage is 48V or a value greater than 300V, for example.
La machine électrique tournante 2 comporte un carter 4. A l'intérieur de ce carter 4, elle comporte, en outre, un arbre 5, un rotor 6 solidaire en rotation de l’arbre 5 et un stator 7 entourant le rotor 6. Le mouvement de rotation du rotor 6 se fait autour d’un axe X.The rotating electrical machine 2 comprises a casing 4. Inside this casing 4, it further comprises a shaft 5, a rotor 6 integral in rotation with the shaft 5 and a stator 7 surrounding the rotor 6. The rotational movement of the rotor 6 takes place around an axis X.
Le carter 4 comporte par exemple un palier avant 8 et un palier arrière 9 qui sont assemblés ensemble. Ces paliers 8, 9 sont de forme creuse et portent, chacun, centralement un roulement à billes 10, 11 respectif pour le montage à rotation de l'arbre 5.The casing 4 comprises for example a front bearing 8 and a rear bearing 9 which are assembled together. These bearings 8, 9 are hollow in shape and each carry centrally a respective ball bearing 10, 11 for the rotational mounting of the shaft 5.
Une poulie 12 est dans l’exemple considéré fixée sur une extrémité avant de l’arbre 5, au niveau du palier avant 8, par exemple à l’aide d’un écrou en appui sur le fond de la cavité de cette poulie. Cette poulie 12 permet de transmettre le mouvement de rotation à l’arbre 5 et elle peut être reliée via une courroie au vilebrequin du moteur thermique du véhicule lorsque la machine électrique 2 est intégrée à un groupe motopropulseur hybride. Dans des variantes non décrites, la machine électrique est intégrée à un groupe motopropulseur électrique.A pulley 12 is in the example considered fixed on a front end of the shaft 5, at the level of the front bearing 8, for example using a nut resting on the bottom of the cavity of this pulley. This pulley 12 makes it possible to transmit the rotational movement to the shaft 5 and it can be connected via a belt to the crankshaft of the heat engine of the vehicle when the electric machine 2 is integrated into a hybrid powertrain. In variants not described, the electric machine is integrated into an electric powertrain.
L’extrémité arrière de l’arbre 5 porte, ici, des bagues collectrices appartenant à un collecteur et reliées par des liaisons filaires au bobinage. Des balais appartenant à un porte-balais sont disposés de façon à frotter sur les bagues collectrices.The rear end of shaft 5 carries, here, slip rings belonging to a collector and connected by wire connections to the winding. Brushes belonging to a brush holder are arranged to rub on the slip rings.
Dans cet exemple de réalisation, le stator 7 comporte une carcasse 15 en forme d'un paquet de tôles doté d'encoches, par exemple du type semi fermée ou ouverte, équipées d’isolant d’encoches pour le montage de l’enroulement électrique polyphasé du stator. Chaque phase comporte un enroulement 16 traversant les encoches de la carcasse 15 et formant, avec toutes les phases, un chignon avant et un chignon arrière de part et d'autre du corps du stator. Les enroulements 16 sont par exemple obtenus 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. L’enroulement électrique du stator est par exemple triphasé, mettant alors en œuvre un montage en étoile ou en triangle dont les sorties sont reliées au convertisseur de tension 20.In this embodiment, the stator 7 comprises a carcass 15 in the form of a stack of laminations provided with notches, for example of the semi-closed or open type, equipped with notch insulation for mounting the electrical winding polyphase of the stator. Each phase comprises a winding 16 passing through the notches of the carcass 15 and forming, with all the phases, a front bun and a rear bun on either side of the body of the stator. The windings 16 are for example obtained from a continuous wire covered with enamel or from conductive elements in the form of a bar such as pins connected together. The electrical winding of the stator is for example three-phase, then implementing a star or triangle connection, the outputs of which are connected to the voltage converter 20.
Dans l’exemple de la figure 1, le rotor 6 est un rotor à griffe. Il comporte deux roues polaires 17. La première roue polaire 17 est tournée vers le convertisseur de tension 20 tandis que la deuxième roue polaire 17 est tournée vers la poulie 12.In the example of figure 1, the rotor 6 is a claw rotor. It comprises two pole wheels 17. The first pole wheel 17 is turned towards the voltage converter 20 while the second pole wheel 17 is turned towards the pulley 12.
Chacune des roues polaires 17 comprend un fond 18 s’étendant radialement de part et d’autre de l’axe X, la roue définissant une série de griffes 19 de forme globalement trapézoïdale. Chaque griffe d’une roue polaire 17 s'étend axialement en direction de l’autre roue polaire depuis une base disposée sur la périphérie radialement extérieure du fond 18.Each of the pole wheels 17 comprises a bottom 18 extending radially on either side of the axis X, the wheel defining a series of claws 19 of generally trapezoidal shape. Each claw of a pole wheel 17 extends axially in the direction of the other pole wheel from a base arranged on the radially outer periphery of the bottom 18.
L’invention n’est pas limitée à un rotor à griffes. Le rotor 6 est par exemple tel que représenté sur la figure 2. Il peut s’agir d’un rotor mettant en œuvre un empilement de tôles, par exemple.The invention is not limited to a claw rotor. The rotor 6 is for example as shown in Figure 2. It may be a rotor implementing a stack of sheets, for example.
Selon l’invention, la machine électrique 2 est conçue de manière à présenter une vitesse maximale de rotation élevée, par exemple comprise entre 30 000 tr/min et 40 000 tr/min, tandis que le nombre de paires de pôles du rotor de la machine est plus réduit, étant par exemple compris entre 3 et 5.According to the invention, the electric machine 2 is designed so as to have a high maximum rotational speed, for example between 30,000 rpm and 40,000 rpm, while the number of pairs of poles of the rotor of the machine is smaller, being for example between 3 and 5.
Un exemple de machine électrique selon l’invention est réalisé comme suit :An example of an electric machine according to the invention is made as follows:
- couple nominal sur l’arbre 5 de 30 Nm,- nominal torque on shaft 5 of 30 Nm,
- puissance mécanique nominale sur l’arbre 5 de 14 kW,- nominal mechanical power on shaft 5 of 14 kW,
- puissance électrique nominale de la machine de 15 kW- rated electrical power of the machine 15 kW
- refroidissement du stator à l’eau,- water cooling of the stator,
- diamètre intérieur du stator de 110 mm,- internal diameter of the stator of 110 mm,
- dimension axiale du paquet de tôles du rotor de 70 mm,- axial dimension of the rotor sheet pack of 70 mm,
- aimants du rotor en terre rare,- rare earth rotor magnets,
- enroulement électrique de stator double triphasé- electric winding of double three-phase stator
- couplage de l’enroulement électrique de stator en étoile,- star stator electrical winding coupling,
- nombre de paires de pôles du rotor égal à 4,- number of rotor pole pairs equal to 4,
- nombre d’encoches dans la carcasse du stator égal à 48,- number of notches in the stator carcass equal to 48,
- enroulement électrique du stator formé par des barres conductrices reliées les unes les autres, 4 barres conductrices étant reçues dans chaque encoche,- electrical winding of the stator formed by conductive bars connected to each other, 4 conductive bars being received in each notch,
- valeur efficace du courant de phase en court-circuit de 126 Arms entre 20000 tr/min et 40000 tr/min,- rms value of the short-circuit phase current of 126 Arms between 20,000 rpm and 40,000 rpm,
- vitesse maximale du rotor de 40 000 tr/min.- maximum rotor speed of 40,000 rpm.
Le convertisseur de tension 20 peut être commandé comme suit pour alimenter la machine électrique 2 jusqu’à sa vitesse de rotation nominale :The voltage converter 20 can be controlled as follows to supply the electrical machine 2 up to its nominal speed of rotation:
- application d’une commande MLI à une fréquence comprise entre 5 kHz et 20 kHz tant que la vitesse de rotation de la machine est inférieure à sa vitesse de base, et- application of a PWM command at a frequency between 5 kHz and 20 kHz as long as the rotational speed of the machine is lower than its base speed, and
- application d’une commande pleine onde au-delà de cette vitesse de base.- application of a full wave command beyond this basic speed.
Pour réaliser cette commande, des capteurs de position du rotor tels que des capteurs à effet Hall sont par exemple utilisés. On peut également utiliser des capteurs inductifs ou un résolveur ou un une commande sans capteur de positonTo achieve this control, rotor position sensors such as Hall effect sensors are for example used. It is also possible to use inductive sensors or a resolver or a control without a position sensor
L’intérêt de l’invention peut par exemple être montré en considérant une machine selon l’art antérieur de vitesse de rotation nominale de 18 000 tr/min et avec un rotor à 8 paires de pôles. Alimentée depuis une unité de stockage d’énergie électrique de tension nominale de 48V, cette machine électrique aura un diamètre extérieur stator de 153 mm et un poids de 13 kg pour fournir une puissance électrique de 15 kW. Dans les mêmes conditions d’alimentation électrique et de puissance à fournir, une machine électrique selon l’invention de vitesse maximale de 40 000 tr/min et avec rotor à 4 paires de pôles aura un diamètre extérieur stator de 100 mm et un poids de 10 kg, soit une réduction significative d’encombrement et de poids à performance constante.The advantage of the invention can for example be shown by considering a machine according to the prior art with a nominal speed of rotation of 18,000 rpm and with a rotor with 8 pairs of poles. Powered from an electrical energy storage unit with a nominal voltage of 48V, this electrical machine will have a stator outer diameter of 153 mm and a weight of 13 kg to provide an electrical power of 15 kW. Under the same electrical supply and power supply conditions, an electrical machine according to the invention with a maximum speed of 40,000 rpm and with a rotor with 4 pairs of poles will have a stator outer diameter of 100 mm and a weight of 10 kg, i.e. a significant reduction in size and weight with constant performance.
L’invention n’est pas limitée aux exemples qui viennent d’être décrits.The invention is not limited to the examples which have just been described.
Claims (10)
- un rotor (6) mobile en rotation autour d’un axe (X), et
- un stator (7),
le rotor (6) présentant une vitesse de rotation nominale et un nombre de paires de pôles choisis de manière à ce que le rapport entre cette vitesse en tr/min et ce nombre de paires de pôles soit supérieur à 5000.Electric machine (2) for propelling a vehicle, comprising:
- a rotor (6) rotatable around an axis (X), and
- a stator (7),
the rotor (6) having a nominal speed of rotation and a number of pairs of poles chosen so that the ratio between this speed in rpm and this number of pairs of poles is greater than 5000.
(6) en tr/min et le nombre de paires de pôles du rotor de la machine étant supérieur à 7000, étant notamment supérieur ou égal à 10 000.Electrical machine according to Claim 1, the ratio between the maximum speed of the rotor
(6) in rpm and the number of pairs of poles of the rotor of the machine being greater than 7000, being in particular greater than or equal to 10,000.
comprise entre 30 000 tr/min et 40 000 tr/min, et le nombre de paires de pôles du rotor étant égal à 3, à 4 ou à 5.Electrical machine according to Claim 1 or 2, the maximum speed of the rotor (6) being
between 30,000 rpm and 40,000 rpm, and the number of pairs of rotor poles being equal to 3, 4 or 5.
machine synchrone à aimants permanents.Electrical machine according to any one of the preceding claims, being a
permanent magnet synchronous machine.
comprenant un circuit de refroidissement du stator dans lequel circule un liquide, notamment de l’eau.Electrical machine according to any one of the preceding claims,
comprising a stator cooling circuit in which a liquid, in particular water, circulates.
- une machine électrique selon l’une quelconque des revendications précédentes,
- une unité de stockage d’énergie électrique présentant une tension nominale dont la
valeur est de 48V ou une valeur supérieure à 300V, et
- un convertisseur de tension (20) interposé entre l’unité de stockage d’énergie électrique et l’enroulement électrique du stator de la machine électrique.Electric propulsion package, comprising:
- an electric machine according to any one of the preceding claims,
- an electrical energy storage unit having a nominal voltage whose
value is 48V or greater than 300V, and
- a voltage converter (20) interposed between the electrical energy storage unit and the electrical winding of the stator of the electrical machine.
- l’ensemble de propulsion électrique selon la revendication 6,
- un moteur thermique,
- une boîte de vitesses,
- un essieu avant, et
- un essieu arrière.Hybrid vehicle powertrain, including:
- the electric propulsion assembly according to claim 6,
- a heat engine,
- a gearbox,
- a front axle, and
- a rear axle.
étant relié au vilebrequin du moteur thermique, ou à l’entrée de la boîte de vitesses du point de vue du couple transitant vers les essieux du véhicule, ou en sortie de la boîte de vitesses du point de vue du couple transitant vers les essieux du véhicule, ou au niveau de la boîte de vitesses, ou encore sur l’essieu avant ou l’essieu arrière de ce groupe motopropulseur.Drive unit according to claim 7, the rotor of the electric machine
being connected to the crankshaft of the combustion engine, or to the input of the gearbox from the point of view of the torque transiting towards the axles of the vehicle, or at the output of the gearbox from the point of view of the torque transiting towards the axles of the vehicle, or at the gearbox, or even on the front axle or the rear axle of this powertrain.
- l’ensemble de propulsion électrique selon la revendication 6,
- un essieu avant, et
- un essieu arrière.
l’un et/ou l’autre de l’essieu avant et de l’essieu arrière portant notamment une machine électrique selon la revendication 1.Electric vehicle powertrain, including:
- the electric propulsion assembly according to claim 6,
- a front axle, and
- a rear axle.
one and/or the other of the front axle and of the rear axle carrying in particular an electric machine according to claim 1.
électrique étant alimentée par une unité de stockage d’énergie électrique, notamment une unité de stockage d’énergie électrique ayant une tension nominale de 48V ou de valeur supérieure à 300 V, via un convertisseur de tension (20), et cette machine électrique (2) ayant un rotor avec un nombre de paires de pôle donné,
procédé selon lequel on commande le convertisseur de tension (20) de manière à ce que le rotor (6) tourne à une vitesse maximale telle que le rapport entre cette vitesse maximale en tr/min et le nombre de paires de pôles du rotor de la machine soit supérieur à 5000.Method for controlling an electric machine (2) for a vehicle, this machine
being supplied by an electrical energy storage unit, in particular an electrical energy storage unit having a nominal voltage of 48V or a value greater than 300 V, via a voltage converter (20), and this electrical machine ( 2) having a rotor with a given number of pole pairs,
method according to which the voltage converter (20) is controlled so that the rotor (6) rotates at a maximum speed such that the ratio between this maximum speed in rpm and the number of pairs of poles of the rotor of the machine is greater than 5000.
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|---|---|---|---|
| FR2004073A FR3109679B1 (en) | 2020-04-23 | 2020-04-23 | electric machine |
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| FR2004073A FR3109679B1 (en) | 2020-04-23 | 2020-04-23 | electric machine |
| FR2004073 | 2020-04-23 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| FR3136132A1 (en) * | 2022-05-24 | 2023-12-01 | Valeo Equipements Electriques Moteur | Vehicle propulsion system |
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| US20130313922A1 (en) * | 2011-01-24 | 2013-11-28 | Amotech Co., Ltd. | Amorphous stator, and electric motor using same |
| US20170057373A1 (en) * | 2015-08-24 | 2017-03-02 | GM Global Technology Operations LLC | Electric machine for hybrid powertrain with dual voltage power system |
| WO2017042506A1 (en) * | 2015-09-11 | 2017-03-16 | Valeo Equipements Electriques Moteur | Rotary electric machine with reduced inertia |
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- 2020-04-23 FR FR2004073A patent/FR3109679B1/en active Active
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