FR3121001A1 - Machine électrique tournante - Google Patents

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Paul Armiroli
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Abstract

Machine électrique tournante (7), comprenant : - un stator (10) comprenant un enroulement électrique polyphasé, et - un rotor (12) mobile en rotation autour d’un axe (X), la machine (7) étant configurée de manière à ce que le produit en mm2 entre le diamètre extérieur (D) et la dimension axiale (L) de la carcasse (15) du stator (10) vérifie la relation suivante : RS désignant la résistance d’une phase de l’enroulement électrique de stator, IS désignant la valeur efficace maximale du courant de phase, et N désignant le nombre de phases de l’enroulement électrique de stator. Figure d’abrégé: Fig 2

Description

Machine électrique tournante
La présente invention concerne une machine électrique tournante pour véhicule.
La machine électrique est par exemple un alterno-démarreur ou un moteur électrique, alimenté par une tension nominale de 12V ou de 48V, voire plus.
Cette machine électrique peut être intégrée à un véhicule à propulsion hybride ou purement électrique, par exemple une automobile.
Les pertes d’une machine électrique sont la somme des pertes Joule et des pertes fer.
Il existe un besoin pour dimensionner la machine électrique de manière à limiter autant que possible ces pertes.
L’invention a pour but de répondre à ce besoin et elle y parvient, selon l’un de ses aspects, à l’aide d’une machine électrique tournante, comprenant :
- un stator comprenant un enroulement électrique polyphasé, et
- un rotor mobile en rotation autour d’un axe,
la machine étant configurée de manière à ce que le produit en mm2entre le diamètre extérieur (D) et la dimension axiale (L) de la carcasse du stator vérifie la relation suivante :
RSdésignant la résistance d’une phase de l’enroulement électrique de stator,
ISdésignant la valeur efficace maximale du courant de phase, et
N désignant le nombre de phases de l’enroulement électrique de stator.
La dissipation des pertes de la machine peut être considérée comme proportionnelle à la surface d’échange thermique de la machine, et cette surface d’échange thermique dépend du produit entre le diamètre extérieur de la carcasse du stator de la machine et la dimension axiale de la carcasse de ce stator. L’invention consiste ainsi à dimensionner ce produit de manière à limiter les pertes de la machine.
Au sens de la présente demande :
- « axialement » signifie « parallèlement à l’axe de rotation de l’arbre »,
- « 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 »,
- « circonférentiellement » signifie « dans un plan perpendiculaire à l’axe de rotation de l’arbre et en se déplaçant autour de cet axe », et
- « puissance nominale » désigne la puissance mécanique pic disponible sur l’arbre rotor.
La machine électrique tournante peut avoir une tension nominale d’alimentation de 48V.
Dans tout ce qui précède, le rotor peut comprendre un nombre de paires de pôles quelconque, par exemple quatre, six, ou huit paires de pôles.
La machine électrique tournante peut présenter une puissance nominale de 4 kW, 8 kW, 15 kW, 25 kW ou plus.
La machine électrique peut être une machine synchrone. Le rotor peut comporter une pluralité d’aimants permanents et être dépourvu d’enroulement électrique d’excitation. Le rotor peut être formé par un paquet de tôles à l’intérieur duquel sont disposés les aimants permanents.
Dans tout ce qui précède, l’enroulement électrique polyphasé du stator peut être formé par des fils ou par des barres conductrices reliées les unes les autres. Chaque encoche de la carcasse du stator peut recevoir plusieurs conducteurs, par exemple 2, 4 ou 6.
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.
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.
L’invention peut permettre, considérant les dimensions d’une machine électrique connue dont le diamètre extérieur de la carcasse de stator et la dimension axiale de cette carcasse sont optimisées par rapport aux pertes fer précitées, d’obtenir une plage de valeurs pour le diamètre extérieur et la dimension axiale de la carcasse du stator d’une machine électrique cible de puissance nominale différente, de manière à optimiser également les pertes fer de cette machine électrique de puissance nominale différente. En variante, l’invention peut permettre, considérant les dimensions d’une machine électrique connue dont le diamètre extérieur de la carcasse de stator et la dimension axiale de cette carcasse sont optimisées par rapport aux pertes fer précitées, d’obtenir une plage de valeurs autres pour le diamètre extérieur et la dimension axiale de la carcasse du stator d’une machine électrique cible de même puissance nominale, de manière à optimiser également les pertes fer de cette machine électrique de même puissance nominale.
Considérant que la machine électrique tournante connue, référencée ensuite par l’indice « 1 », présente les mêmes pertes fer optimisées que la machine électrique tournante cible que l’on cherche à dimensionner, référencée ensuite par l’indice « 2 », chacune de ces machines ayant par exemple un enroulement électrique de stator définissant un double système triphasé, on obtient les équations suivantes :
Considérant les pertes fer Pfpour cette machine cible, on obtient :
Sachant que la machine connue à ses pertes P1comprises entre 5000 W et 6000 W, on obtient les équations suivantes :
D’où l’on tire les équations suivantes:
Par ailleurs, en combinant les équations [Math2] et [Math3], on obtient
D’où il vient, en combinant d’une part les équations [Math8] et [Math6], et [Math8] et [Math7],
On obtient ainsi les bornes selon les équations [Math9] et [Math10] pour les valeurs du produit entre D2et L2de la machine cible que l’on cherche à dimensionner à partir du produit entre D1et L1de la machine connue.
En choisissant par exemple pour les valeurs de D1, L1, RS1et I1les valeurs respectives suivantes : 161 mm, 66 mm, 8,8 mΩ et 320 Arms, on arrive aux bornes suivantes pour le produit en mm2entre D2et L2:
L’invention n’est bien entendu pas limitée au choix de valeurs précité pour D1et L1, le choix de 5000W et de 6000W comme valeurs de puissance traduisant une large plage de valeurs pour les dimensions L1, D1, RS1, et IS1.
L’invention a encore pour objet, selon un autre de ses aspects, un ensemble de propulsion d’un véhicule électrique ou hybride, comprenant :
- une machine électrique tournante, telle que définie ci-dessus, et
- un onduleur/redresseur connecté électriquement à l’enroulement électrique du stator et apte à être connecté au réseau de bord du véhicule.
Le réseau de bord du véhicule comprend par exemple deux sous-réseaux entre lesquels est interposé un système de commutation définissant un convertisseur de tension continu/continu.
L’un de l’onduleur/redresseur et du convertisseur de tension continu/continu 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.
Le premier sous-réseau électrique, étant celui apte à être connecté à l’onduleur/redresseur, présente par exemple une tension nominale de 48V ou une tension nominale de valeur supérieure à 300V, et le deuxième sous-réseau électrique présente par exemple une tension nominale de 12V.
Le premier sous-réseau peut présenter une batterie et une unité de stockage d’énergie électrique formée par un ou plusieurs condensateurs et disposée en parallèle de la sortie continue de l’onduleur/redresseur. La capacité de cette unité de stockage d’énergie électrique est notamment comprise entre 2000 µF et 4000µF, par exemple de l’ordre de 3000µF.
La valeur de la résistance de phase de l’enroulement électrique de stator et la valeur de la résistance de l’onduleur/redresseur peuvent être choisies de manière à vérifier la relation suivante :
où Pmec maxdésigne la puissance nominale de la machine électrique tournante.
Cette relation est explicitée dans la demande WO 2020/025611 de la Déposante.
L’invention a encore pour objet, selon un autre de ses aspects, un groupe motopropulseur de véhicule hybride ou électrique, comprenant :
- l’ensemble défini ci-dessus, et
- une boîte de vitesses, comprenant des pignons, définissant des rapports de boîte, et
- un essieu avant et un essieu arrière,
l’arbre de la machine électrique tournante étant solidaire en rotation :
- d’un arbre d’entrée de la boîte de vitesses, ou
- de l’arbre de sortie de la boîte de vitesses, ou
- de pignons fous de la boîte de vitesses, ou
- de l’essieu avant ou de l’essieu arrière.
En variante, l’arbre de la machine électrique peut être solidaire en rotation du
vilebrequin du moteur thermique du véhicule, lorsque le groupe motopropulseur comprend un tel moteur thermique. Dans un tel cas, la machine électrique tournante peut comprendre une poulie ou tout autre moyen de liaison vers le reste du groupe motopropulseur du véhicule. La machine électrique est par exemple reliée, notamment via une courroie, au vilebrequin du moteur thermique du véhicule.
Le groupe motopropulseur peut comprendre un double embrayage, à sec ou humide, chacun des arbres de sortie du double embrayage formant alors un arbre d’entrée pour la boîte de vitesses.
L’invention a encore pour objet, selon un autre de ses aspects, un procédé de réalisation d’une machine électrique tournante, comprenant :
- un stator comprenant un enroulement électrique polyphasé, et
- un rotor mobile en rotation autour d’un axe,
le procédé comprenant les étapes selon lesquelles :
- on détermine la valeur du diamètre extérieur (D) et de la dimension axiale (L) de la carcasse du stator de manière à ce que le produit en mm2entre lesdites valeurs vérifie la relation suivante :
et
- on fabrique la machine avec une carcasse de stator dont le diamètre extérieur et la dimension axiale ont des valeurs ainsi déterminées.
Tout ou partie de ce qui précède s’applique encore à cet autre aspect de l’invention.
L’invention a encore pour objet, selon un autre de ses aspects, un procédé de réalisation d’une machine électrique tournante cible, comprenant un stator comprenant un enroulement électrique polyphasé, et un rotor mobile en rotation autour d’un axe,
le procédé comprenant les étapes selon lesquelles :
- on dispose pour une machine de référence de la valeur du diamètre extérieur (D1) et de la valeur de la dimension axiale (L1) de la carcasse du stator de cette machine de référence,
- on détermine la valeur du diamètre extérieur (D2) et de la dimension axiale (L2) de la carcasse du stator de la machine cible, de manière à ce que le produit en mm2entre lesdites valeurs vérifie la relation
et
- on fabrique la machine cible avec une carcasse de stator dont le diamètre extérieur et la dimension axiale ont des valeurs ainsi déterminées.
L’invention permet ainsi, connaissant une machine électrique optimisée en termes de pertes fer, d’avoir une règle de conception pour dimensionner une machine électrique de puissance nominale différente ou non, qui soit également optimisée en termes de pertes fer.
L’invention pourra être mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre d’exemples non limitatifs de celle-ci et à l’examen du dessin annexé sur lequel :
- représente de façon schématique et partielle un groupe motopropulseur auquel peut s’appliquer un exemple de mise en œuvre de l’invention,
- représente de façon schématique un exemple de machine électrique tournante du système de la , baignant dans l’huile,
- représente de façon isolée un exemple de rotor de la machine électrique tournante de la , et
- représente de façon schématique, le circuit électrique de la machine électrique tournante du groupe motopropulseur des figures 1 et 2.
On a représenté sur la un groupe motopropulseur1 auquel peut s’appliquer l’invention. Le groupe motopropulseur1 comprend ici un double embrayage 6 pouvant être à sec ou humide, à disques ou à lamelles.
Ce double embrayage présente deux arbres de sortie 2 et 3 qui sont ici concentriques. Chacun de ces arbres définit un arbre d’entrée de boîte de vitesses 4. La boite de vitesses 4 comprend, à l’intérieur d’un carter rempli d’huile, une pluralité de pignons définissant une pluralité de rapports de vitesse R1-Rn. L’arbre 2 est ici associé à des rapports de vitesse impairs et l’arbre 3 est associé à des rapports de vitesse pairs.
Le couple en sortie de la boîte de vitesses 4 est transmis aux roues du véhicule, afin d’assurer une propulsion de ce véhicule.
Le groupe motopropulseur 1 est hybride ou électrique, comprenant une machine électrique tournante 7. Cette machine tournante 7 est implantée à l’intérieur du carter de la boîte de vitesses 4. Dans l’exemple considéré, l’arbre de la machine tournante 7 est apte à coopérer par engrènement avec un pignon 8 solidaire de l’arbre 2 d’entrée de la boîte de vitesses associé aux rapports de vitesse impairs, mais d’autres positions sont possibles pour la machine électrique tournante 7, par exemple son engrènement avec un pignon solidaire de l’arbre 3 d’entrée de la boîte de vitesses associé aux rapports de vitesse pairs. Des emplacements en dehors du carter de la boîte de vitesses 4 sont par ailleurs possibles.
Cette machine électrique tournante 7 peut former une source de propulsion électrique du véhicule. La machine électrique tournante 7 comporte un carter non représenté sur la . A l'intérieur de ce carter, elle comporte, en outre, un arbre 13, un rotor 12 solidaire en rotation de l’arbre 13, et un stator 10 entourant le rotor 12. Le mouvement de rotation du rotor 12 se fait autour d’un axe X.
Bien que non représenté, le carter peut comporter un palier avant et un palier arrière qui sont assemblés ensemble, et peuvent chacun avoir une forme creuse et porter centralement un roulement à billes respectif pour le montage à rotation de l'arbre 13.
Dans cet exemple de réalisation, le stator 10 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 traversant les encoches de la carcasse 15 et formant, avec toutes les phases, un chignon avant 16 et un chignon arrière 17 de part et d'autre de la carcasse 15 du stator. Les enroulements 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. Chaque encoche peut recevoir plusieurs conducteurs, par exemple 2 ou 4 ou 6 conducteurs.
L’enroulement électrique du stator définit ici un double système triphasé, un seul de ces systèmes étant représenté sur la , chacun de ces systèmes triphasés mettant alors en œuvre un montage en étoile ou en triangle dont les sorties sont reliées à un onduleur/redresseur 20. En variante, l’enroulement électrique du stator peut définir un unique système triphasé.
Le rotor 12 de la est formé par un empilement de tôles, comme représenté sur la . Le nombre de paires de pôles défini par le rotor 12 peut être quelconque, par exemple être compris entre trois et huit, étant par exemple égal à six ou à huit.
On constate encore sur la que l’arbre 13 est creux, de l’huile circulant à travers celui-ci. Des ouvertures ménagées dans l’arbre 13 et visibles sur la permettent la projection radiale d’huile dans la machine, de sorte que le rotor et le stator baignent dans l’huile, dans l’exemple considéré.
La machine comprend encore des capteurs de mesure de la position du rotor, non représentés sur la . Ces capteurs sont par exemple trois capteurs à effet Hall interagissant avec une cible magnétique solidaire en rotation du rotor, mais d’autres capteurs sont possibles tels que des résolveurs ou des capteurs inductifs.
L’enroulement électrique du stator de la machine électrique tournante 7 appartient à un circuit électrique comprenant l’onduleur/redresseur 20. Cet onduleur/redresseur 20 est interposé entre l’enroulement électrique du stator et un premier sous-réseau du réseau de bord du véhicule dont la tension nominale est dans l’exemple décrit égale à 48V. L’onduleur/redresseur 20 comprend par exemple plusieurs bras de commutation, chaque bras mettant en œuvre deux transistors montés en série et séparés par un point milieu. Chaque transistor est par exemple un transistor en nitrure de galium (GaN), en carbure de silicium (SiC), ou en silicium.
Le premier sous-réseau du réseau de bord comprend également dans l’exemple décrit une batterie 21 reliée au reste de ce premier sous-réseau par un interrupteur de déconnexion 22. Le premier sous-réseau peut encore comprendre ou non un ou plusieurs consommateurs 23, dont par exemple mais de façon non limitative un compresseur électrique de suralimentation.
Aux bornes de l’entrée continue 24 de l’onduleur/redresseur 20 est disposée dans l’exemple décrit une unité de stockage d’énergie électrique 25, qui est par exemple formée par un condensateur ou par l’assemblage de plusieurs condensateurs. Cette unité de stockage d’énergie électrique 25 a par exemple une capacité comprise entre 3000µF et 4000µF.
Le circuit électrique comprend également dans l’exemple considéré un convertisseur de tension continu/continu 27 interposé entre le premier sous-réseau et un deuxième sous-réseau du réseau de bord. Similairement à l’onduleur/redresseur 20, le convertisseur de tension continu/ continu comprend par exemple des transistors qui peuvent être du même type que ceux mentionnés précédemment. Le deuxième sous-réseau du réseau de bord présente par exemple une tension nominale de 12V.
De façon connue, ce deuxième sous- réseau peut comprendre une batterie 30 ainsi que des consommateurs non représentés, pouvant être choisi(s) dans la liste suivante non limitative: système d’éclairage, système de direction assistée électrique, système de freinage, système de climatisation ou système d’autoradio.
Le circuit électrique comprend encore dans l’exemple considéré une unité de contrôle 32, qui peut être le calculateur central du véhicule ou être dédiée à tout ou partie du groupe motopropulseur groupe motopropulseur1. Cette unité de contrôle 32 communique via un réseau de données 33, qui est par exemple de type CAN, avec différents composants du circuit électrique, comme on peut le voir sur la .
La présente invention consiste, connaissant : la valeur du diamètre extérieur D1et la valeur de la dimension axiale L1de la carcasse 15 du stator d’une machine électrique de référence telle que représentée à la , à déterminer pour une machine électrique tournante cible de structure similaire à celle de la et, par exemple de puissance nominale différente, la valeur du diamètre extérieur D2et la valeur de la dimension axiale L2de la carcasse 15 du stator, de manière à vérifier une relation donnée entre L1D1, L2et D2afin d'évacuer les pertes de la machine cible.
Comme déjà mentionné ci-dessus, l’équation ci-dessous fournit un lien entre les valeurs de D1et L1d’une part et celles de D2et L2d’autre part dans le cas où les pertes de la machine électrique de référence sont égales à 5000W.
Dans l’exemple considéré, la machine de référence a une puissance nominale de 25kW et l’on souhaite que la machine électrique tournante cible ait une puissance nominale de 35 kW.
Avec les données suivantes : D1= 161 mm, L1= 66 mm, RS1=8,8 mΩ, et IS1= 320 Arms, l’équation ci-dessus devient :
Considérant que la valeur efficace maximale du courant de phase IS2dans le cas de la machine électrique tournante cible sera égal à 400 Arms, et que la résistance Rondde l’onduleur/redresseur 20 est égale à 1,5 mΩ, on obtient, en utilisant l’équation suivante :
une valeur de 6,4 mΩ pour la résistance de phase RS2de l’enroulement électrique de stator de la machine électrique tournante cible.
L’équation précédente pour le produit entre D2et L2devient alors
Soit avec les valeurs ci-dessus pour D1 et L1,
Toujours pour cette machine électrique tournante cible dont la puissance nominale est de 35 kW, on considère que le courant continu maximal dans la batterie 48 V associée est de 790 A. Pour conserver les mêmes pertes Joule que dans le cas de la machine électrique tournante de référence dont la puissance nominale est de 25 kW et dont la résistance de la batterie 48 V associée est de 6 mΩ avec un courant maximal dans cette batterie 48V associée de 550 A, on choisira une résistance batterie de 3 mΩ pour la batterie 48 V associée à cette machine électrique tournante cible 7.
L’invention n’est pas limitée à l’exemple qui vient d’être décrit.

Claims (10)

  1. Machine électrique tournante (7), comprenant :
    - un stator (10) comprenant un enroulement électrique polyphasé, et
    - un rotor (12) mobile en rotation autour d’un axe (X),
    la machine (7) étant configurée de manière à ce que le produit en mm2entre le diamètre extérieur (D) et la dimension axiale (L) de la carcasse (15) du stator (10) vérifie la relation suivante :

    RSdésignant la résistance d’une phase de l’enroulement électrique de stator,
    ISdésignant la valeur efficace maximale du courant de phase, et
    N désignant le nombre de phases de l’enroulement électrique de stator.
  2. Machine électrique tournante selon la revendication 1, dans lequel le rotor (12) comporte une pluralité d’aimants permanents et est dépourvu d’enroulement électrique d’excitation.
  3. Ensemble de propulsion d’un véhicule électrique ou hybride, comprenant :
    - une machine électrique tournante (7), selon la revendication 1 ou 2, et
    - un onduleur/redresseur (20) connecté électriquement à l’enroulement électrique du stator
    et apte à être connecté au réseau de bord du véhicule.
  4. Ensemble selon la revendication précédente, la résistance (RS) d’une phase de l’enroulement électrique de stator et la résistance (Rond) de l’onduleur/redresseur (20) vérifiant la relation suivante

    Pmec maxdésignant la puissance nominale de la machine électrique.
  5. Ensemble selon la revendication 4, l’enroulement électrique de stator étant triphasé ou définissant un double système triphasé.
  6. Ensemble selon l’une quelconque des revendications 3 à 5, la machine électrique (7) tournante ayant une tension nominale d’alimentation de 48V.
  7. Groupe motopropulseur (1) de véhicule hybride ou électrique, comprenant :
    - l’ensemble selon l’une quelconque des revendications 3 à 6,
    - une boîte de vitesses (4), comprenant des pignons, définissant des rapports de boîte, et
    - un essieu avant et un essieu arrière,
    l’arbre de la machine électrique tournante étant solidaire en rotation :
    - d’un arbre d’entrée de la boîte de vitesses, ou
    - de l’arbre de sortie de la boîte de vitesses, ou
    - de pignons fous de la boîte de vitesses, ou
    - de l’essieu avant ou de l’essieu arrière.
  8. Groupe motopropulseur (1) selon la revendication 7, comprenant un double embrayage (6), à sec ou humide, chacun des arbres de sortie du double embrayage formant alors un arbre d’entrée pour la boîte de vitesses (4).
  9. Procédé de réalisation d’une machine électrique tournante (7), comprenant :
    - un stator (10) comprenant un enroulement électrique polyphasé, et
    - un rotor (12) mobile en rotation autour d’un axe (X),
    le procédé comprenant les étapes selon lesquelles :
    - on détermine la valeur du diamètre extérieur (D) et de la dimension axiale (L) de la carcasse (15) du stator (10) de manière à ce que le produit en mm2entre lesdites valeurs vérifie la relation suivante:

    - on fabrique la machine avec une carcasse (15) de stator (10) dont le diamètre extérieur (D) et la dimension axiale (L) ont des valeurs ainsi déterminées.
  10. Procédé de réalisation d’une machine électrique tournante cible (7), comprenant un stator (10) comprenant un enroulement électrique polyphasé, et un rotor (12) mobile en rotation autour d’un axe (X), le procédé comprenant les étapes selon lesquelles :
    - on dispose pour une machine de référence de la valeur du diamètre extérieur (D1) et de la valeur de la dimension axiale (L1) de la carcasse (15) du stator (10) de cette machine de référence,
    - on détermine la valeur du diamètre extérieur (D2) et de la dimension axiale (L2) de la carcasse (15) du stator (10) de la machine cible de manière à ce que le produit en mm2entre lesdites valeurs vérifie la relation

    et
    - on fabrique la machine cible (7) avec une carcasse (15) de stator (10) dont le diamètre extérieur (D2) et la dimension axiale (L2) ont des valeurs ainsi déterminées.
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