FR3134933A1 - Procédé de commande d’un moteur à flux axial avec des variateurs. - Google Patents

Abstract

L’invention concerne un procédé de commande d’un moteur (10) à flux axial comprenant au moins un rotor (3) intercalé entre deux stators (1, 2) alimentés électriquement par au moins un variateur d’intensité électrique. Le moteur (10) est alimenté par deux variateurs (6, 8), la commande du moteur (10) s’effectuant selon une valeur de couple souhaitée en sortie du moteur (10). Une borne inférieure de couple en sortie du moteur (10) est prédéterminée et, pour une valeur de couple souhaitée en dessous de la borne inférieure, il est procédé à l’alimentation électrique du moteur (10) uniquement par un premier variateur des deux variateurs (6, 8) tandis qu’au-dessus de la borne inférieure, l’alimentation électrique du moteur (10) est effectuée simultanément par les deux variateurs (6, 8). Figure de l’abrégé : FIGURE 1

Description

Procédé de commande d’un moteur à flux axial avec des variateurs.

La présente invention concerne un procédé de commande d’un moteur à flux axial comprenant au moins un rotor intercalé entre deux stators alimentés électriquement par au moins un variateur d’intensité électrique.

Il est connu d’utiliser un moteur à flux axial comportant au moins un rotor intercalé entre deux stators, ceci par exemple pour la propulsion d’un moyen de transport électrique ou hybride, notamment mais pas seulement un véhicule automobile.

Un tel moteur est soumis à des pertes élevées, ce qui peut être vérifié lors d’essais pendant une procédure d'essai mondiale harmonisée pour les voitures particulières et véhicules utilitaires légers, procédure d’essai aussi connu sous l’acronyme anglo-saxon de WLTC.

En effet, un moteur électrique pour un moyen de transport est souvent conçu pour développer un couple maximal, ce couple maximal pouvant être par exemple de 240 N.m ou Newton.mètre, un tel couple maximal rendant possibles de fortes accélérations.

Cependant le moteur, lors de son utilisation sur un parcours diversifié, peut aussi fournir des couples beaucoup plus faibles, typiquement entre 5% et 30% de son couple maximal. Ceci est vérifiable lors d’un cycle d’homologation WLTC.

Le moteur et des éléments qui lui sont annexés, comme par exemple des onduleurs pour un moteur électrique à courant alternatif, produisent alors des pertes sur l’ensemble du cycle. La difficulté est que les pertes d’un moteur sont souvent liées à la taille du moteur. Or, pour pouvoir fournir un couple important, souvent désigné par le couple maximal du moteur, il faut des volumes de parties actives assez importants.

Un gros moteur produit donc généralement plus de pertes à faible couple qu’un petit moteur car ce gros moteur aura la capacité à fournir un couple maximal plus important. Or le couple d’un moteur électrique est proportionnel au volume des parties actives, essentiellement son ou ses rotors et son ou ses stators. Les pertes totales sont également l’image du volume des parties actives.

Le problème à la base de la présente invention est de concevoir un groupe moteur comprenant un moteur avec au moins un rotor intercalé entre deux stators et ses éléments annexés comme des variateurs d’intensité d’alimentation électrique des stators qui puisse, d’une part, fournir un couple maximal élevé tout en diminuant les pertes qui lui sont inhérentes pour des couples très inférieurs au couple maximal.

A cet effet la présente invention concerne un procédé de commande d’un moteur à flux axial comprenant au moins un rotor intercalé entre deux stators alimentés électriquement par au moins un variateur d’intensité électrique, caractérisé en ce que le moteur est alimenté par deux variateurs, la commande du moteur s’effectuant selon une valeur de couple souhaitée en sortie du moteur, une borne inférieure de couple en sortie du moteur étant prédéterminée et, pour une valeur de couple souhaitée en dessous de la borne inférieure, il est procédé à l’alimentation électrique du moteur uniquement par un premier variateur des deux variateurs tandis qu’au-dessus de la borne inférieure, l’alimentation électrique du moteur est effectuée simultanément par les deux variateurs.

L’idée à la base de la présente invention est de proposer une architecture comprenant un moteur électrique à flux axial avec deux stators et un rotor, l’alimentation électrique des stators étant pilotée avec deux variateurs permettant de réduire les pertes totales du système à faible couple.

Un moteur à flux axial à deux stators et un seul rotor, permet d’alimenter en parallèle chaque stator de façon indépendante. Par exemple, à la place d’avoir un seul variateur pouvant délivrer à titre illustratif 300 Ampères ou 300 A au total, on utilise alors deux variateurs de 150 Ampères chacun.

Si le régime d’utilisation d’un moteur est le plus souvent entre 5% et 30% du couple maximal, et ceci, quelle que soit la vitesse de rotation du moteur, alors il est plus intéressant de n’utiliser qu’un seul variateur qui alimentera moins que deux variateurs travaillant en commun le moteur à flux axial.

La conséquence, est que les pertes totales seront diminuées, en alimentant notamment un seul stator du fait du fonctionnement d’un seul variateur.

Lorsque le besoin en couple est plus important, typiquement entre 30% à 100% du couple maximal, alors les deux variateurs pourront fonctionner en simultané afin de fournir la puissance nécessaire au moteur.

L’effet technique est donc clairement d’optimiser la consommation totale du système électrique, à la fois pour les bas régimes correspondant à un faible couple du moteur, et à la fois pour les hauts régimes, donc à fort couple.

Pour une application de moyen de transport hybride, cela peut permettre de réduire les émissions de dioxyde de carbone.

Pour une application de moyen de transport purement électrique, cela permet de gagner en autonomie du moyen de transport.

Avantageusement, chaque variateur alimente électriquement un stator respectif avec, en dessous de la borne inférieure, un des deux stators restant non alimenté électriquement.

Ceci représente la forme de réalisation préférentielle de la présente invention avec un variateur dédié à chaque stator et de suspendre l’alimentation électrique d’un des deux stators.

Ces mesures permettent de ne plus alimenter un stator d’où une diminution des parties actives dont fait partie le stator alors non alimenté dans le moteur et une réduction des pertes.

C’est l’arrêt de l’alimentation électrique d’un des stators qui est le plus propice à une diminution des pertes par faible couple. On peut, cependant, dans le cadre de la présente invention envisager seulement de diminuer fortement l’alimentation électrique d’un des deux stators, ce qui n’est pas cependant préféré.

Avantageusement, la borne inférieure est entre 1 à 50% du couple maximal du moteur. ceci correspond à des couples faibles propices à une augmentation des pertes, le moteur étant conformé pour pouvoir délivrer des couples notoirement plus élevés.

Avantageusement, la borne inférieure est fixée entre 5 et 30% du couple maximal du moteur. Comme exemple, pour un moteur à couple maximal de 240 N.m quand un couple de 40 N.m est demandé, ce couple représente 17% du couple maximal du moteur.

Avantageusement, les deux variateurs sont de puissance égale en délivrant une même valeur de courant maximal. Ceci permet une symétrie d’alimentation électrique des deux stators.

L’invention concerne aussi un groupe moteur à flux axial mettant en œuvre un tel procédé de commande, le groupe moteur comportant un moteur à flux axial comprenant au moins un rotor intercalé entre deux stators alimentés électriquement par au moins un variateur d’intensité électrique, caractérisé en ce que le moteur est alimenté par deux variateurs, la commande du moteur en fonction d’une valeur souhaitée de couple en sortie du moteur étant déterminée par une unité de pilotage des variateurs comprenant aussi des mémoires de stockage du couple maximal du moteur et un calculateur de la borne inférieure en fonction du couple maximal, l’unité de pilotage gérant l’alimentation électrique fournie par les variateurs au moteur avec des moyens d’interruption de l’alimentation électrique d’un des deux variateurs.

Avantageusement, le moteur est alimenté en courant alternatif, chaque variateur étant intégré dans un onduleur associé respectivement à un stator.

Avantageusement, les stators comprennent des bobinages concentriques en comportant une série de pions avec des bobinages enroulés autour de chaque pion, les pions étant solidarisés entre eux.

Avantageusement, ledit au moins un rotor du moteur comprend une ou des structures d’aimant, la ou chaque structure d’aimant étant composée d’une pluralité d’aimants unitaires sous forme de plots s’étendant selon une épaisseur du rotor, la ou chaque structure d’aimant étant disposée concentriquement au rotor.

La topologie d’un moteur à flux axial comprenant deux stators et un seul rotor fortement pixélisé est particulièrement bien adaptée pour ce genre d’architecture.

Pour un moteur à flux axial, un ou plusieurs rotors de l’état de la technique pouvaient comprendre de 1 à 10 gros aimants formant pôles d’aimant alors que la présente invention prévoit beaucoup plus d’aimants de petite taille regroupés dans une ou des structures d’aimant formant chacun pôle d’aimant.

Il convient de ne pas confondre un pôle d’aimant, un rotor pouvant en porter par exemple de cinq à dix voire plus, avec les aimants unitaires qui sont nettement plus nombreux, un rotor pouvant en porter par exemple plusieurs centaines.

Ceci permet d’obtenir un rotor qui, entre autres avantages, peut tourner à grande vitesse et qui ne comprend pas de fer, ce qui limite les pertes rotoriques. Il a aussi été découvert qu’une pluralité d’aimants unitaires donne une structure d’aimant plus résistante au niveau de la flexion globale du rotor tout en produisant très peu de chaleur du fait des faibles pertes générées, la chaleur dissipée par les aimants unitaires étant moindre que la chaleur dissipée par un aimant plus grand d’un seul tenant leur correspondant.

Avantageusement, chaque structure d’aimant forme pôle d’aimant en comprenant plus de vingt aimants unitaires liés par une résine les isolant électriquement les uns des autres ou insérés chacun dans un logement respectif délimité par une des mailles d’un maillage.

Avantageusement, chaque structure d’aimant est enrobée individuellement dans une couche de composite.

Cette mesure renforce encore la résistance mécanique de la structure d’aimant prise en un tout. La structure d’aimant formant pôle d’aimant peut ensuite être enrobée en un tout dans une couche de composite non conductrice en plus que les aimants unitaires soient enrobés dans une couche de composite.

L’invention concerne enfin un moyen de transport électrique ou hybride, caractérisé en ce qu’il comprend un groupe moteur tel que précédemment décrit.

Les dessins annexés illustrent l’invention :

représente une vue schématique d’un groupe moteur comprenant un moteur à flux axial avec un rotor intercalé entre deux rotors, deux variateurs et une unité de pilotage, un tel groupe moteur mettant en œuvre un procédé de commande selon la présente invention,

représente une vue en perspective d’un moteur à flux axial pouvant faire partie d’un groupe moteur selon la présente invention, le rotor du moteur comprenant des structures d’aimant formant des pôles d’aimants et composées d’aimant unitaires,

A la , un seul bobinage est référencé 5 mais ce qui est énoncé pour ce bobinage référencé l’est pour tous les bobinages. Il en va de même pour un pion 4 sur chaque stator, un aimant unitaire 15, une structure d’aimant 12 et une branche 14 du rotor.

La montre un groupe moteur à flux axial comportant un moteur 10 à flux axial comprenant au moins un rotor 3 intercalé entre deux stators 1, 2 alimentés électriquement par deux variateurs 6, 8 d’intensité électrique. La commande du moteur 10 en fonction d’une valeur souhaitée de couple en sortie du moteur 10 est déterminée par une unité de pilotage 9 des variateurs 6, 8.

Une borne inférieure de couple en sortie du moteur 10 est prédéterminée. Ceci peut être fait par expérience et dépend du type de moteur 10. Cette borne inférieure correspond à des couples en sortie faibles qui entraînent des pertes, le moteur 10 étant surdimensionné pour fonctionner à de tels faibles couples.

Pour une valeur de couple souhaitée en dessous de la borne inférieure, il est procédé à l’alimentation électrique du moteur 10 uniquement par un premier variateur des deux variateurs 6, 8. Ceci permet de minimiser les pertes.

Au-dessus de la borne inférieure et jusqu’à l’obtention du couple maximal si souhaitée, l’alimentation électrique du moteur 10 est effectuée simultanément par les deux variateurs 6, 8 pour que le moteur 10 ait sa pleine puissance.

Il est plus judicieux d’allouer un variateur 6, 8 à un stator 1, 2 respectif. Dans ce cas, chaque variateur peut alimenter électriquement un stator respectif. En dessous de la borne inférieure, un des deux stators 1, 2 reste alors non alimenté électriquement et donc le volume de parties actives du moteur 10 diminue ainsi que les pertes à couple relativement faible.

La borne inférieure peut être entre 1 à 50% du couple maximal du moteur 10. Cela dépend de la taille du moteur 10. Plus le volume des parties actives du moteur 10 est important et plus la borne inférieure devra être relevée pour minimiser les pertes à faible couple.

Sans que cela soit limitatif, la borne inférieure peut être fixée entre 10 et 30% du couple maximal du moteur 10. La valeur de la borne inférieure peut être déterminée lors de tests du moteur 10 sur banc.

Par exemple, pour ordre d’idée et sans que cela soit limitatif, pour un moteur 10 délivrant un couple maximal de 240 N.m, il a été déterminé que sous un couple faible de 40 N.m il peut être avantageux d’arrêter l’alimentation électrique d’un des deux stators 1, 2 ce qui donne une borne inférieure égale à 17% du couple maximal du moteur 10.

Les deux variateurs 6, 8 peuvent être de puissance égale en délivrant une même valeur de courant maximal.

Quand les deux variateurs 6, 8 ne sont pas de puissance égale, il est préféré que cela soit le variateur de puissance la plus faible qui n’alimente plus.

Dans ce cas particulier, il est aussi possible juste en dessous de la borne inférieure que le variateur de puissance la plus faible n'alimente plus électriquement le moteur 10. Cependant, pour des couples encore plus faibles, il peut être procédé à l’arrêt du variateur de puissance la plus forte et à son remplacement dans l’alimentation électrique par le variateur de puissance la plus faible, ce qui sera suffisant pour garantir un tel couple faible.

Comme précédemment mentionné, la commande du moteur 10 en fonction d’une valeur souhaitée de couple en sortie du moteur 10 est déterminée par une unité de pilotage 9 des variateurs 6, 8.

Cette unité de pilotage 9 comprend des mémoires de stockage du couple maximal du moteur 10 enregistré lors d’essais préliminaires du moteur 10 et un calculateur ou moyens de calcul de la borne inférieure en fonction du couple maximal toujours pendant des essais préliminaires sur le moteur 10.

L’unité de pilotage 9 gère l’alimentation électrique fournie par les variateurs 6, 8 au moteur 10 avec des moyens d’interruption de l’alimentation électrique d’un des deux variateurs 6, 8 vers le moteur 10, avantageusement et préférentiellement vers un stator dédié, ceci à couple relativement faible.

Quand le moteur 10 à flux axial est alimenté en courant alternatif, chaque variateur 6, 8 peut être intégré dans un onduleur associé respectivement à un stator 1, 2.

Comme visible à la , les stators 1, 2 peuvent comprendre des bobinages 5 concentriques en comportant une série de pions 4 avec des bobinages 5 enroulés autour de chaque pion, les pions 4 étant solidarisés entre eux.

Le rotor 3 du moteur 10 peut comprendre une ou des structures d’aimant 12.

La ou chaque structure d’aimant 12 peut être composée d’une pluralité d’aimants unitaires 15 sous forme de plots s’étendant selon une épaisseur du rotor 3, la ou chaque structure d’aimant 12 étant disposée concentriquement au rotor 3.

Chaque structure d’aimant 12 peut former pôle d’aimant en comprenant plus de vingt aimants unitaires 15 liés par une résine les isolant électriquement les uns des autres ou insérés chacun dans un logement respectif délimité par une des mailles d’un maillage.

Chaque structure d’aimant 12 peut être enrobée individuellement dans une couche de composite.

Le ou chaque rotor 3, aux figures 1 et 2 un unique rotor 3, peut comprendre des structures d’aimant 12 formant des pôles d’aimant, chaque structure d’aimant 12 étant composée d’une pluralité d’aimants unitaires 15.

Ceci signifie qu’il y a des structures d’aimant 12 formant des pôles d’aimants distincts mais que chaque structure d’aimant 12 comporte une pluralité d’aimants unitaires 15, dont un aimant unitaire référencé 15 à la , cette référence 15 étant prise pour qualifier tout aimant unitaire.

Il peut donc y avoir plusieurs structures d’aimant 12 mais ces structures d’aimant 12 ne sont pas assimilables à la pluralité d’aimants unitaires 15 qui les composent dans le sens de la présente invention.

A la , il est visible un ensemble d’un rotor 3 et deux stators 1, 2. Sur un premier stator il est visible des taraudages 7 de fixation de chaque pion 4 sur un support en forme de disque.

Le bobinage 5 peut être monté sur le pion 4 avant assemblage, avant mise en contact des pions 4 par leurs bords latéraux et maintien par des moyens de fixation du type vis passant par les taraudages 7 ou par collage ou soudage des premières faces et/ou respectivement de deuxièmes faces entre elles, opposées aux premières faces et non visibles à la .

Sans que cela soit limitatif, le rotor 3 est entouré par une armature 18 comprenant des branches, dont une seule est référencée 14, reliant un moyeu 19 à une frette 13.

La présence de branches 14 sur le rotor 3 n’est pas une caractéristique essentielle dans le cadre de la présente invention et il peut être utilisé aussi un rotor 3 sans branche.

L’invention concerne enfin un moyen de transport électrique ou hybride comprenant un groupe moteur tel que précédemment décrit. Ce moyen de transport peut être quelconque bien qu’un véhicule automobile électrique ou hybride soit une application préférentielle pour le présent groupe moteur.

Claims (12)

1. Procédé de commande d’un moteur (10) à flux axial comprenant au moins un rotor (3) intercalé entre deux stators (1, 2) alimentés électriquement par au moins un variateur d’intensité électrique, caractérisé en ce que le moteur (10) est alimenté par deux variateurs (6, 8), la commande du moteur (10) s’effectuant selon une valeur de couple souhaitée en sortie du moteur (10), une borne inférieure de couple en sortie du moteur (10) étant prédéterminée et, pour une valeur de couple souhaitée en dessous de la borne inférieure, il est procédé à l’alimentation électrique du moteur (10) uniquement par un premier variateur des deux variateurs (6, 8) tandis qu’au-dessus de la borne inférieure, l’alimentation électrique du moteur (10) est effectuée simultanément par les deux variateurs (6, 8).
2. Procédé selon la revendication précédente, dans lequel chaque variateur alimente électriquement un stator respectif avec, en dessous de la borne inférieure, un des deux stators (1, 2) restant non alimenté électriquement.
3. Procédé selon l’une quelconque des deux revendications précédentes, dans lequel la borne inférieure est entre 1 à 50% du couple maximal du moteur (10).
4. Procédé selon la revendication précédente, dans lequel la borne inférieure est fixée entre 5 et 30% du couple maximal du moteur (10).
5. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les deux variateurs (6, 8) sont de puissance égale en délivrant une même valeur de courant maximal.
6. Groupe moteur à flux axial mettant en œuvre un procédé de commande selon l’une quelconque des revendications précédentes, le groupe moteur comportant un moteur (10) à flux axial comprenant au moins un rotor (3) intercalé entre deux stators (1, 2) alimentés électriquement par au moins un variateur (6, 8) d’intensité électrique, caractérisé en ce que le moteur (10) est alimenté par deux variateurs (6, 8), la commande du moteur (10) en fonction d’une valeur souhaitée de couple en sortie du moteur (10) étant déterminée par une unité de pilotage (9) des variateurs (6, 8) comprenant aussi des mémoires de stockage du couple maximal du moteur (10) et un calculateur de la borne inférieure en fonction du couple maximal, l’unité de pilotage (9) gérant l’alimentation électrique fournie par les variateurs (6, 8) au moteur (10) avec des moyens d’interruption de l’alimentation électrique d’un des deux variateurs (6, 8).
7. Groupe moteur selon la revendication précédente, dans lequel le moteur (10) est alimenté en courant alternatif, chaque variateur (6, 8) étant intégré dans un onduleur associé respectivement à un stator (1, 2).
8. Groupe moteur l’une quelconque des deux revendications précédentes, dans lequel les stators (1, 2) comprennent des bobinages (5) concentriques en comportant une série de pions (4) avec des bobinages (5) enroulés autour de chaque pion, les pions (4) étant solidarisés entre eux.
9. Groupe moteur selon l’une quelconque des trois revendications précédentes, dans lequel ledit au moins un rotor (3) du moteur (10) comprend une ou des structures d’aimant (12), la ou chaque structure d’aimant (12) étant composée d’une pluralité d’aimants unitaires (15) sous forme de plots s’étendant selon une épaisseur du rotor (3), la ou chaque structure d’aimant (15) étant disposée concentriquement au rotor (3).
10. Groupe moteur selon la revendication précédente, dans lequel chaque structure d’aimant (15) forme pôle d’aimant en comprenant plus de vingt aimants unitaires (15) liés par une résine les isolant électriquement les uns des autres ou insérés chacun dans un logement respectif délimité par une des mailles d’un maillage.
11. Groupe moteur selon l’une quelconque des deux revendications précédentes, dans lequel chaque structure d’aimant (12) est enrobée individuellement dans une couche de composite.
12. Moyen de transport électrique ou hybride, caractérisé en ce qu’il comprend un groupe moteur selon l’une quelconque des revendications 6 à 11.