FR3144443A1 - Machine électrique tournante comprenant une cible électriquement isolée d’un rotor - Google Patents

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Pascal Castro
Albin LE SERGENT
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Abstract

L’invention concerne une machine électrique tournante (1a, 1b) comprenant un carter (2) dans lequel sont logés un stator (3) et un rotor (4) comportant un arbre (5) monté en rotation par rapport au stator (3), la machine électrique tournante (1a, 1b) comprenant une cible (6) montée sur une première partie d’extrémité (9) de l’arbre (5) et un capteur de position inductif (7) positionné en regard de la cible (6) et destiné à émettre un champ magnétique oscillant vers la cible (6), générant un champ magnétique oscillant modifié, le capteur de position inductif (7) étant apte à détecter le champ magnétique oscillant modifié pour déterminer la position angulaire de la cible (6). La machine électrique tournante comprend un moyen d’isolation électrique (8) positionné entre la première partie d’extrémité (9) de l’arbre (5) et la cible (6), et configuré pour isoler électriquement l’arbre (5) de la cible (6). Figure de l’abrégé : Fig. 1

Description

Machine électrique tournante comprenant une cible électriquement isolée d’un rotor
L'invention se rapporte au domaine des machines électriques tournantes telles que les moteurs électriques ou les alterno-démarreurs pour les véhicules automobiles.
Les machines électriques tournantes comprennent un carter dans lequel sont logés un stator et un rotor pouvant tourner par rapport au stator.
Les machines électriques tournantes de ce type sont de plus en plus utilisées dans les véhicules à propulsion électrique ou les véhicules hybrides, comme moteur électrique pour entraîner une roue ou un essieu du véhicule.
Il est également possible de faire fonctionner le moteur électrique en générateur de récupération d'énergie cinétique d'un véhicule, l'énergie cinétique étant convertie en énergie électrique stockée dans une batterie.
Le rotor de la machine électrique comporte un arbre de rotor qui est logé dans un corps de rotor cylindrique. Outre un empilement de tôles feuilletées, le corps du rotor peut comporter des aimants permanents ou un bobinage avec un conducteur électrique.
Pour déterminer la position angulaire du rotor par rapport au stator, la machine électrique tournante comprend un capteur de position inductif fixé sur un circuit imprimé. Une cible tournante est montée sur le rotor pour modifier un champ magnétique transmis par un émetteur.
Le circuit imprimé est fixé dans un boîtier servant de support, lui-même fixé sur le carter du moteur, en regard d’une extrémité de l’arbre du rotor. Le capteur de position comprend un élément d’émission destiné à émettre un champ magnétique oscillant vers la cible, générant un champ magnétique oscillant modifié à une fréquence donnée. Le capteur de position comprend également un dispositif de réception détectant le champ magnétique oscillant modifié pour en déduire la position angulaire de la cible.
Le dispositif d’émission et l’élément de réception présentent une forme générale circulaire ou annulaire. Le dispositif de réception est concentrique à l’élément d’émission. Le dispositif d’émission et l’élément de réception sont imprimés sur le circuit imprimé.
La cible est classiquement obtenue par emboutissage à partir d'une tôle métallique et est emmanchée à force sur l'arbre du moteur électrique.
Cependant, lors de tests de compatibilité électromagnétique, il a été détecté qu’un couplage électromagnétique parasite se produisait entre le capteur de position et la cible lorsque celle-ci est reliée à une masse électrique.
Le couplage électrique parasite entraîne une perturbation du champ magnétique oscillant détecté par le capteur de position inductif et une mesure erronée de la position angulaire du rotor.
De plus, le moteur électrique comprend un palier muni d’une bague de roulement pour guider l’arbre, à chaque extrémité de l’arbre.
Cependant, lors de sa rotation, l'arbre accumule des charges électrostatiques provenant de la bague de roulement qui peuvent détruire le capteur de position inductif.
Le but de l’invention est donc de pallier les inconvénients de l’art antérieur en proposant une machine électrique tournante comprenant un capteur de position inductif plus robuste et plus fiable par rapport aux courants parasites et aux charges électrostatiques provenant de l’arbre.
Pour ce faire, l’invention se rapporte ainsi, dans son acceptation la plus large, à une machine électrique tournante comprenant un carter dans lequel sont logés un stator et un rotor comportant un arbre monté en rotation par rapport au stator. La machine électrique tournante comprend une cible montée sur une première partie d’extrémité de l’arbre et un capteur de position inductif positionné en regard de la cible et destiné à émettre un champ magnétique oscillant vers la cible, générant un champ magnétique oscillant modifié. Le capteur de position inductif est apte à détecter le champ magnétique oscillant modifié pour déterminer la position angulaire de la cible.
Selon l’invention, la machine électrique tournante comprend un moyen d’isolation électrique positionné entre la première partie d’extrémité de l’arbre et la cible et configuré pour isoler électriquement l’arbre de la cible.
L’invention permet ainsi d’éviter un couplage électromagnétique parasite entre le capteur de position inductif et la cible. La mesure de la position angulaire du rotor est donc plus fiable.
Le capteur de position inductif est également plus robuste contre les perturbations électrostatiques.
Selon une variante, la cible comprend une face externe positionnée en regard du capteur de position inductif et une face interne, opposée à la face externe, et orientée vers la première partie d’extrémité de l’arbre. La face interne est recouverte par le moyen d’isolation électrique.
L’invention fournit une solution simple pour isoler la cible.
Selon une autre variante, le moyen d’isolation électrique comprend une couche de matériau électriquement isolant à base de céramique.
Selon une autre variante, le moyen d’isolation électrique comprend un élément en polymère électriquement isolant comportant une partie principale recouvrant la face interne de la cible.
Selon une autre variante, l’élément en polymère électriquement isolant est surmoulé sur la face interne de la cible.
Ceci permet d’optimiser la forme de l’élément en polymère électriquement isolant pour qu’il assure une bonne isolation.
Selon une autre variante, la partie principale recouvrant la face interne de la cible est prolongée par une bordure périphérique entourant et recouvrant un bord périphérique de la cible.
Ceci permet d’améliorer l’isolation électrique sur les parties exposées de la cible.
Selon une autre variante, une douille de maintien est montée autour d’une surface radiale de la première partie d’extrémité de l’arbre. L’élément en polymère électriquement isolant comprend un rebord annulaire s’étendant depuis la partie principale du polymère électriquement isolant, parallèlement à l’arbre, et vers une direction opposée à la cible. Le rebord annulaire entoure une face périphérique externe de la douille de maintien.
Ceci permet d’améliorer l’isolation électrique entre la cible et l’arbre, surtout lorsque la douille de maintien est conductrice.
Selon une autre variante, la partie principale de l’élément en polymère électriquement isolant s’étend le long de la face interne de la cible, en direction d’un axe central de l’arbre, de façon à former une portion de polymère électriquement isolant entre la face interne de la cible et une face externe de la douille de maintien.
Ceci permet d’améliorer davantage l’isolation électrique entre la cible et l’arbre lorsque la douille de maintien est conductrice.
Selon une autre variante, le moyen d’isolation électrique comprend une bague isolante en matériau polymère électriquement isolant entourant la surface radiale de la première partie d’extrémité de l’arbre. La cible est montée sur la bague.
Ceci fournit une solution plus simple, avec moins de pièces potentiellement conductrices entre la cible et l’arbre. L’élément de fixation de la cible monté à fort sur l’arbre n’est plus nécessaire. Un seul élément isolant relie la cible et l’arbre.
Le matériau polymère présente des propriétés isolantes plus élevées que le matériau céramique en général.
Selon une autre variante, le moyen d’isolation électrique comprend une couche de matériau céramique électriquement isolant recouvrant la surface radiale de la première partie d’extrémité de l’arbre. La cible est montée sur la couche de matériau céramique.
On décrira ci-après, à titre d’exemples non limitatifs, des formes d’exécution de la présente invention, en référence aux figures annexées sur lesquelles :
illustre schématiquement une vue en coupe axiale d’une machine électrique tournante comprenant un capteur de position inductif coopérant avec une cible, selon un premier mode de réalisation de l’invention ;
illustre schématiquement une vue en coupe axiale d’une machine électrique tournante comprenant un capteur de position inductif coopérant avec une cible, selon un deuxième mode de réalisation de l’invention.
La illustre schématiquement une machine électrique tournante 1a, tel un moteur électrique de véhicule électrique ou hybride comprenant un rotor 4 monté en rotation par rapport à un stator 3, selon un premier mode de réalisation de l’invention.
La machine électrique tournante 1a comprend un carter 2 cylindrique dans lequel sont logés le stator 3 et le rotor 4. Le rotor 4 comporte un arbre 5 et des aimants 23 répartis autour de l’arbre 5. Le stator 3 comprend un bobinage 24.
En variante, les aimants 23 peuvent être remplacés par un bobinage.
La machine électrique tournante 1a comprend un premier palier 25 muni d’une première bague de roulements 27 circulaire et un deuxième palier 26 muni d’une deuxième bague de roulements 28 circulaire.
Une première partie d’extrémité 9 de l’arbre 5 traverse le premier palier 25 à travers la première bague de roulements 27.
Une deuxième partie d’extrémité 29 de l’arbre 5 traverse le deuxième palier 26 à travers la deuxième bague de roulements 28.
La première partie d’extrémité 9 de l’arbre 5 comprend une face axiale 30 positionnée en regard d’un support 31 supportant un circuit imprimé 32.
Pour déterminer la position angulaire du rotor 4 par rapport au stator 3, la machine électrique tournante 1a comprend un capteur de position inductif 7 monté sur le circuit imprimé 32 (ou substrat).
Une cible 6 est montée sur la première partie d’extrémité 9 de l’arbre 5 pour modifier un champ magnétique transmis par un émetteur. La cible 6 est utilisée comme élément de couplage. La cible 6 comprend des pales 38 s’étendant perpendiculairement par rapport à l’arbre 5.
Le capteur de position inductif 7 comprend au moins un élément d’émission destiné à émettre un champ magnétique oscillant vers la cible 6, générant un champ magnétique oscillant modifié à une fréquence donnée.
Le capteur de position inductif 7 comprend un dispositif de réception détectant le champ magnétique oscillant modifié pour en déduire la position angulaire de la cible 6.
L’élément d’émission et le dispositif de réception sont imprimés sur le circuit imprimé 32.
Le champ magnétique oscillant modifié génère une force électromotrice à une fréquence donnée dans le dispositif de réception. Cette force électromotrice est traitée par une unité de traitement de signal prévue sur le circuit imprimé 32 de sorte à fournir des signaux de sortie permettant la mesure de la position de la cible 6.
Les éléments d’émission et le dispositif de réception du capteur de position inductif sont positionnés en regard de la cible 6 et donc en regard de la face axiale 30 de la première partie d’extrémité 9 de l’arbre 5.
Selon l’invention, la machine électrique tournante 1a comprend un moyen d’isolation électrique 8 positionné entre la première partie d’extrémité 9 de l’arbre 5 et la cible 6 et qui est configuré pour isoler électriquement l’arbre 5 de la cible 6.
Autrement dit, la première partie d’extrémité 9 de l’arbre 5 est reliée à la cible 6 par le moyen d’isolation électrique 8 pour faire barrière aux courants électriques provenant de l’arbre 5.
La cible 6 comprend une face externe 10 positionnée en regard du capteur de position inductif 7 et une face interne 11, opposée à la face externe 10, orientée vers la première partie d’extrémité 9 de l’arbre 5. La face interne 11 est recouverte par le moyen d’isolation électrique 8.
De préférence, la face interne 11 est entièrement recouverte ou entourée par le moyen d’isolation électrique 8.
Le moyen d’isolation électrique 8 peut se présenter sous la forme d’une couche de matériau électriquement isolant à base de céramique, tel de l’oxyde d’aluminium par exemple.
De préférence, le moyen d’isolation électrique 8 se présente sous la forme d’un élément en polymère électriquement isolant 12 entourant partiellement la cible 6.
L’élément en polymère électriquement isolant 12 peut être surmoulé sur la face interne 11 de la cible 6 lors d’une étape de surmoulage.
L’élément en polymère électriquement isolant 12 peut être à base de Polysulfure de phénylène, de polyamide, de polytéréphtalate de butylène ou d’époxy, par exemple.
La cible 6 comprend plusieurs pales délimitées par un bord périphérique 19.
L’élément en polymère électriquement isolant 12 comprend une partie principale 33 recouvrant la face interne 11 de la cible 6.
En variante, la partie principale 33 est prolongée par une bordure périphérique 18 entourant et recouvrant le bord périphérique 19 de la cible 6.
La bordure périphérique 18 du polymère électriquement isolant 12 est sensiblement perpendiculaire à la partie principale 33.
Selon une variante, le polymère électriquement isolant 12 comprend un rebord annulaire 14 s’étendant depuis la partie principale 33 du polymère électriquement isolant 12, parallèlement à l’arbre 5 et vers une direction opposée à la cible 6, c’est-à-dire vers la deuxième partie d’extrémité 29 de l’arbre 5.
L’élément en polymère électriquement isolant 12 est ainsi formé d’une même pièce par la partie principale 33, le rebord annulaire 14 et la bordure périphérique 18.
Selon une variante (non représenté), le rebord annulaire 14 entoure et recouvre directement une surface radiale 22 de la première partie d’extrémité 9 de l’arbre 5.
Selon l’exemple illustré sur la , une douille de maintien 13 de section circulaire est montée autour de la surface radiale 22 de la première partie d’extrémité 9 de l’arbre 5.
De préférence, la douille de maintien 13 est composée d’un matériau électriquement isolant.
La douille de maintien 13 comprend une paroi axiale 37 reposant sur la face axiale 30 de la première partie d’extrémité 9 de l’arbre 5. La paroi axiale 37 comprend une face externe 16.
La douille de maintien 13 comprend un premier orifice 34 circulaire délimité par la paroi axiale 37 de la douille de maintien 13.
Le rebord annulaire 14 du polymère électriquement isolant 12 entoure une portion d’une face périphérique externe 15 de la douille de maintien 13.
La partie principale 33 du polymère électriquement isolant 12 s’étend le long de la face interne 11 de la cible 6, en direction d’un axe central A de l’arbre 5, et jusqu’à un deuxième orifice 35 circulaire de façon à former une portion de polymère électriquement isolant 20 entre la face interne 11 de la cible 6 et la face externe 16 de la douille de maintien 13.
Le rebord annulaire 14 de l’élément en polymère électriquement isolant 12 est fixé sur la douille de maintien 13.
Seul l’élément en polymère électriquement isolant 12 relie l’arbre 5 à la cible 6.
En effet, la surface radiale 22 de la première partie d’extrémité 9 de l’arbre 5 est en contact avec la douille de maintien 13 qui ne peut pas transmettre de charges électriques vers la cible 5. De même, la douille de maintien 13 est en contact avec la portion de polymère électriquement isolant 20 et le rebord annulaire 14 du polymère électriquement isolant 12 qui ne peuvent pas transmettre de charges électriques à la cible 5.
Ainsi, les charges électrostatiques ou un courant parasite provenant de l’arbre 5 ne peuvent pas atteindre la cible 5.
La illustre un deuxième mode de réalisation dans lequel la machine électrique tournante 1b est identique à celle du premier mode de réalisation, à l’exception du moyen d’isolation électrique 8 qui comprend une bague isolante 21 en matériau polymère électriquement isolant entourant la surface radiale 22 de la première partie d’extrémité 9 de l’arbre 5.
La machine électrique tournante 1b comprend un carter 2 cylindrique dans lequel sont logés le stator 3 et le rotor 4. Le rotor 4 comporte un arbre 5 et des aimants 23 (ou des bobines) répartis autour de l’arbre 5. Le stator 3 comprend un bobinage 24.
La machine électrique tournante 1b comprend un premier palier 25 muni d’une première bague de roulements 27 circulaire et un deuxième palier 26 muni d’une deuxième bague de roulements 28 circulaire.
Une première partie d’extrémité 9 de l’arbre 5 traverse le premier palier 25 à travers la première bague de roulements 27.
Une deuxième partie d’extrémité 29 de l’arbre 5 traverse le deuxième palier 26 à travers la deuxième bague de roulements 28.
La première partie d’extrémité 9 de l’arbre 5 comprend une face axiale 30 positionnée en regard d’un support 31 supportant un circuit imprimé 32.
Pour déterminer la position angulaire du rotor 4 par rapport au stator 3, la machine électrique tournante 1b comprend un capteur de position inductif 7 fixé sur le circuit imprimé 32 (ou substrat).
Une cible 6 est montée sur la première partie d’extrémité 9 de l’arbre 5 pour modifier un champ magnétique transmis par un émetteur. La cible 6 est utilisée comme élément de couplage.
Selon ce deuxième mode de réalisation, et comme mentionné précédemment, le moyen d’isolation électrique 8 de la machine électrique tournante 1b comprend une bague isolante 21 en matériau polymère électriquement isolant entourant la surface radiale 22 de la première partie d’extrémité 9 de l’arbre 5. La cible 6 est montée sur la bague isolante 21.
La première partie d’extrémité 9 de l’arbre 5 présente un diamètre plus petit que le reste de l’arbre 5. La bague isolante 21 présente une section circulaire.
La cible 6 comprend des pales 38 s’étendant perpendiculairement par rapport à l’arbre 5 et une couronne de maintien 39, de section circulaire, s’étendant depuis les pales 38, parallèlement à l’arbre 5.
La couronne de maintien 39 entoure la bague isolante 21 et est fixée à la bague isolante 21.
Ainsi, la bague isolante 21 permet d’isoler électriquement l’arbre 5 de la cible 5.
Selon un mode de réalisation (non représenté), des rainures internes sont prévues sur une face interne 23 de la bague isolante 21. Les rainures internes sont réparties radialement sur toute la face interne 23. Les rainures internes sont en regard de la surface radiale 22 de la première partie d’extrémité 9 de l’arbre 5
Des rainures externes sont également prévues sur une face externe 24 de la bague isolante 21. Les rainures externes sont réparties radialement sur toute la face externe 24. Les rainures externes sont en regard d’une face interne 40 de la couronne de maintien 39 de la cible 5.
Les rainures internes et externes s’étendent selon la direction axiale A de l’arbre 5. La bague isolante 21 est ainsi cannelée sur ses deux faces.
Les rainures internes et externes permettent de compenser la dispersion du diamètre, réduisant les efforts de montage et réduisant la formation de bavures.
En variante (non représenté), le moyen d’isolation électrique 8 est formé par une couche de matériau céramique électriquement isolant, recouvrant la surface radiale 22 de la première partie d’extrémité 9 de l’arbre 5. La couronne de maintien 39 de la cible 6 est montée sur la couche de matériau céramique et autour de celle-ci.
En variante (non représenté), le moyen d’isolation électrique 8 est formé par une couche de matériau céramique électriquement isolant, recouvrant la face interne 40 de la couronne de maintien 39 de la cible 6.
La couche de matériau céramique électriquement isolant est déposée par pulvérisation-plasma, par exemple.
Ainsi, la couche de matériau céramique électriquement isolant permet d’isoler électriquement l’arbre 5 de la cible 6.

Claims (10)

  1. Machine électrique tournante (1a, 1b) comprenant un carter (2) dans lequel sont logés un stator (3) et un rotor (4) comportant un arbre (5) monté en rotation par rapport au stator (3), la machine électrique tournante (1a, 1b) comprenant une cible (6) montée sur une première partie d’extrémité (9) de l’arbre (5) et un capteur de position inductif (7) positionné en regard de la cible (6) et destiné à émettre un champ magnétique oscillant vers la cible (6), générant un champ magnétique oscillant modifié, le capteur de position inductif (7) étant apte à détecter le champ magnétique oscillant modifié pour déterminer la position angulaire de la cible (6), caractérisée en ce qu’elle comprend un moyen d’isolation électrique (8) positionné entre la première partie d’extrémité (9) de l’arbre (5) et la cible (6) et configuré pour isoler électriquement l’arbre (5) de la cible (6).
  2. Machine électrique tournante (1a, 1b) selon la revendication 1, caractérisée en ce que la cible (6) comprend une face externe (10) positionnée en regard du capteur de position inductif (7) et une face interne (11), opposée à la face externe (10), et orientée vers la première partie d’extrémité (9) de l’arbre (5), la face interne (11) étant recouverte par le moyen d’isolation électrique (8).
  3. Machine électrique tournante (1a, 1b) selon l’une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que le moyen d’isolation électrique (8) comprend une couche de matériau électriquement isolant à base de céramique.
  4. Machine électrique tournante (1a, 1b) selon l’une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que le moyen d’isolation électrique (8) comprend un élément en matériau polymère électriquement isolant (12) comportant une partie principale (33) recouvrant la face interne (11) de la cible (6).
  5. Machine électrique tournante (1a, 1b) selon la revendication 4, caractérisée en ce que l’élément en polymère électriquement isolant (12) est surmoulé sur la face interne (11) de la cible (6).
  6. Machine électrique tournante (1a, 1b) selon l’une quelconque des revendications 4 ou 5, caractérisée en ce que la partie principale (33) recouvrant la face interne (11) de la cible (6) est prolongée par une bordure périphérique (18) entourant et recouvrant un bord périphérique (19) de la cible (6).
  7. Machine électrique tournante (1a, 1b) selon l’une quelconque des revendications 4 à 6, caractérisée en ce qu’une douille de maintien (13) est montée autour d’une surface radiale (22) de la première partie d’extrémité (9) de l’arbre (5), l’élément en polymère électriquement isolant (12) comprenant un rebord annulaire (14) s’étendant depuis la partie principale (33) du polymère électriquement isolant (12), parallèlement à l’arbre (5), et vers une direction opposée à la cible (6), le rebord annulaire (14) entourant une face périphérique externe (15) de la douille de maintien (13).
  8. Machine électrique tournante (1a, 1b) selon la revendication 7, caractérisée en ce que la partie principale (33) de l’élément en polymère électriquement isolant (12) s’étend le long de la face interne (11) de la cible (6), en direction d’un axe central (A) de l’arbre (5), de façon à former une portion de polymère électriquement isolant (20) entre la face interne (11) de la cible (6) et une face externe (16) de la douille de maintien (13).
  9. Machine électrique tournante (1a, 1b) selon la revendication 1, caractérisée en ce que le moyen d’isolation électrique (8) comprend une bague isolante (21) en matériau polymère électriquement isolant entourant la surface radiale (22) de la première partie d’extrémité (9) de l’arbre (5), la cible (6) étant montée sur la bague (21).
  10. Machine électrique tournante (1a, 1b) selon la revendication 1, caractérisée en ce que le moyen d’isolation électrique (8) comprend une couche de matériau céramique électriquement isolant recouvrant la surface radiale (22) de la première partie d’extrémité (9) de l’arbre (5), la cible (6) étant montée sur la couche de matériau céramique.
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