WO2018134543A1 - Machine électrique tournante de traction pour véhicule automobile à commutation de flux - Google Patents

Machine électrique tournante de traction pour véhicule automobile à commutation de flux Download PDF

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WO2018134543A1
WO2018134543A1 PCT/FR2018/050144 FR2018050144W WO2018134543A1 WO 2018134543 A1 WO2018134543 A1 WO 2018134543A1 FR 2018050144 W FR2018050144 W FR 2018050144W WO 2018134543 A1 WO2018134543 A1 WO 2018134543A1
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WO
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inductor
group
claws
machine
traction
Prior art date
Application number
PCT/FR2018/050144
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English (en)
Inventor
Nicolas Labbe
Olivier SAVINOIS
Original Assignee
Valeo Equipements Electriques Moteur
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K23/00—DC commutator motors or generators having mechanical commutator; Universal AC/DC commutator motors
    • H02K23/02—DC commutator motors or generators having mechanical commutator; Universal AC/DC commutator motors characterised by arrangement for exciting
    • H02K23/06—DC commutator motors or generators having mechanical commutator; Universal AC/DC commutator motors characterised by arrangement for exciting having shunt connection of excitation windings
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/72—Electric energy management in electromobility

Definitions

  • the invention relates to a rotating electric traction machine for a motor vehicle with flux switching.
  • the invention finds a particularly advantageous application for the propulsion of electric vehicle of low power, in particular between 4kW and 5kW.
  • the invention can thus advantageously be implemented in particular with four-wheel electric vehicles of low power ("microcars" in English), two-wheel vehicles of the motorcycle type, or heavy quadricycles.
  • propulsion systems for electric vehicles based brushed DC motor, and separate excitation.
  • the control of the motor consists essentially of a power adjustment on the armature (usual mode of speed control of a brush DC motor) supplemented by a variation of continuous flow on the inductor.
  • Such a command being devoid of jerks, handling is often considered disconcerting, or even unpleasant, by amateur drivers of dynamic driving.
  • the invention aims in particular to effectively remedy the aforementioned drawbacks by proposing a rotating electric traction machine DC and brush comprising an armature consisting of a rotor provided with a coil and an inductor,
  • the inductor is a separately wound coil excited with an inductor current independent of an armature current, and in that the inductor is able to generate discretely, by selection of coils traversed by the inductor current, at least three different magnetic flux levels each corresponding to a traction mode of the rotating electrical machine.
  • the invention thus makes it possible, by virtue of the different levels of discrete fluxes generated in a discrete and rapid manner by the inductor, to perform a function equivalent to that of the gearshift passages, which provides pleasant driving sensations for the driver.
  • the invention also has the advantage of having a very low response time.
  • the invention is also economical, insofar as it avoids the use of permanent magnets including rare earths.
  • Such a DC architecture with mechanical switching also avoids the need for an expensive electronic inverter or a specific defluxing control.
  • the main control is carried out by the inductive flux (rather than the conversion to the armature) and is simultaneously associated with a control of discrete preference to the armature (rather than continuous as is conventionally the case), which limits the power of the electric machine.
  • the inductor being powered by a low current, the electric machine according to the invention is energy efficient compared to a command directly on the power circuit of the armature.
  • the armature is electrically connected to a battery via a rheostat-type switch configured to make resistance changes in a manner synchronized with the change in magnetic flux level in the inductor.
  • the inductor is configured to operate in a low current lower than 50A and preferably 10A. This makes it possible to reduce the cost of the components indexed generally on the square of the current.
  • the inductor is actuated before the armature.
  • the wound excitation separated from the inductor is formed by three coils per pole of the inductor.
  • each set of three coils is wound three son in hand. Because of this coupling, the activation or deactivation of one of the coils does not generate an overvoltage as can be observed when the current level in an isolated coil is suddenly varied.
  • the inductor is of homopolar claw type, said inductor comprising at least three coils forming a single inductor winding.
  • This architecture with a single global inductor winding regardless of the number of poles makes it possible not to reduce the sub-coils for each pole, but to make a single subdivision of the global solenoid inductor. This facilitates the manufacture, the connection, as well as the control of the inductor. In addition, copper consumption is reduced due to the absence of coil heads at the inductor and the more compact axial flux armature.
  • the homopolar inductor is axial flow.
  • Such an axial flow architecture makes it possible to obtain a high level of torque, so that it is possible to avoid the use of an expensive and bulky mechanical reduction stage.
  • the homopolar inductor having an axis comprises:
  • a first group of claws having a first portion extending axially from an inner periphery of a ring and a second portion extending radially in a direction opposite to the axis
  • each claw of the second group of claws having a first portion extending axially from an outer periphery of the ring in the same direction as the first portions of the claws of the first group, and a second portion extending from an axial end of the first portion farthest from the ring radially in the direction of the axis, -
  • the inductor winding being mounted axially between the ring and the second portions of each claw of each group, and radially between the first portions of the first group of claws and the first portions of the second group of claws.
  • the homopolar inductor is radial flow.
  • the inductor comprises a yoke and polar cores extending radially projecting from an internal periphery of the yoke towards an axis of said yoke, and in that two adjacent polar cores are offset axially. relative to each other, the inductor winding has axial corrugations so as to pass between said polar cores.
  • said rotating electrical machine comprises a mechanical switch and / or a ventilation system integrated into an internal volume of the inductor.
  • the invention also relates to a motor vehicle characterized in that it comprises a rotating electric traction machine as defined above.
  • the electric traction machine is located on a rear axle between a wheel and a differential of said motor vehicle.
  • the electric machine can be implanted directly into the wheel of the vehicle in a mounting type "motor-wheel”.
  • Figure 1 is a schematic representation of a rotary electric traction machine for a motor vehicle according to the present invention
  • FIG. 2a to 2c illustrate the configuration of the coils of the inductor of the electric machine of Figure 1 respectively in a first, a second, and a third traction mode
  • FIG. 3a is a diagram showing the evolution of the currents in the inductor and the armature during an operating sequence of the rotary electric traction machine according to the invention
  • FIG. 3b is a graphical representation of the different flow levels corresponding to the different modes of traction of the electric machine according to the invention.
  • FIG. 4 shows the speed / torque characteristics for the various modes of traction of the electric machine according to the invention, each corresponding to a speed ratio
  • Figure 5 is a perspective view of an inductor of the starter according to the invention provided with poles each formed by three coils;
  • FIG. 6a is a perspective view of an inductor of the starter according to the invention of axial flux homopolar type
  • Figure 6b is a perspective view of an inductor of the starter according to the invention of homopolar radial flux type
  • Figure 7 is a schematic top view of a motor vehicle comprising an electric traction machine according to the invention implanted on its rear axle;
  • FIG. 8 is a graphical representation of the torque / speed and power / speed characteristic curves for a particular embodiment of an electric traction machine according to the invention.
  • FIG. 1 shows an electric traction machine 10 according to the invention DC and brushes.
  • This electrical machine 10 wound excitation comprises an inductor 1 1 and an armature 12.
  • the armature 12 is in this case constituted by a rotor provided with a coil.
  • an electromagnet contactor is provided with a mechanical power contact KO belonging with the armature 12 to a power circuit C_Puis.
  • This power contact KO is controlled by a coil B_cmd belonging to a control circuit C_Com.
  • This circuit C_com also comprises a contact S whose closure controls the excitation of the control coil B_cmd causing the closure of the power contact KO.
  • Electrical power is provided by a battery Batt having a supply voltage preferably of 48 volts.
  • the inductor 1 1 has a separate wound excitation with a current Is independent of the armature current Ir.
  • the inductor 1 1 is electrically connected to the control coil B_cmd via a voltage source 15 controlled to ensure, by regulation, a constant current Is in the inductor 1 1.
  • the inductor 1 1 which belongs to the control circuit C_com, therefore operates under a low current similar to the current flowing in the control coil.
  • This constant current Is flowing in the inductor 1 1 is less than 50A and is preferably about 10A. This greatly limits the losses by Joule effect of the inductor 1 1 and the current can be controlled using low power electronic components of reduced cost (the latter being correlated to the square of the current).
  • the armature 12 may be electrically connected to the battery Batt via a switch 14 of the rheostat type to allow the adjustment of the armature voltage 12 in order to refine the adjustment of the rotation speed of the armature 12
  • the resistance change is made synchronously with the flux level change in the inductor 1 1, as described in more detail below.
  • the change of resistance is also performed discretely.
  • a first armature resistance value 12 corresponds to the flux level in the M1 mode
  • a second armature resistance value 12 corresponds to the flux level in the M2 mode
  • a third armature resistance value 12 corresponds to at flow level in M3 mode.
  • the rheostat 14 may be mechanically switched to go from one value resistor to another, or electrical switching by integrating a set of transistors for switching the resistance of the rheostat from one level to another.
  • the current Ir circulating in the power circuit C_puis may be of the order of 250 A.
  • the inductor 1 1 traversed by the current Is is actuated before the armature 12 traversed by the current Ir
  • the inductor 1 1 and the control coil B_cmd are simultaneously traversed by a current as soon as the contact S is closed. This prior action on the inductor 1 1 is intended to ensure that the inductor 1 1 is already in steady state when the armature 12 is energized.
  • the inductor 1 1 is able to generate discretely, by selection of the coils B1, B2, B3 traversed by the inductor current Is, at least three different magnetic flux levels each corresponding to a traction mode M1, M2, M3 of the rotating electrical machine 10. In order to obtain a maximum level of magnetic coupling per set of three coils, each set of three coils B1, B2, B3 per pole is wound three wires in hand.
  • a control unit 16 is able to control switches K1, K2, K3 in order to deactivate or selectively activate the coils B1, B2, B3.
  • Switches K1, K2, K3 may take the form of transistors operating in a switching regime, including MOS type transistors.
  • a first traction mode M1 the coils B1, B2, and B3 of each pole of the inductor 1 1 are put in series to maximize the magnetic flux generated by the inductor 1 1, as shown in FIG. 2a.
  • the control unit 16 controls a closing of the switch K1 and an opening of the switches K2 and K3.
  • the coil B1 is deactivated to circulate the current Is in the coils B2 and B3 in order to reduce the magnetic flux generated by the inductor 1 1, as shown in FIG. 2b.
  • the control unit 16 controls a closing of the switch K2 and an opening of the switches K1 and K3.
  • the coils B1 and B2 are deactivated to circulate the current Is only in the coil B3 in order to further reduce the magnetic flux generated by the inductor 11, as shown in FIG. 2c.
  • the control unit 16 controls a closing of the switch K3 and an opening of the switches K1 and K2.
  • the prior action on the inductor 1 1 over the duration T1 makes it possible to obtain quasi-instantaneous flux level changes when switching from a traction mode to the other.
  • a distinct flow level associated with each of the traction modes M1, M2, M3 is observed.
  • the flow level F1 is associated with the traction mode M1
  • the flow level F2 is associated with the traction mode M2
  • the flow level F3 is associated with the traction mode M3.
  • the invention makes it possible to obtain an electric motor 10 behaving as if one had three internal speed ratios with a very short time of passage from one to the other. These ratios will be selected according to the operating phase of the electric motor.
  • the mode M1 can be implemented at low speed in order to maximize the torque
  • the mode M2 can be implemented at medium speed
  • the mode M3 can be implemented to maximize the speed for reduced torque.
  • Each mode corresponds to a speed ratio.
  • Such a configuration makes it possible to improve the characteristics of the electric machine with iso-power (see curves C1 and C2).
  • the number of coils and therefore corresponding speed ratios may be increased depending on the application and may in particular be equal to 4, 5, or 6.
  • three coils B1, B2, B3 may be wound around each tooth 18 coming from a yoke 19 of a stator forming the inductor 11.
  • This stator is preferably made of a laminated material in order to limit the eddy currents. It should be noted that in three operating modes M1, M2, and M3, the flow flowing in the inductor 1 1 is in the same direction.
  • the inductor 1 1 is homopolar claw type.
  • This inductor 1 1 then comprises three coils B1, B2, B3 forming a single overall inductor winding B and claws forming the different poles of the inductor 1 1.
  • the inductor 1 1 comprises a single set of three coils B1, B2, B3 regardless of the number of poles of the inductor 1 1. This facilitates the manufacture of the inductor 1 1.
  • the X-axis axial flow homopolar inductor 1 1 comprises a first claw group 1 1 a having a first portion 1 1 a 1 extending axially from an inner periphery of a ring 1 1 c and a second portion 1 1 a2 extending radially in a direction opposite to the X axis from an axial end of the first portion 1 1 a1 farthest from the ring January 1 c.
  • the inductor 1 1 further comprises a second group of claws 1 1 b all having the same polarity opposite to the polarity of the first claw group 1 1 a.
  • Each claw 1 1b comprises a first portion 1 1 b1 extending axially from an outer periphery of the ring 1 1 c in the same direction as the first portions 1 1 a1 claws January 1 of the first group.
  • Each claw 1 1b also has a second portion January 1 b2 extending from an axial end of the first portion 1 1 b1 furthest from the ring 1 1 c radially towards the axis X.
  • the claws 1 1 1 a and 1 1 b are arranged so that their second portions 1 1 a2 and 1 1 b2 are angularly alternating around the shaft X. In other words, a claw of the first group 1 1 aa for neighboring two claws of the second group 1 1 b and vice versa.
  • the winding B of the inductor 1 1 having the three coils B1, B2, B3 is mounted axially between the ring 1 1 c and the second portions 1 1 a2 and 1 1 b2 of each claw of each group.
  • the winding B is mounted radially between the first portions 1 1 a1 of the first group and the first portions 1 1 b1 of the second group.
  • Such a configuration facilitates the realization of the inductor 1 1 and offers an optimal potential for desaturation claws.
  • the inductor 1 1 may for example comprise 20 claws and therefore 20 poles.
  • the inductor 1 1 has a relatively large outer diameter, for example of the order of 250mm.
  • inductor 11 It will thus be possible to take advantage of the size of the inductor 11 and the corresponding rotor to integrate a mechanical switch comprising the collector, the set of brushes and the brush holder and / or a ventilation system into the internal volume of the magnet. inductor 1 1.
  • the inductor 1 1 may be in radial flux.
  • the inductor 1 1 comprises a yoke 21 and polar cores 22 extending radially projecting from an inner periphery of the yoke 21 towards a Y axis of said yoke. Since two adjacent polar cores 22 are axially offset with respect to each other, the winding B comprising the three coils B1, B2, B3 has axial corrugations so as to pass between said polar cores 22.
  • Figure 7 shows a motor vehicle 25 comprising an electric traction machine 10 located on its rear axle 26 between a wheel 28 and the differential of the vehicle.
  • the electric traction machine 10 may be located on the front axle 27.
  • the electric traction machine 10 may be implanted in at least one wheel 28 of the vehicle.
  • a machine 10 is used in each rear wheel.
  • a traction machine 10 powered by a 48 V system is used for a 400 kg vehicle equipped with small wheels equipped with 145/70 / R13 tires. a cylindrical size significantly less than the rim of the wheel (in diameter) and the tire (in width).
  • the maximum power P_max is 4 kW for a maximum torque C_max of 190 Nm and a maximum torque of maximum speed V_max of 500 rpm (or 50 km / h in micro-car).
  • Such an electric machine 10 is of the "slow" type (with respect to a machine supporting rotational speeds greater than 5000 rpm), which allows the use of many pairs of poles, without loss of performance via losses iron . Such a machine 10 is therefore favorable to a homopolar claw architecture.
  • the traction machine 10 has three modes of operation M1, M2, M3 corresponding to equivalent ratios obtained by the flow switching in the three coils B1, B2, B3. Such a traction machine 10 offers a perceived driving pleasure, original electric traction, for a minimal cost, on a simple micro-car design system.
  • the traction machine 10 thus operates in the M1 mode (equivalent to a first mechanical speed ratio) between 0 and 25km / h, in the M2 mode (equivalent to a second mechanical speed ratio) between 25 and 45 km / h, and in the mode M3 (equivalent to a third gear ratio) between 45 and 55 km / h.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Electric Propulsion And Braking For Vehicles (AREA)
  • Control Of Direct Current Motors (AREA)
  • Dc Machiner (AREA)

Abstract

L'invention porte principalement sur une machine électrique tournante de traction (10) à courant continu et à balais comportant un induit (12) constitué par un rotor muni d'un bobinage et un inducteur (11), caractérisée en ce que l'inducteur (11) est à excitation bobinée séparée parcourue par un courant d'inducteur (Is) indépendant d'un courant d'induit (Ir), et en ce que - l'inducteur (11) est apte à générer de manière discrète, par sélection de bobines (B1, B2, B3) parcourues par le courant d'inducteur (Is), au moins trois niveaux de flux magnétiques différents correspondant chacun à un mode de traction (M1, M2, M3) de la machine électrique tournante.

Description

MACHINE ÉLECTRIQUE TOURNANTE DE TRACTION POUR VÉHICULE AUTOMOBILE À COMMUTATION DE FLUX
L'invention porte sur une machine électrique tournante de traction pour véhicule automobile à commutation de flux. L'invention trouve une application particulièrement avantageuse pour la propulsion de véhicule électrique de faible puissance, notamment comprise entre 4kW et 5kW. L'invention pourra ainsi avantageusement être mise en œuvre notamment avec les véhicules électriques à quatre roues de faible puissance ("microcars" en anglais), les véhicules à deux roues de type moto, ou les quadricycles lourds.
La quasi-totalité des systèmes connus pour la traction des véhicules électriques repose sur des moteurs à courant alternatif, soit synchrones à aimants permanents, soit asynchrones. Les architectures polyphasées sans- balais présentent toutefois l'inconvénient d'être coûteuses du fait de l'utilisation d'un capteur de position et d'éléments de commutation intégrés dans un onduleur.
On connaît également des systèmes de propulsion pour véhicules électriques à base de moteur à courant continu à balais, et à excitation séparée. La commande du moteur consiste essentiellement en un réglage de puissance sur l'induit (mode habituel de commande en vitesse d'un moteur à courant continu à balais) complété par une variation de flux continue sur l'inducteur. Une telle commande étant dépourvue d'à-coups, la prise en main est souvent considérée déconcertante, voire désagréable, par les conducteurs amateurs de conduite dynamique. L'invention vise notamment à remédier efficacement aux inconvénients précités en proposant une machine électrique tournante de traction à courant continu et à balais comportant un induit constitué par un rotor muni d'un bobinage et un inducteur,
caractérisée en ce que l'inducteur est à excitation bobinée séparée parcourue par un courant d'inducteur indépendant d'un courant d'induit, et en ce que l'inducteur est apte à générer de manière discrète, par sélection de bobines parcourues par le courant d'inducteur, au moins trois niveaux de flux magnétiques différents correspondant chacun à un mode de traction de la machine électrique tournante. L'invention permet ainsi, grâce aux différents niveaux de flux distincts générés de manière discrète et rapide par l'inducteur, de réaliser une fonction équivalente à celle des passages de rapports de vitesse, ce qui procure des sensations de conduite agréables pour le conducteur. L'invention présente également l'avantage de disposer d'un très faible temps de réponse.
L'invention est également économique, dans la mesure où elle évite d'utiliser des aimants permanents notamment en terres rares. Une telle architecture à courant continu à commutation mécanique évite également d'avoir recours à un onduleur électronique coûteux ou à une commande spécifique de défluxage.
La commande principale est réalisée par le flux inducteur (plutôt que la conversion à l'induit) et est associée simultanément à une commande de préférence discrète à l'induit (plutôt que continue comme cela est classiquement le cas), ce qui limite la puissance de la machine électrique. En effet, l'inducteur étant alimenté par un faible courant, la machine électrique selon l'invention est économe sur le plan énergétique comparativement à une commande directement sur le circuit de puissance de l'induit.
Selon une réalisation, l'induit est relié électriquement à une batterie via un commutateur de type rhéostat configuré pour réaliser des changements de résistance de façon synchronisée avec le changement de niveau de flux magnétique dans l'inducteur.
Selon une réalisation, l'inducteur est configuré pour fonctionner sous un faible courant inférieur à 50A et valant de préférence 10A. Cela permet de réduire le coût des composants indexé généralement sur le carré du courant. Selon une réalisation, l'inducteur est actionné avant l'induit. Selon une réalisation, l'excitation bobinée séparée de l'inducteur est formée par trois bobines par pôle de l'inducteur.
Selon une réalisation, chaque ensemble de trois bobines est bobiné trois fils en main. Du fait de ce couplage, l'activation ou la désactivation d'une des bobines n'engendre pas de surtension comme cela peut être observable lorsqu'on fait varier brutalement le niveau de courant dans une bobine isolée.
Selon une réalisation, l'inducteur est de type homopolaire à griffes, ledit inducteur comportant au moins trois bobines formant un unique enroulement inducteur. Cette architecture à un seul enroulement inducteur global quel que soit le nombre de pôles permet de ne pas démultiplier les sous-bobines pour chaque pôle, mais de réaliser une seule fois une subdivision du solénoïde global inducteur. Cela permet de faciliter la fabrication, la connexion, ainsi que la commande de l'inducteur. En outre, la consommation de cuivre est réduite grâce à l'absence de têtes de bobines à l'inducteur et l'induit à flux axial plus compact.
Selon une réalisation, l'inducteur homopolaire est à flux axial. Une telle architecture à flux axial permet d'obtenir un niveau de couple élevé, de sorte qu'il est possible d'éviter l'emploi d'un étage réducteur mécanique coûteux et encombrant.
Selon une réalisation, l'inducteur homopolaire ayant un axe comporte:
- un premier groupe de griffes ayant une première portion s'étendant axialement à partir d'une périphérie interne d'une couronne et une deuxième portion s'étendant radialement dans une direction opposée à l'axe,
- un deuxième groupe de griffes ayant toutes la même polarité opposée à la polarité du premier groupe de griffes,
- chaque griffe du deuxième groupe de griffes comportant une première portion s'étendant axialement à partir d'une périphérie externe de la couronne dans le même sens que les premières portions des griffes du premier groupe, et une deuxième portion s'étendant à partir d'une extrémité axiale de la première portion la plus éloignée de la couronne radialement en direction de l'axe, - l'enroulement inducteur étant monté axialement entre la couronne et les deuxièmes portions de chaque griffe de chaque groupe, et radialement entre les premières portions du premier groupe de griffes et les premières portions du deuxième groupe de griffes. Selon une réalisation, l'inducteur homopolaire est à flux radial.
Selon une réalisation, l'inducteur comporte une culasse et des noyaux polaires s'étendant radialement en saillie par rapport à une périphérie interne de la culasse en direction d'un axe de ladite culasse, et en ce que deux noyaux polaires adjacents étant décalés axialement l'un par rapport à l'autre, l'enroulement inducteur présente des ondulations axiales de façon à passer entre lesdits noyaux polaires.
Selon une réalisation, ladite machine électrique tournante comporte un commutateur mécanique et/ou un système de ventilation intégrés dans un volume interne de l'inducteur. L'invention a également pour objet un véhicule automobile caractérisé en ce qu'il comporte une machine électrique tournante de traction telle que précédemment définie.
Selon une réalisation, la machine électrique de traction est implantée sur un essieu arrière entre une roue et un différentiel dudit véhicule automobile. En variante, la machine électrique pourra être implantée directement dans la roue du véhicule dans un montage de type "moteur-roue".
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit et à l'examen des figures qui l'accompagnent. Ces figures ne sont données qu'à titre illustratif mais nullement limitatif de l'invention. La figure 1 est une représentation schématique d'une machine électrique tournante de traction pour véhicule automobile selon la présente invention;
Les figures 2a à 2c illustrent la configuration des bobines de l'inducteur de la machine électrique de la figure 1 respectivement dans un premier, un deuxième, et un troisième mode de traction; La figure 3a est un diagramme montrant l'évolution des courants dans l'inducteur et l'induit lors d'une séquence de fonctionnement de la machine électrique tournante de traction selon l'invention;
La figure 3b est une représentation graphique des différents niveaux de flux correspondant aux différents modes de traction de la machine électrique selon l'invention;
La figure 4 montre les caractéristiques de régime/couple pour les différents modes de traction de la machine électrique selon l'invention correspondant chacun à un rapport de vitesse; La figure 5 est une vue en perspective d'un inducteur du démarreur selon l'invention muni de pôles formés chacun par trois bobines;
La figure 6a est une vue en perspective d'un inducteur du démarreur selon l'invention de type homopolaire à flux axial;
La figure 6b est une vue en perspective d'un inducteur du démarreur selon l'invention de type homopolaire à flux radial;
La figure 7 est une représentation schématique de dessus d'un véhicule automobile comportant une machine électrique de traction selon l'invention implantée sur son essieu arrière;
La figure 8 est représentation graphique des courbes caractéristiques couple/vitesse et puissance/vitesse pour un exemple particulier de réalisation d'une machine électrique de traction selon l'invention.
Les éléments identiques, similaires ou analogues conservent la même référence d'une figure à l'autre.
La figure 1 montre une machine électrique de traction 10 selon l'invention à courant continu et à balais. Cette machine électrique 10 à excitation bobinée comprend un inducteur 1 1 et un induit 12. L'induit 12 est en l'occurrence constitué par un rotor muni d'un bobinage. Par ailleurs, un électro-aimant contacteur est muni d'un contact mécanique de puissance KO appartenant avec l'induit 12 à un circuit de puissance C_Puis.
Ce contact de puissance KO est commandé par une bobine B_cmd appartenant à un circuit de commande C_Com. Ce circuit C_com comporte également un contact S dont la fermeture commande l'excitation de la bobine de commande B_cmd provoquant la fermeture du contact de puissance KO. L'énergie électrique est fournie par une batterie Batt ayant une tension d'alimentation valant de préférence 48 Volts. L'inducteur 1 1 est à excitation bobinée séparée parcourue par un courant Is indépendant du courant d'induit Ir. L'inducteur 1 1 est relié électriquement à la bobine de commande B_cmd via une source de tension 15 commandée pour assurer, par régulation, un courant constant Is dans l'inducteur 1 1 .
L'inducteur 1 1 , qui appartient au circuit de commande C_com, fonctionne donc sous un faible courant analogue au courant circulant dans la bobine de commande. Ce courant Is constant circulant dans l'inducteur 1 1 est inférieur à 50A et vaut de préférence environ 10A. On limite ainsi grandement les pertes par effet Joule de l'inducteur 1 1 et on peut piloter le courant à l'aide de composants électroniques de faible puissance de coût réduit (ce dernier étant corrélé au carré du courant).
De manière optionnelle, l'induit 12 pourra être relié électriquement à la batterie Batt via un commutateur 14 de type rhéostat pour permettre le réglage de la tension d'induit 12 afin d'affiner le réglage de la vitesse de rotation de l'induit 12. Le changement de résistance est réalisé de façon synchronisée avec le changement de niveau de flux dans l'inducteur 1 1 , tel que cela est décrit plus en détails ci-après.
De préférence, le changement de résistance est réalisé également de façon discrète. Ainsi, une première valeur de résistance d'induit 12 correspond au niveau de flux dans le mode M1 , une deuxième valeur de résistance d'induit 12 correspond au niveau de flux dans le mode M2 et une troisième valeur de résistance d'induit 12 correspond au niveau de flux dans le mode M3. Le rhéostat 14 pourra être à commutation mécanique pour passer d'une valeur de résistance à une autre, ou à commutation électrique en intégrant un ensemble de transistors permettant de faire commuter la résistance du rhéostat d'un niveau à un autre. Le courant Ir circulant dans le circuit de puissance C_puis pourra être de l'ordre de 250 A. Comme cela ressort de la figure 3, l'inducteur 1 1 parcouru par le courant Is est actionné avant l'induit 12 parcouru par le courant Ir. En effet, l'inducteur 1 1 et la bobine de commande B_cmd sont parcourus simultanément par un courant dès la fermeture du contact S. Cette action préalable sur l'inducteur 1 1 vise à s'assurer que l'inducteur 1 1 est déjà en régime stabilisé lorsque l'induit 12 est mis sous tension.
L'inducteur 1 1 est apte à générer de manière discrète, par sélection des bobines B1 , B2, B3 parcourues par le courant d'inducteur Is, au moins trois niveaux de flux magnétiques différents correspondant chacun à un mode de traction M1 , M2, M3 de la machine électrique tournante 10. Afin d'obtenir un niveau maximal de couplage magnétique par ensemble de trois bobines, chaque ensemble de trois bobines B1 , B2, B3 par pôle est bobiné trois fils en main.
En outre, une unité de contrôle 16 est apte à commander des interrupteurs K1 , K2, K3 afin de désactiver ou d'activer sélectivement les bobines B1 , B2, B3. Les interrupteurs K1 , K2, K3 pourront prendre la forme de transistors fonctionnant dans un régime de commutation, notamment des transistors de type MOS.
Dans un premier mode de traction M1 , les bobines B1 , B2, et B3 de chaque pôle de l'inducteur 1 1 sont mises en série pour maximiser le flux magnétique généré par l'inducteur 1 1 , tel que cela est montré sur la figure 2a. A cet effet, l'unité de contrôle 16 commande une fermeture de l'interrupteur K1 et une ouverture des interrupteurs K2 et K3.
Dans un deuxième mode de traction M2, la bobine B1 est désactivée pour faire circuler le courant Is dans les bobines B2 et B3 afin de réduire le flux magnétique généré par l'inducteur 1 1 , tel que cela est montré sur la figure 2b. A cet effet, l'unité de contrôle 16 commande une fermeture de l'interrupteur K2 et une ouverture des interrupteurs K1 et K3.
Dans un troisième mode de traction M3, les bobines B1 et B2 sont désactivées pour faire circuler le courant Is uniquement dans la bobine B3 afin de réduire encore davantage le flux magnétique généré par l'inducteur 1 1 , tel que cela est montré sur la figure 2c. A cet effet, l'unité de contrôle 16 commande une fermeture de l'interrupteur K3 et une ouverture des interrupteurs K1 et K2.
Comme cela est illustré sur la figure 3b, l'action préalable sur l'inducteur 1 1 sur la durée T1 permet d'obtenir des changements de niveau de flux quasi- instantanés lorsque l'on passe d'un mode de traction à l'autre. On observe un niveau de flux distinct associé à chacun des modes de traction M1 , M2, M3. Ainsi, le niveau de flux F1 est associé au mode de traction M1 , le niveau de flux F2 est associé au mode de traction M2, et le niveau de flux F3 est associé au mode de traction M3.
L'invention permet d'obtenir un moteur électrique 10 se comportant comme si l'on disposait de trois rapports de vitesse internes avec un très faible temps de passage de l'un à l'autre. Ces rapports seront sélectionnâmes en fonction de la phase de fonctionnement du moteur électrique. Comme cela ressort de la figure 4, le mode M1 pourra être mis en œuvre à faible vitesse afin de maximiser le couple, le mode M2 pourra être mis en œuvre à vitesse moyenne, et le mode M3 pourra être mis en œuvre afin de maximiser la vitesse pour un couple réduit. Chaque mode correspond ainsi à un rapport de vitesse. Une telle configuration permet d'améliorer les caractéristiques de la machine électrique à iso-puissance (cf. courbes C1 et C2). Bien entendu, le nombre de bobines et donc de rapports de vitesse correspondants pourra être augmenté en fonction de l'application et pourra notamment être égal à 4, 5, ou 6.
Comme cela est représenté sur la figure 5, trois bobines B1 , B2, B3 pourront être enroulées autour de chaque dent 18 issue d'une culasse 19 d'un stator formant l'inducteur 1 1 . Ce stator est de préférence réalisé dans un matériau feuilleté afin de limiter les courants de Foucault. Il est à noter que dans les trois modes de fonctionnement M1 , M2, et M3, le flux circulant dans l'inducteur 1 1 est dans le même sens.
En variante, comme cela est illustré par la figure 6a, l'inducteur 1 1 est de type homopolaire à griffes. Cet inducteur 1 1 comporte alors trois bobines B1 , B2, B3 formant un unique enroulement inducteur B global et des griffes formant les différents pôles de l'inducteur 1 1 . Dans ce cas, l'inducteur 1 1 comporte un seul ensemble de trois bobines B1 , B2, B3 quel que soit le nombre de pôles de l'inducteur 1 1 . Cela permet de faciliter la fabrication de l'inducteur 1 1 . Plus précisément, l'inducteur 1 1 homopolaire à flux axial d'axe X comporte un premier groupe de griffes 1 1 a ayant une première portion 1 1 a1 s'étendant axialement à partir d'une périphérie interne d'une couronne 1 1 c et une deuxième portion 1 1 a2 s'étendant radialement dans une direction opposée à l'axe X à partir d'une extrémité axiale de la première portion 1 1 a1 la plus éloignée de la couronne 1 1 c.
L'inducteur 1 1 comprend en outre un deuxième groupe de griffes 1 1 b ayant toutes la même polarité opposée à la polarité du premier groupe de griffes 1 1 a. Chaque griffe 1 1 b comporte une première portion 1 1 b1 s'étendant axialement à partir d'une périphérie externe de la couronne 1 1 c dans le même sens que les premières portions 1 1 a1 des griffes 1 1 a du premier groupe. Chaque griffe 1 1 b comporte également une deuxième portion 1 1 b2 s'étendant à partir d'une extrémité axiale de la première portion 1 1 b1 la plus éloignée de la couronne 1 1 c radialement en direction de l'axe X.
Les griffes 1 1 a et 1 1 b sont agencées de manière que leurs deuxièmes portions 1 1 a2 et 1 1 b2 sont angulairement alternées autour l'arbre X. Autrement dit, une griffe du premier groupe 1 1 a a pour voisine deux griffes du deuxième groupe 1 1 b et vice versa.
L'enroulement B de l'inducteur 1 1 comportant les trois bobines B1 , B2, B3 est monté axialement entre la couronne 1 1 c et les deuxièmes portions 1 1 a2 et 1 1 b2 de chaque griffe de chaque groupe. En outre, l'enroulement B est monté radialement entre les premières portions 1 1 a1 du premier groupe et les premières portions 1 1 b1 du deuxième groupe. Une telle configuration permet de faciliter la réalisation de l'inducteur 1 1 et offre un potentiel optimal de désaturation des griffes. On pourra se référer à la demande de brevet déposée sous le numéro FR16/55885 pour plus de détails sur ce mode de réalisation. L'inducteur 1 1 pourra par exemple comporter 20 griffes et donc 20 pôles. L'inducteur 1 1 présente un diamètre externe relativement important par exemple de l'ordre de 250mm. On pourra ainsi tirer profit de la taille de l'inducteur 1 1 et du rotor correspondant pour intégrer un commutateur mécanique comportant le collecteur, l'ensemble des balais et le porte-balais et/ou un système de ventilation dans le volume interne de l'inducteur 1 1 .
Comme cela est illustré par la figure 6b, l'inducteur 1 1 pourra être à flux radial. A cet effet, l'inducteur 1 1 comporte une culasse 21 et des noyaux polaires 22 s'étendant radialement en saillie par rapport à une périphérie interne de la culasse 21 en direction d'un axe Y de ladite culasse. Deux noyaux polaires 22 adjacents étant décalés axialement l'un par rapport à l'autre, l'enroulement B comportant les trois bobines B1 , B2, B3 présente des ondulations axiales de façon à passer entre lesdits noyaux polaires 22.
On pourra se référer à la demande de brevet déposée sous le numéro FR16/54821 pour plus de détails sur ce mode de réalisation. La figure 7 montre un véhicule automobile 25 comportant une machine électrique de traction 10 implantée sur son essieu arrière 26 entre une roue 28 et le différentiel du véhicule. En variante, la machine électrique de traction 10 pourra être implantée sur l'essieu avant 27. En variante, la machine électrique de traction 10 pourra être implantée dans au moins une roue 28 du véhicule. On utilise notamment une machine 10 dans chaque roue arrière.
Dans un exemple de réalisation particulier préférentiel mais non limitatif, pour un véhicule de 400 kg muni de roues de petite taille équipées de pneus 145/70/R13, on utilise une machine de traction 10 alimentée par un système 48 V. La machine 10 présente une taille cylindrique significativement inférieure à la jante de la roue (en diamètre) et au pneu (en largeur). Comme on peut le voir sur la figure 8 où les courbes C3 et C4 représentent respectivement les courbes caractéristiques couple/vitesse et puissance/vitesse de cette machine 10, la puissance maximale P_max est de 4 kW pour un couple maximal C_max de 190 N.m et une vitesse maximale V_max de 500 tr/min (soit 50 km/h en micro-car). Une telle machine électrique 10 est de type "lente" (par rapport à une machine supportant des vitesses de rotation supérieures à 5000 tours/min), ce qui autorise l'utilisation de nombreuses paires de pôles, sans perte de performance via les pertes fer. Une telle machine 10 est donc favorable à une architecture homopolaire à griffes.
La machine de traction 10 présente trois modes de fonctionnement M1 , M2, M3 correspondant à des rapports équivalents obtenus par la commutation de flux dans les trois bobines B1 , B2, B3. Une telle machine de traction 10 offre un agrément de conduite ressenti, original en traction électrique, pour un coût minimal, sur un système micro-car simple de conception.
Cela permet de dimensionner un moteur électrique à 190 N.m (C.max) mais à moins de 250 tr/min plutôt que 500 tr/min, au couple maximal N.max (fém à vide) pour le mode M1 . Sur la figure 8, on observe que la courbe C3 couple/vitesse approche une hyperbole par trois courbes élémentaires. On définit avantageusement trois points de fonctionnement à la puissance maximale Pmax à la vitesse de base 200 tr/min ou 20 km/h, à 350 tr/min ou 35 km/h, et à 500 tr/min ou 50 km/h.
La machine de traction 10 fonctionne ainsi dans le mode M1 (équivalent à un premier rapport de vitesse mécanique) entre 0 et 25km/h, dans le mode M2 (équivalent à un deuxième rapport de vitesse mécanique) entre 25 et 45 km/h, et dans le mode M3 (équivalent à un troisième rapport de vitesse mécanique) entre 45 et 55 km/h.
On observe des creux de puissance référencés 33 vers 25, 45 et 55 km/h (soit 250, 450 et 550 tr/min), qui incitent pour les deux premiers à "passer le rapport" supérieur, c'est-à-dire à changer de mode, au cours d'une accélération, avec un effet de satisfaction espéré; et dissuade, pour le dernier, à dépasser la vitesse maximale V.max de l'ordre de 50 km/h. Bien entendu, la description qui précède a été donnée à titre d'exemple uniquement et ne limite pas le domaine de l'invention dont on ne sortirait pas en remplaçant les différents éléments par tous autres équivalents.
En outre, les différentes caractéristiques, variantes, et/ou formes de réalisation de la présente invention peuvent être associées les unes avec les autres selon diverses combinaisons, dans la mesure où elles ne sont pas incompatibles ou exclusives les unes des autres.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Machine électrique tournante de traction (10) à courant continu et à balais comportant un induit (12) constitué par un rotor muni d'un bobinage et un inducteur (1 1 ),
caractérisée en ce que l'inducteur (1 1 ) est à excitation bobinée séparée parcourue par un courant d'inducteur (Is) indépendant d'un courant d'induit (Ir), et en ce que
- l'inducteur (1 1 ) est apte à générer de manière discrète, par sélection de bobines (B1 , B2, B3) parcourues par le courant d'inducteur (Is), au moins trois niveaux de flux magnétiques différents correspondant chacun à un mode de traction (M1 , M2, M3) de la machine électrique tournante.
2. Machine électrique tournante selon la revendication 1 , caractérisée en ce que l'induit (12) est relié électriquement à une batterie (Batt) via un commutateur (14) de type rhéostat configuré pour réaliser des changements de résistance de façon synchronisée avec le changement de niveau de flux magnétique dans l'inducteur (1 1 ).
3. Machine électrique tournante (10) selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que l'inducteur (1 1 ) est configuré pour fonctionner sous un faible courant inférieur à 50A et valant de préférence 10A.
4. Machine électrique tournante (10) selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que l'inducteur (1 1 ) est actionné avant l'induit (12).
5. Machine électrique tournante (10) selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que l'excitation bobinée séparée de l'inducteur (1 1 ) est formée par trois bobines (B1 , B2, B3) par pôle de l'inducteur (1 1 ).
6. Machine électrique tournante (10) selon la revendication 5, caractérisée en ce que chaque ensemble de trois bobines (B1 , B2, B3) est bobiné trois fils en main.
7. Machine électrique tournante (10) selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que l'inducteur (1 1 ) est de type homopolaire à griffes, ledit inducteur (1 1 ) comportant au moins trois bobines (B1 , B2, B3) formant un unique enroulement inducteur (B).
8. Machine électrique tournante (10) selon la revendication 7, caractérisée en ce que l'inducteur homopolaire (1 1 ) est à flux axial.
9. Machine électrique tournante (10) selon la revendication 8, caractérisée en ce que l'inducteur homopolaire (1 1 ) ayant un axe (X) comporte:
- un premier groupe de griffes (1 1 a) ayant une première portion (1 1 a1 ) s'étendant axialement à partir d'une périphérie interne d'une couronne (1 1 c) et une deuxième portion (1 1 a2) s'étendant radialement dans une direction opposée à l'axe (X),
- un deuxième groupe de griffes (1 1 b) ayant toutes la même polarité opposée à la polarité du premier groupe de griffes (1 1 a),
- chaque griffe (1 1 b) du deuxième groupe de griffes (1 1 b) comportant une première portion (1 1 b1 ) s'étendant axialement à partir d'une périphérie externe de la couronne (1 1 c) dans le même sens que les premières portions (1 1 a1 ) des griffes (1 1 a) du premier groupe, et une deuxième portion (1 1 b2) s'étendant à partir d'une extrémité axiale de la première portion (1 1 b1 ) la plus éloignée de la couronne (1 1 c) radialement en direction de l'axe (X),
- l'enroulement inducteur (B) étant monté axialement entre la couronne (1 1 c) et les deuxièmes portions (1 1 a2, 1 1 b2) de chaque griffe de chaque groupe, et radialement entre les premières portions (1 1 a1 ) du premier groupe de griffes (1 1 a) et les premières portions (1 1 b1 ) du deuxième groupe de griffes (1 1 b).
10. Machine électrique tournante (10) selon la revendication 7, caractérisée en ce que l'inducteur homopolaire (1 1 ) est à flux radial.
1 1 . Machine électrique tournante (10) selon la revendication 10, caractérisée en ce que l'inducteur (1 1 ) comporte une culasse (21 ) et des noyaux polaires (22) s'étendant radialement en saillie par rapport à une périphérie interne de la culasse (21 ) en direction d'un axe (Y) de ladite culasse, et en ce que deux noyaux polaires (22) adjacents étant décalés axialement l'un par rapport à l'autre, l'enroulement inducteur (B) présente des ondulations axiales de façon à passer entre lesdits noyaux polaires (22).
12. Machine électrique tournante selon l'une quelconque des revendications 1 à 1 1 , caractérisée en ce qu'elle comporte un commutateur mécanique et/ou un système de ventilation intégrés dans un volume interne de l'inducteur (1 1 ).
13. Véhicule automobile (25) caractérisé en ce qu'il comporte une machine électrique tournante de traction telle que définie selon l'une quelconque des revendications précédentes.
14. Véhicule automobile selon la revendication 13, caractérisé en ce que la machine électrique de traction est implantée sur un essieu arrière (26) entre une roue et un différentiel dudit véhicule automobile (25).
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