WO2019063912A1 - Compresseur electrique - Google Patents

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shaft
machine
electric
stiffening
compressor
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Nicolas Martin
Patrick LEBRASSEUR
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Valeo Systemes De Controle Moteur
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    • H02K11/21—Devices for sensing speed or position, or actuated thereby
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    • H02K7/006—Structural association of a motor or generator with the drive train of a motor vehicle

Definitions

  • the present invention relates to the field of electric compressors, and more particularly to an electric supercharging compressor comprising a device for stiffening the shaft.
  • an electric compressor is a device used to supercharge a heat engine, operating with an electric motor comprising a rotor and a stator controlled by an electronic assembly.
  • the compressor comprises a compressor wheel driven by an electric motor via a shaft.
  • the electric compressor is placed on the air intake line of an internal combustion engine, in addition for example a turbocharger.
  • the electric compressor plays the same role as the turbocharger, namely increase the intake pressure of the fresh gases in the engine, but is used in particular during transient phases to overcome turbocharger response time problems.
  • This type of compressor may comprise a reluctance motor or a permanent magnet motor.
  • Hall effect sensor comprising a Hall effect probe and a magnet. More specifically, the Hall effect probe is rigidly coupled to the stator and the magnet rigidly coupled to the rotor.
  • the rotor of the electric motor is already equipped with powerful magnets.
  • the stator generates magnetic and electric fields.
  • a minimum distance must be respected between them.
  • the critical speed of the tree, and therefore the compressor being influenced by the stiffness and the mass of the shaft, it is important to stiffen the tree by limiting the increase in its mass. Indeed, the stiffer the shaft, the higher the critical speed, and the higher the mass, the lower the critical speed.
  • the present invention therefore aims to overcome one or more of the disadvantages of the prior art devices by providing an electric compressor configured to maintain the necessary distance between the position magnets and the electric motor, while preserving the rigidity of the tree.
  • the present invention proposes an electric machine comprising a shaft driven in rotation by an electric motor by means of at least one bearing, an intermediate portion of the shaft having a reduced rigidity, the machine comprising a stiffening device of the tree.
  • the machine comprises a Hall effect sensor comprising at least one magnet fixed around the shaft between the electric motor and the bearing, the stiffening device being disposed between the rotor of the electric motor and the 'magnet.
  • the stiffening device is a tube (2).
  • the stiffening device is made of stainless steel.
  • the magnet is disposed in a support, the stiffening device being fixed to the support.
  • the stiffening device has an external diameter of 60 to 100% of the outer diameter of the rotor.
  • the stiffening device has a wall thickness of 5 to 15% of the outer diameter of the rotor.
  • the motor is an electric motor with variable reluctance or permanent magnets.
  • the electric machine is an electric supercharging compressor for a heat engine or a fuel cell.
  • the invention also relates to the use of the compressor according to the invention, in a motor vehicle.
  • FIG. 1 is a schematic representation of a sectional view of a compressor incorporating a device according to one embodiment of the invention
  • FIG. 2 is a representation of a sectional view of a portion of a compressor incorporating a system according to one embodiment of the invention.
  • the present invention relates to an electric electrical machine equipped with a device for stiffening the shaft.
  • the electric machine is an electric compressor.
  • the term electric compressor an air compressor, volumetric or not and for example centrifugal or radial, driven by an electric motor, for the purpose of supercharging a heat engine or fuel cell.
  • the electric motor is a DC or AC asynchronous motor.
  • the electric motor is a variable reluctance motor (also called SRM machine for Switched Reluctance Motor according to English terminology).
  • the electric motor is a permanent magnet motor.
  • the compressor is an electric supercharging compressor of a heat engine or a fuel cell.
  • the electric compressor 1, illustrated in FIG. 1, comprises an electric motor 5, comprising a rotor 51 and a stator 52, disposed in the body 4 of the compressor, and at least one bearing 72, 71 arranged circularly around the shaft 6.
  • the compressor 1 comprises two bearings 71, 72, at least one of which, hereinafter referred to as bearing 72 before, is arranged between the electric motor and a compressor wheel 3.
  • the electric motor allows the rotation of the shaft 6 of the electric compressor via at least one bearing 72, 71.
  • the shaft 6 thus rotates the wheel 3 of the compressor 1, disposed at one end of the shaft 6. More precisely one end of the shaft 6 is rotated by the electric motor, and another end of the shaft 6 rotates the wheel 3 of the compressor.
  • the compressor comprises a volute 12 in which is disposed the wheel 3, and allowing the passage of the air compressor 1.
  • the compressor 1 comprises an electronic assembly 9 for controlling the electric compressor 1.
  • At least part of the electronic assembly 9 is disposed at the rear of the wheel 3, between the wheel 3 and the electric motor 5, illustrated in FIG.
  • At least a portion of the electronic assembly 9 is disposed at one end of the shaft 6 opposite the end where the wheel 3, not shown, is located.
  • the compressor 1 comprises a Hall effect sensor 8 comprising a Hall effect probe 81 and a magnet 82.
  • the Hall effect probe 81 is positioned at the electronic assembly 9.
  • the magnet 82 is fixed around the shaft 6, as illustrated in FIGS. 1 and 2.
  • the magnet 82 thus comprises a central orifice through which the shaft 6 passes.
  • the magnet 82 is positioned opposite the Hall effect probe 81.
  • the magnet 82 is a permanent magnet comprising a plurality of magnetic poles.
  • the rotation of the magnet 82 causes a variation of magnetic flux around the Hall effect probe 81, which is an image of the position of the rotor 51 of the electric supercharger 1.
  • the magnet 82 has a cylindrical shape with a circular section. It completely surrounds the tree 6.
  • the magnet has all forms compatible with the operation of the electric machine.
  • the magnet is disposed in a support
  • the magnet 82 is disposed between the bearing 72 before and the electric motor 5, and sufficiently far from the motor 5 not to be disturbed by the magnetic and electrical fields generated by said motor. It is for example arranged at least 20 mm from the coils of the stator 52.
  • the rigidity of the shaft between the bearings 71, 72 is thus not homogeneous.
  • the flexural stiffness of the portion 61 is less than that of the portion 62, due to the stiffness gain provided by the rotor 51 wherein the portion 62 is fitted.
  • the distribution of the masses along the shaft 6, between the bearings 71, 72 is not homogeneous.
  • the portion 62 is heavier than the portion 61.
  • the centrifugal forces induced by the rotation of the motor are supported by the two parts 61, 62 of the shaft. Part 61 is thus more stressed than part 62. This can cause a large arrow at high speed, and lower the critical speed threshold of the shaft.
  • the invention therefore provides for reinforcing the intermediate portion 61 of the shaft 6 by a stiffening device 2.
  • the stiffening device 2 is disposed between a first and a second element. More precisely according to a mode of embodiment of the invention, the stiffening device 2 is disposed between the rotor 51 and the support 83 of the magnet 82.
  • the stiffening device 2 is a tube 2.
  • Such a stiffening device 2 by increasing the diameter of the shaft, increases its stiffness in bending.
  • such a rigidifying device 2 is hollow. Its internal diameter is greater than the outer diameter of the shaft 6. Thus, once assembled on the shaft 6, there is an air pocket 21 between the shaft 6 and the stiffening device 2. This has the advantage of increasing the rigidity of the assembly by limiting the increase in mass.
  • the stiffening device 2 is stainless steel.
  • the internal and external diameters of the stiffening device 2 are determined so as to have a maximum critical speed, while limiting the mass and the inertia to limit the increase of the response time. of the compressor.
  • the stiffening device 2 has an outer diameter of 65% of the outer diameter of the rotor 51.
  • the stiffening device 2 has a thickness of 12% of the outer diameter of the rotor 51. Such dimensions make it possible to increase the first critical speed by 24% and to reduce the associated flexural deformations. 80%.
  • the compressor according to the invention is thus configured to protect the shaft, reduce its deformations, and increase the critical speed of the compressor.
  • the invention also applies to all compressors whose shaft must be stiffened when two elements arranged around the shaft are sufficiently far apart to lower the rigidity of the shaft in critical proportions with respect to rotation speeds.
  • the tube 2 is then disposed between these two elements.
  • the invention also relates to the use of such an electric supercharger in a motor vehicle.
  • the invention also relates to an electric compressor equipped with a variable reluctance motor or permanent magnet according to the invention.

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Abstract

La présente invention concerne une machine électrique (1) comportant un arbre (6) entrainé en rotation par un moteur électrique (5) par l'intermédiaire d'au moins un roulement (72), une partie (61) intermédiaire de l'arbre ayant une rigidité diminuée, comportant un dispositif (2) de rigidification de l'arbre (6).

Description

COMPRESSEUR ELECTRIQUE
La présente invention concerne le domaine des compresseurs électriques, et plus particulièrement un compresseur électrique de suralimentation comportant un dispositif de rigidification de l'arbre.
Dans le cadre de l'invention, un compresseur électrique est un dispositif, utilisé pour suralimenter un moteur thermique, fonctionnant avec un moteur électrique comportant un rotor et un stator piloté par un ensemble électronique. Le compresseur comporte une roue de compresseur entraînée par un moteur électrique via un arbre.
Le compresseur électrique est placé sur la ligne d'admission d'air d'un moteur à combustion interne, en complément par exemple d'un turbocompresseur. Le compresseur électrique joue le même rôle que le turbocompresseur, à savoir augmenter la pression d'admission des gaz frais dans le moteur, mais est utilisé notamment lors des phases transitoires pour palier aux problèmes de temps de réponse du turbocompresseur.
Ce type de compresseur peut comporter un moteur à reluctance ou un moteur à aimant permanent.
Dans le cas d'un compresseur avec moteur à aimant permanent, il est parfois nécessaire, pour piloter le moteur d'avoir un ou plusieurs capteurs. Ces capteurs permettent de connaître à chaque instant la position relative du rotor par rapport au stator.
Il est courant pour ce type de moteur d'utiliser un capteur à effet Hall comportant une sonde à effet Hall et un aimant. Plus précisément, la sonde à effet Hall est rigidement couplé au stator et l'aimant rigidement couplé au rotor.
Le rotor du moteur électrique est déjà équipé de puissants aimants. D'autre part, le stator génère des champs magnétique et électrique. Afin de ne pas perturber le champ magnétique de l'aimant du capteur de position, une distance minimale doit être respectée entre eux. La distance minimale imposée entre les éléments du moteur et l'aimant de position, pour éviter les perturbations de champ magnétique, induit une répartition des masses non homogène le long de l'arbre. La vitesse critique de l'arbre, et donc du compresseur, étant influencé par la rigidité et par la masse de l'arbre, il est important de rigidifier l'arbre en limitant l'augmentation de sa masse. En effet, plus l'arbre est rigide, plus la vitesse critique est élevée, et plus la masse est élevée, plus la vitesse critique est basse. Ainsi, une solution qui consisterait à augmenter le diamètre de l'arbre, et qui augmenterait trop sa masse, n'est pas envisageable.
Le même type de problème se rencontre, même en l'absence d'aimant, dès que la longueur de l'arbre est suffisamment importante pour influencer sa rigidité.
La présente invention a donc pour objet de pallier un ou plusieurs des inconvénients des dispositifs de l'art antérieur en proposant un compresseur électrique configuré pour maintenir la distance nécessaire entre les aimants de position et du moteur électrique, tout en préservant la rigidité de l'arbre.
Pour cela la présente invention propose une machine électrique comportant un arbre entraîné en rotation par un moteur électrique par l'intermédiaire d'au moins un roulement, une partie intermédiaire de l'arbre ayant une rigidité diminuée, la machine comportant un dispositif de rigidification de l'arbre.
Selon un mode de réalisation de l'invention, la machine comprend un capteur à effet Hall comportant au moins un aimant fixé autour l'arbre entre le moteur électrique et le roulement, le dispositif de rigidification étant disposé entre le rotor du moteur électrique et l'aimant.
Selon un mode de réalisation de l'invention, le dispositif de rigidification est un tube (2).
Selon un mode de réalisation de l'invention, le dispositif de rigidification est en inox.
Selon un mode de réalisation de l'invention, l'aimant est disposé dans un support , le dispositif de rigidification étant fixé au support.
Selon un mode de réalisation de l'invention, le dispositif de rigidification a un diamètre externe de 60 à 100% du diamètre externe du rotor.
Selon un mode de réalisation de l'invention, le dispositif de rigidification a une épaisseur de paroi de 5 à 15% du diamètre externe du rotor. Selon un mode de réalisation de l'invention, le moteur est un moteur électrique à reluctance variable ou à aimants permanents.
Selon un mode de réalisation de l'invention, la machine électrique est un compresseur électrique de suralimentation de moteur thermique ou pile à combustible.
L'invention concerne également l'utilisation du compresseur selon l'invention, dans un dans un véhicule automobile.
D'autres buts, caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris et apparaîtront plus clairement à la lecture de la description faite, ci-après, en se référant aux figures annexées, données à titre d'exemple et dans lesquelles:
- la figure 1 est une représentation schématique d'une vue en coupe d'un compresseur intégrant un dispositif selon un mode de réalisation de l'invention,
- la figure 2 est une représentation d'une vue en coupe d'une partie d'un compresseur intégrant un système selon un mode de réalisation de l'invention.
La présente invention concerne une machine électrique électrique équipée d'un dispositif de rigidification de l'arbre.
Selon un mode de réalisation de l'invention, la machine électrique est un compresseur électrique.
Dans le cadre de l'invention, on entend par compresseur électrique, un compresseur d'air, volumétrique ou non et par exemple centrifuge ou radial, entraîné par un moteur électrique, dans le but de suralimenter un moteur thermique ou pile à combustible. Selon un mode de réalisation de l'invention, le moteur électrique est un moteur asynchrone à courant continu ou alternatif.
Plus précisément, selon un mode de réalisation de l'invention, le moteur électrique est un moteur à reluctance variable (également appelée machine SRM pour Switched Reluctance Motor selon la terminologie anglaise).
Selon un mode de réalisation de l'invention, le moteur électrique est un moteur à aimants permanents. Selon un mode de réalisation de l'invention, le compresseur est un compresseur électrique de suralimentation de moteur thermique ou à pile à combustible.
Le compresseur électrique 1, illustré figure 1, comprend un moteur électrique 5, comportant un rotor 51 et un stator 52, disposé dans le corps 4 du compresseur, et au moins un roulement 72, 71 disposé circulairement autour de l'arbre 6. Selon un mode de réalisation de l'invention, le compresseur 1 comporte deux roulements 71, 72 dont au moins un, appelé dans la suite de la description roulement 72 avant, est disposé entre le moteur électrique et une roue 3 de compresseur. Le moteur électrique permet la mise en rotation de l'arbre 6 du compresseur électrique via au moins un roulement 72, 71. L'arbre 6 entraine ainsi en rotation la roue 3 du compresseur 1, disposée à une extrémité de l'arbre 6. Plus précisément une extrémité de l'arbre 6 est entraînée en rotation par le moteur électrique, et une autre extrémité de l'arbre 6 entraine en rotation la roue 3 du compresseur. Le compresseur comporte une volute 12 dans laquelle est disposée la roue 3, et permettant le passage de l'air du compresseur 1.
Selon un mode de réalisation de l'invention, le compresseur 1 comporte un ensemble 9 électronique permettant de commander le compresseur 1 électrique.
Selon un mode de réalisation de l'invention, au moins une partie de l'ensemble 9 électronique est disposée à l'arrière de la roue 3, entre la roue 3 et le moteur 5 électrique, illustré figure 1.
Selon un mode de réalisation de l'invention, au moins une partie de l'ensemble électronique 9 est disposée à une extrémité de l'arbre 6 opposée à l'extrémité ou est située la roue 3, non illustré.
Le compresseur 1 comprend un capteur à effet Hall 8 comportant une sonde à effet Hall 81 et un aimant 82.
Selon un mode de réalisation de l'invention, la sonde à effet Hall 81 est positionnée au niveau de l'ensemble électronique 9.
Selon un mode de réalisation de l'invention, l'aimant 82 est fixé autour de l'arbre 6, comme illustré figures 1 et 2. L'aimant 82 comprend ainsi un orifice central traversé par l'arbre 6. L'aimant 82 est positionné en regard de la sonde à effet Hall 81. L'aimant 82 est un aimant permanent comprenant plusieurs pôles magnétiques.
La rotation de l'aimant 82 entraîne une variation de flux magnétique autour de la sonde à effet Hall 81, laquelle est une image de la position du rotor 51 du compresseur de suralimentation électrique 1.
Selon un mode de réalisation de l'invention, l'aimant 82 présente une forme cylindrique avec une section circulaire. Il entoure entièrement l'arbre 6.
Selon un mode de réalisation de l'invention, l'aimant a toutes formes compatibles avec le fonctionnement de la machine électrique.
Selon un mode de réalisation de l'invention, l'aimant est disposé dans un support
83, visible figure 2.
Dans le cadre de l'invention, l'aimant 82 est disposé entre le roulement 72 avant et le moteur électrique 5, et suffisamment loin du moteur 5 pour ne pas être perturbé par les champs magnétiques et électriques générés par ledit moteur. Il est par exemple disposé à au moins 20 mm des bobines du stator 52.
La rigidité de l'arbre entre les roulements 71, 72 n'est ainsi pas homogène. Il existe une partie 61 intermédiaire de l'arbre 6, située entre l'aimant 82 et le rotor 51, non emmanchée dans une autre pièce. Il existe une autre partie 62 intermédiaire de l'arbre 6, située entre au niveau du rotor 51. La rigidité en flexion de la partie 61 est moins importante que celle de la partie 62, du fait du gain de rigidité apporté par le rotor 51 dans lequel la partie 62 est emmanchée.
De plus, la répartition des masses le long de l'arbre 6, entre les roulements 71, 72 n'est pas homogène. La partie 62 est ainsi plus lourde que la partie 61. Cependant, les efforts centrifuges induits par la rotation du moteur sont supportés par les deux parties 61, 62 de l'arbre. La partie 61 est ainsi plus sollicitée que la partie 62. Ceci peut engendrer une flèche importante à haute vitesse, et abaisser le seuil de vitesse critique de l'arbre.
L'invention prévoit donc de renforcer la partie 61 intermédiaire de l'arbre 6 par un dispositif 2 de rigidification.
Selon un mode de réalisation de l'invention, le dispositif 2 de rigidification est disposé entre un premier et un deuxième élément. Plus précisément selon un mode de réalisation de l'invention, le dispositif 2 de rigidification est disposé entre le rotor 51 et le support 83 de l'aimant 82.
Dans le cadre de l'invention, le dispositif 2 de rigidification est un tube 2.
Un tel dispositif 2 de rigidification, en augmentant le diamètre de l'arbre, augmente sa rigidité en flexion.
De plus, un tel dispositif 2 de rigidification est creux. Son diamètre interne est supérieur au diamètre externe de l'arbre 6. Ainsi, une fois assemblé sur l'arbre 6, il existe une poche d'air 21 entre I'arbre6 et le dispositif 2 de rigidification. Ceci présente l'avantage d'augmenter la rigidité de l'ensemble en limitant l'augmentation de la masse.
Selon un mode de réalisation de l'invention, le dispositif 2 de rigidification est inox.
Selon un mode de réalisation de l'invention, les diamètres interne et externe du dispositif de 2 de rigidification sont déterminés de façon à avoir une vitesse critique maximum, tout en limitant la masse et l'inertie pour limiter l'augmentation du temps de réponse du compresseur.
Selon un exemple de réalisation de l'invention, le dispositif 2 de rigidification a un diamètre externe de 65% du diamètre externe du rotor 51.
Selon un exemple de réalisation de l'invention, le dispositif 2 de rigidification a une épaisseur de 12% du diamètre externe du rotor 51. De telles dimensions permettent d'augmenter la première vitesse critique de 24% et de réduire les déformations de flexion associées de 80%.
Le compresseur selon l'invention, est ainsi configuré de façon à protéger l'arbre, réduire ses déformations, et augmenter la vitesse critique du compresseur.
L'invention s'applique également à tous les compresseurs dont l'arbre doit être rigidifié lorsque deux éléments disposés autour de l'arbre sont suffisamment éloignés pour abaisser la rigidité de l'arbre dans des proportions critiques en regard des vitesses de rotation. Le tube 2 est alors disposé entre ces deux éléments.
L'invention concerne également l'utilisation d'un tel compresseur de suralimentation électrique dans un véhicule automobile. L'invention concerne également un compresseur électrique équipé d'un moteur à reluctance variable ou à aimant permanent selon l'invention.
La portée de la présente invention ne se limite pas aux détails donnés ci-dessus et permet des modes de réalisation sous de nombreuses autres formes spécifiques sans s'éloigner du domaine d'application de l'invention. Par conséquent, les présents modes de réalisation doivent être considérés à titre d'illustration, et peuvent être modifiés sans toutefois sortir de la portée définie par les revendications.

Claims

REVENDICATIONS
1. Machine électrique (1) comportant un arbre (6) entraîné en rotation par un moteur électrique (5) par l'intermédiaire d'au moins un roulement (72), une partie (61) intermédiaire de l'arbre ayant une rigidité diminuée,
caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif (2) de rigidification de l'arbre (6).
2. Machine (1) selon la revendication 1, comprenant un capteur à effet Hall (8) comportant au moins un aimant (82) fixé autour l'arbre (6) entre le moteur électrique (5) et le roulement (72), le dispositif (2) de rigidification étant disposé entre le rotor (51) du moteur électrique (5) et l'aimant (82).
3. Machine (1) selon une des revendications 1 ou 2, dans lequel le dispositif (2) de rigidification est un tube (2).
4. Machine (1) selon une des revendications 1 à 3, dans lequel le dispositif (2) de rigidification est en inox.
5. Machine (1) selon la revendication 4 lorsqu'elle dépend de la revendication 2 ou 3, dans lequel l'aimant est disposé dans un support (83), le dispositif (2) de rigidification étant fixé au support (83).
6. Machine (1) selon une des revendications 1 à 5, dans lequel le dispositif (2) de rigidification a un diamètre externe de 60 à 100% du diamètre externe du rotor (51).
7. Machine (1) selon une des revendications 1 à 6, dans lequel le dispositif (2) de rigidification a une épaisseur de paroi de 5 à 15% du diamètre externe du rotor (51).
8. Machine (1) selon une des revendications 1 à 7, dans le quel le moteur (5) est un moteur électrique à reluctance variable ou à aimants permanents.
9. Machine (1) selon une des revendications 1 à 8, dans lequel la machine électrique est un compresseur électrique de suralimentation de moteur thermique ou pile à combustible.
10. Utilisation de la machine (1) selon une des revendications 1 à 8, dans un dans un véhicule automobile.
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