Brevet FR2533375A1 — publié le 19840323

Dispositif générateur d'énergie électrique pour véhicule, a alternateur polyphasé et régulateur de tension. Le système de génération d'électricité aujourd'hui implanté le plus fréquemment dans les automobiles comprend généralement - un alternateur triphasé monté en triangle, à vitesse surmultipliée par rapport au moteur de l'automobile par l'intermédiaire d'une transmission a poulies et courroie. - Une excitation de l'alternateur par enroulement tournant, l'énergie d'excitation étant fournie par l'intermédiaire de charbons et de bagues. - Un refroidissement de l'alternateur parentilateur tournant en synchronisme. - Un système électronique ouélectro-mécanique de régulation de tension par ouverture et fermeture du circuit d'excitation, assurant ainsi une tension d'induit redressée égale la tension aux bornes de la batterie et des consommateurs. Ce système présente des inconvénients dans les domaines suivants : intégration au bloc moteur, maintenance, rendement, caractéristiques de charge. L'intégration au bloc-moteur de l'alternateur s'avère intéressante dans le but de minimiser les volumes et les masses contenues dans le compartiment moteur. Or, ce systeme s'y prete mal - par la nécessité d'une transmission a rapport de surmultiplication (d'ordre 2); - par la nécessité d'un refroidissement par air etLnon par fluide du fait de la présence de contacts électriques glissants; - par des dimensions rotoriques qui ne permettent pas de l'envisager en remplacement même partiel du volant d'inertie moteur. D'autre part, ce système nécessite une maintenance et un remplacement a date fixe des contacts glissants, ainsi qu'une maintenance relative a la courroie de transmission. I1 présente par ailleurs un rendement médiocre de l'ordre de 30 à 50% dû à - l'impédance interne élevée de l'alternateur, c'est-a-dire une résistance élevée entraînant des pertes élevées par effet Joule, et une inductance élevée, entraînant une forte induction dans la machine conduisant à des pertes magnétiques élevées. - La faible tension d'induit (égale a la tension batterie) imposant pour une puissance utile donnée, un courant d'induit important générateur de fortes pertes magnétiques et par effet Joule. - La présence d'une ventilation, rendue obligatoire du fait des fortes pertes dans l'alternateur, entraînant des pertes proportionnelles au cube de la vitesse. - La nécessité d'un courant d'excitation, d'où une puissance dissipée par ce circuit. - La nécessité de tourner a une vitesse élevée pour obtenir la tension nécessaire b la charge qui est une source de pertes mécaniques (transmission) et magnétiques (fréquence élevée). - La présence de diodes de redressement dans un circuit basse tension. - Enfin, du fait de sa forte impédance interne, l'alternateur a une mauvaise caracteristique de charge a basse vitesse. C'est ainsi qu'en ville, lors d'embouteillages en hiver et de nuit, on peut assister des incidents de fonctionnement affectant le moteur de la voiture qui cale, car la batterie s'est déchargée dans les consommateurs en raison de l'insuffisance de débit de l'alternateur. La présente invention concerne un dispositif générateur d'énergie électrique pour véhicule faisant l'objet d'un agencement d'ensemble nouveau d'un alternateur polyphasé et régulateur de tension, visant éliminer les inconvénients précites, et plus particulièrement : - maximiser le rendement de la génération et de la régulation d'énergie électrique sur le véhicule automobile et a faciliter son intégration au bloc moteur; - à minimiser le coût de l'accroissement des performances obtenues; - à supprimer la maintenance à date fixe; - à fournir en tout point de fonctionnement la puissance nécessaire à la batterie et aux consommateurs. Essentiellement à cet effet, le dispositif générateur d'énergie électrique pour véhicule selon l'invention, à alternateur polyphasé et régulateur de tension, est caractérisé en ce que l'alternateur est à stator central bobiné à enroulements de phases et à rotor périphérique à aimants permanents d'excitation, lesdits enroulements de phases étant connectés à un redresseur en pont, dont la sortie est connectée à un condensateur en dérivation par rapport au régulateur, qui comprend un circuit hacheur dont l'entrée est asservie à l'état de sortie d'un comparateur à deux entres répondant à la tension instantanée de batterie et à une tension de référence prédéterminée, la sortie de ce hacheur étant connectée à une inductance reliée à la borne de charge de la batterie et comportant en dérivation de part et d'autre d'elle une diode Zener de limitationde surtension côté batterie, et une diode passante permettant d'utiliser le courant induit à la coupure du hacheur pour la charge de batterie. D'autres particularités et aspects de l'invention appa rairont en outre dans la description suivante d'une forme de réalisation d'un dispositif générateur d'énergie électrique ainsi conçu, représente à titre d'exemple au dessin annexé, dans lequel la fig. 1 est un schéma electrique synoptique de ensemble du dispositif selon l'invention; la fig. 2 est une vue en coupe axiale de l'alternateur; la fig. 3 est une vue en coupe de l'alternateur suivant III-III de la fig. 2; la fig. 4 est un schéma électrique de l'ensemble du dispositif détaillant un- exemple de circuit régulateur; la fig. 5 est une vue en coupe axiale d'une forme de réalisation d'une inductance utilisée dans le dispositif selon l'invention. Comme on le voit sur le schéma synoptique de la fig. 1, le dispositif comprend un alternateur polyphasé 1 qui est ici, à titre d'exemple nullement limitatif, de type triphasé et dont les enroulements de phases sont connectés à un redresseur en pont 2 comprenant six diodes agencées de façon à effectuer de manière connue la conversion tension alternative tension continue. Dans l'exemple illustré le redresseur en pont est triphasé. Les sorties de ce pont redresseur sont connectées à un condensateur 3 placé en dérivation par rapport à un circuit hacheur 4, dont la sortie est connectée à une inductance 5 reliée à la borne de charge de la batterie 6 et comportant en dérivation, de part et d'autre d'elle, une diode Zener 7 de limitation de surtension coté batterie et une diode 8 passante pour le courant induit à la coupure du hacheur, afin de l'utiliser aussi pour la charge de batterie.Le hacheur 4 est soumis à un dispositif de commande 9, répondant à- la tension instantanée de batterie et à une tension de référence prédéterminée, en vue d'åctionner le hacheur ainsi qu'on le verra plus loin. L'alternateur 1 est un alternateur triphasé à stator bobiné monté en étoile à titre d'exemple. Le stator est formé d'un noyau ferromagnétique 10 composé de tôles montées sur un axe central d'acier amagnétique 11, ce noyau étant pourvu d'encoches 12 recevant les conducteurs de phase de manière usuelle ici non représentée. Le rotor est constitué d'une frette ferromagnétique 13 sur laquelle sont collés des secteurs de ferrite 14 formant des pièces polaires alternativement nord-sud. Ce rotor est ici représenté comme étant octopolaire, à huit secteurs de ferrite s'étendant sur 360 chacun, séparés par des cales amagnétiques 15. Certaines de ces cales sont traversées par des goujons 16 d'acier amagnétique, ici 4 disposés à 900, et servant d'éléments d'assemblage avec deux flasques latéraux 17 et 18 du rotor, lesquels reposent par -l'intermédiaire de roulements 19 sur l'axe 11. Une bride 20, fixée sur l'axe 11, par exemple par vissage, sert de support de fixation de l'alternateur.On peut déjà noter que les avantages d'un tel alternateur sont les suivants : Très faible impédance interne, du fait de la résistance très faible du stator intérieur et du dimensionnement généreux des encoches, ainsi qu'une inductance très faible, car les flux magnétiques traversent des aimants d'épaisseur élevée (notamment supérieure à 10 mm); - possibilité de tourner à la même vitesse que le moteur; - non nécessité d'un refroidissement, car il n'est sujet quDà de faibles pertes électriques et magnétiques; - rotor extérieur de diamètre convenable pour se prêter à un remplacement partiel du volant d'inertie; - possibilité de débiter la charge maximale à basse vitesse grâce aux très faibles impédances internes; - absence de circuit électrique d'excitation, - absence de contacts glissants. Tous ces points contribuent à faire de cet alternateur un générateur à haut rendement, facilement intégrable dans le compartiment moteur et ne nécessitant pratiquement aucune maintenance périodique. Le hacheur 4 et son circuit de commande 9 sont détaillés à la fig. 4. Le hacheur proprement dit est composé à titre d'exemple de deux transistors 21 et 22 formant un montage composite PNP-NPN. Le transistor 21 est un DARLINGTON bipolaire PNP et le transistor 22 un DARLINGTON bipolaire NPN. Ce choix de montage composite des transistors 21 et 22 est inte- ressant en ce qu'il permet de profiter des avantages spé cifiques des transistors du type PNP et NPN.En particulier, l'emploi comme transistor 21 dsun transistor PNP présente les avantages suivants - le transistor est amorçable aisément puisqu'il suffit de lui appliquer une tension base émetteur négative et que la tension d'émetteur étant ici la plus haute tension disponible à tout instant sur le véhicule, la tension de base ne peut que lui être inférieure ou égale; - ce transistor 21 peut être de faible puissance installée par rapport au transistor 22 qu'il commande et de ce fait il se trouve dans une gamme de puissance facilement disponible sur le marché à faible prix. Le transistor NPN 22 présente également l'avantage d'être répandu sur le marché à un faible coût dans sa gamme de puissance. La base du transistor 21 est commandée par l'intermédiaire d'un transistor 23 qui, a l'état passant, impose un courant suffisant pour saturer le transistor 21. Ce transistor 23 est commandé par l'intermedlaire d'un transistor 24 pilotant son circuit de polarisation de base, et dont la propre base est soumise à la tension de sortie d'un comparateur 25. Ce comparateur 25 est un amplificateur différentiel dont l'entrée non inverseuse est reliée par une résistance 26 au curseur d'un potentiomètre 27 intercalé entre un conducteur 28, relié au pôle positif de la batterie par la voie d'un interrupteur 29 correspondant ici à la clé de contact du véhicule, et la masse.L'entrée inverseuse du comparateur 25 est reliée au curseur d'un potentiomètre 30 intercalé entre la masse et un régulateur 31 alimenté par le conducteur 28 et fournissant au potentiomètre une tension de référence Vr. Ces prises potentiométriques sont telles que la tension batterie Vb prise en 27 est comparée à une tension de référence optimale Vr de charge des batteries au plomb, qui est ici choisie pour correspondre à 14,45 volts pour une batterie dite de 12 volts, étant à voir que le régulateur 31 élabore ici une tension Vr de 5 volts destinée à alimenter le circuit électronique, la comparaison tension de référence-tension batterie étant corrigée par les potentiomètres 27-30 pour être représentative des 14,45 volts précités.Ainsi, lorsque l'interrupteur 29 est ouvert, le circuit hacheur 4 est également ouvert c'est-à-dire non conducteur, la commande correspondante 9 n'étant en effet pas alimentée. Lorsque l'interrupteur 29 est fermé et que le moteur est en marche, si la tension appliquée à l'entrée non inverseuse du comparateur 25 est inférieure à la tension de référence appliquée à son entrée inverseuse, la sortie de ce comparateur passe à l'état bas, ce qui polarise à la conduction le transistor 24, lequel polarise à son tour à la conduction le transistor 23, lequel rend conducteur les transistors 21 et 22 du hacheur. Dans ces conditions, la tension d'induit de l'alternateur 1 redressée par le redresseur 2 se trouve appliquée à l'inductance 5 et à la batterie.Il en résulte alors que la tension à l'entrée non inverseuse du comparateur 25 devient rapidement supérieure à la tension de référence appliquée à son entrée inverseuse et que la sortie du compa- rateur passe à l'état haut plus 5 volts De ce fait, le transistor 24 cesse d'être polarisé à la conduction et avec lui le transistor 23, ce qui a pour effet de bloquer les transistors 21 et 22 du hacheur qui se trouve ouvert. Une résistance 32 de réaction relie la sortie du comparateur à son entrée non inverseuse et l'effet de cette résistance avec la résistance 26 est d'introduire une hystérèsis dans le fonctionnement du comparateur, de sorte que celui-ci répond par un basculement pour un écart de tension V en plus ou en moins par rapport à la tension de référence appliquée à son entrée inverseuse.Le hacheur 4 et sa commande 9 effectuent donc bien une transformation haute tension continue-basse tension continue, gracie au découpage par le hacheur'due la tension issue de l'alternateur, découpage piloté par la commande 9 comme on vient de le voir. On dispose ainsi pour les gammes usuelles de vitesses daune tension ers sortie du redresseur 2 suffisamment élevée pour assurer quelle que soit la charge (batterie 6 et consommateurs) un faible courant d'induit avec perte magnétique et par effet Joule faible. Le condensateur 3 à un double râle - il protège les transistors de puissance du hacheur 4 contre les variations-de tension (dV/dt) importantes - Il absorbe l'énergie réactive provenant des enroulements de phase de l'alternateur 9 pendant les séquences d'ouverture du hacheur 4. Il peut être de faible capacité de l'ordre de 50 F) grâce à la faible inductance de l'alternateur et il est donc d'un volume et d'un coût compatibles avec une utilisation sur une automobile. L'inductance 5 a un double rôle - absorber la différence de tension entre la batterie 6 et la tension aux bornes du condensateur 3 lors de la séquence de fermeture du hacheur 4; - empêcher dans la batterie 6 et les consommateurs des discontinuités de courant dommageables et cela grâce à la fermeture de circuit du courant d'induction assurée par la voie de la diode 8 dans les phases d'ouverture-du hacheur, c'est-à-dire de non conduction de celui-ci. Cette inductance peut être ici - d'un encombrement faible et donc d'une intégration facile; - d'une résistance très faible n'entratnant qu'une faible perte par effet Joule; - d'une masse de cuivre très faible d'un coût réduit compatible avec une application automobile. On notera que la diode Zener 7 de protection contre les surtensions assure également la sécurité du dispositif en cas de déconnection volontaire ou non de la borne positive de la batterie 6 lors qu courant circule dans l'inductance 5, le pic de tension r un courant dans en résultant aux bornes de l'inductance pouvant alors être écrété par la diode Zener 7 et par la voie de la diode 8 par laquelle se referme le circuit dudit courant d'induction. On a également représenté à la fig. 5 une structure originale préférée pour la réalisation de l'inductance 5. Cette inductance comprend une carcasse cylindrique en acier magnétique 5a et un noyau cylindrique 5b formant bouchon pour la carcasse et support d'un enroulement 5c comprenant un faible nombre de spires, le noyau étant aussi en acier magne- tique. Ce noyau est sépare du fond de la carcasse par un faible entrefer 5d. Ceci conduit en régime magnétique linéaire à une réluctance R très faible. Comme le coefficient de self-inductance est L = n2jR, dans lequel n est le nombre de spires de l'enroulement, on voit que pour ante valeur de L donnée n sera d'autant plus petit que R est faible. Le nombre de spires n étant faible, la résistance et la masse de l'enroulement sont faibles et l'encombrement de l'inductance est relativement réduit. On peut choisir un coefficien-t de self-inductance L tel que la fréquence de fonctionnement du hacheur 4 n'engendre pas de bruit audible ni de perte importante par commutation. Bien entendu de nombreuses variantes peuvent être apportées à un tel ensemble sans pour autant sortir du domaine de l'invention. REVENDICATIONS 1. Dispositif générateur d'énergie électrique pour véhicule, à alternateur polyphasé-et régulateur de tension, caractérisé en ce que l'alternateur (1) est à stator central bobiné à enroulements de phases et à rotor périphérique à aimants permanents d'excitation, lesdits enroulements de phases étant connectés à un redresseur en pont (2), dont la sortie est connectée à un condensateur (3) en dérivation par rapport au régulateur, qui comprend un circuit hacheur (4) dont l'entrée est asservie à l'état de sortie d'un comparateur (25) à deux entrées répondant à la tension instantanée aux bornes de la batterie et à une tension de référence prédéterminée1 la sortie du hacheur étant connectée à une inductance (5) reliéeà une borne de charge de la batterie et comportant, en dérivation de part et d'autre d'elle-même, une diode Zener (7) de limitation de surtension côté batterie et une diode (8) passante pour utiliser le courant induit à la coupure du hacheur pour la charge de la batterie. 2. Dispositif générateur d'énergie électrique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le stator (10) de l'alternateur (1) est composé de tôles encochées contenant les enroulements de phase et fixées sur un axe central ( d'acier amagnétique, le rotor étant constitué d'une frette ferromagnétique (13) dans laquelle sont collés des secteurs de ferrite en nombre pair aimantés alternativement Nord-Sud, sépares par des cales amagnétiques (15), dont certaines sont percées de trous recevant des organes d'assemblage (16) en acier amagnétique maintenant deux flasques latéraux (17, 18) d'assemblage de l'ensemble, qui reposent sur des roulements solidaires de l'axe central (11)- précité. 3. Dispositif générateur d'énergie électrique selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le hacheur de tension (4) est constitué de deux transistors DARLINGTON, l'un bipolaire PNP (21) et l'autre bipolaire NPN (22) formant un montage composite où la base du transistor NPN est reliée au collecteur du transistor PNP, l'émetteur de ce dernier étant relié au collecteur du transistor NPN et au pôle plus du condensateur prcité Ç3), et l'émetteur du transistor NPN étant relié à la cathode de la diode (8) et à l'inductance (5), la base du transistor PNP formant entrée de commande du hacheur. 4. Dispositif générateur d'énergie électrique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la commande (9) du hacheur comprend au moins un transistor (23) dont la base est polarisée selon l'état de sortie du comparateur (25), celui-ci ayant une hystérésis fixée par une boucle de réaction de sorte que sa sortie passe d'un niveau haut à un niveau bas pour un écart de tension V des deux tensions précitées appliquées à ces entrées, l'état de tension batterie inférieure à ladite tension de référence correspondant à une commande de fermeture du hacheur et l'état inverse correspondant à une commande d'ouverture du hacheur. 5. Dispositif générateur d'énergie électrique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'inductance (5) est composée d'une carcasse d'acier ferromagnétique cylindrique recevant un noyau d'acier ferroma gnétique formant bouchon de la carcasse et support d'enroulement conducteur bobiné entre carcasse et noyau, un entrefer axial (5d) étant prevu entre carcasse et noyau au niveau de l'axe de révolution de l'inductance.