Brevet FR2646572A1 — publié le 19901102

Machine électrique autosynchrone 8 flux contrôlé L'invention concerne une machine électrique susceptible de transformer de l'énergie électrique en énergie mécanique, constituée d'un stator, ou induit, dont les bobinages sont alimentés en courants polyphasés, d'un rotor créant un champ inducteur et d'un capteur de vitesse ou de position couplé au rotor. Le problème posé consiste ê obtenir à l'aide d'une seule machine une vitesse élevée a faible couple et un couple élevé à faible vitesse, la machine étant alimentée sous une tension continue faible ( La machine électrique doit permettre d'obtenir une caractéristique couple/vitesse précise, essentiellement tournée vers la motorisation d'engins mobiles à source d'énergie embarquée. Autrement dit, cette machine électrique doit être capable - de déplacer des engins mobiles autonomes de petites ou moyennes dimensions sur tout type de terrains : en terrain plat - où il faut une vitesse relativement importante - ou en escaliers par exemple ou il faut un couple important pour une vitesse faible; - d'effectuer une fonction de positionnement, par exemple positionner un bras de robot. Les engins concernés sont par exemple des fauteuils pour handicapés, des chariots de manutention, des robots mobiles ... cette liste n'est évidemment pas exhaustive. On connait des machines à courant continu et à aimants permanents dans lesquelles le stator est muni d'aimants permanents, le rotor tournant dans le champ statorique est constitué d'une armature bobinée et le courant continu (fourni par des batteries par exemple) est amené au rotor par un ensemble de balais collecteurs (formant un collecteur dit mécanique). Cependant, ces machines posent des problèmes au niveau de l'asservissement en position. La force électromotrice E dans ces machines est proportionnelle à la vitesse de rotation n du rotor : E = K n et le couple C est proportionnel à l'intensité I du courant dans la machine: C = machine : C = K+I I avec la même constante de proportionnalité K. Un autre problème, bien connu, existe lorsqu'on ne dispose que d'une tension faible qui apparaît lors d'une phase de fonctionnement en mode propulsion, c'est-à-dire lorsqu'on dispose de vitesse relativement grande avec un faible couple. Pour augmenter le couple, il faudrait augmenter l'intensité du courant, ce qui produirait un échauffement par effet Joule inacceptable (la machine n'étant pas capable de dissiper la chaleur), ou un encombrement et un poids trop importants. C'est le cas des chariots élévateurs par exemple qui roulent à plat sans problème mais ne peuvent tolérer en montée des pentes de plus de 3 %. Habituellement, on résout ce problème en rajoutant un secondmoteur ou une boite de vitesses. I1 est des cas où une telle solution ne convient pas, par exemple lorsqu'on ne veut pas augmenter le poids du véhicule. De plus, le collecteur mécanique est volumineux et est mal adapté à des dispositifs de taille réduite et à fort couple. Les machines autosynchrones à aimants permanents permettent d'éviter une partie de ces inconvénients : elles autorisent un positionnement précis, évitent l'emploi de balais collecteurs, mais elles n'offrent pas davantage les caractéristiques couplelvitesse adaptées pour le déplacement des véhicules mobiles sur des terrains variés lorsque la tension d'alimentation est faible et lorsque la source d'énergie est embarquée. De telles machines comportent - un stator bobiné alimenté en courants polyphasés, - un rotor constitué d'un aimant permanent, - des capteurs de la vitesse n et de la position e du rotor, et - un système de commande associé ô un convertisseur électronique de puissance'pour obtenir les courants polyphasés à partir du courant continu fourni par les batteries. La fréquence f de ces courants impose la vitese de rotation du rotor, et l'intensité IS du courant statorique dépend de l'état de charge de la machine, lequel correspond au couple demandé pour réaliser le fonctionnement. Les consignes de courants polyphasés sont calculées de façon à maintenir un angle constant entre le champ statorique et le champ rotorique (angle interne ). Des réalisations courantes imposent de maintenir ces deux champs en quadrature afin de recréer un fonctionnement du type "moteur à courant continu". Pratiquement, un capteur au moins est disposé au niveau de la machine pour mesurer la vitesse n et/ou la position 8 du rotor. Lorsqu'unie seule mesure est faite, l'autre est déduite par le calcul. I1 est cependant préférable d'obtenir les deux mesures. Le système de commande produit des consignes CISi d'intensité du courant statorique, dont l'amplitude est calculée à partir de l'erreur de vitesse En (écart entre la consigne de vitesse CN et la vitesse n mesurée), et dont la phase est calculée de façon à maintenir le champ créé par ces courants généralement en quadrature avec le champ rotorique. Les consignes CISi (i désignant les phases respectives des courants polyphasés) sont fournies au convertisseur électronique de puissance qui délivre alors les courant polyphasés correspondants au stator. L'objet de l'invention est une machine électrique alimentée sous tension continue comportant un rotor alimenté en courant continu. De façon caractéristique, le champ inducteur créé par le rotor est variable en fonction d'au moins un paramètre de fonctionnement du moteur et d'une loi de commande établissant une relation de dépendance entre une consigne d'intensité du courant dans le rotor et ledit paramètre de fonctionnement, ladite loi pouvant entre déterminée par l'opérateur en fonction de l'application choisie. Avantageusement, le paramètre de fonctionnement est une consigne de vitesse de rotation du rotor et/ou une mesure de l'intensité du courant statorique. Il convient d'associer à la machine ainsi définie un système de commande destiné à faire varier le flux rotorique par asservissement de l'intensité du courant rotorique à la caractéristique couple/vitesse, selon ladite loi de commande. De plus, un convertisseur électronique de puissance est de préférence associé au système de commande, afin de produire le courant rotorique en fonction de la consigne d'intensité de courant délivrée par le système de commande. Enfin, la consigne d'intensité du courant rotorique est élaborée, de façon avantageuse, en fonction de l'un au moins des paramètres suivants : la consigne de vitesse ou la vitesse du rotor, la consigne d'intensité statorique ou l'intensité statorique, la consigne de couple ou le couple et la consigne de position ou la position du rotor par rapport au stator. D'autres particularités et avantages de l'invention ressortiront de la description qui va suivre, en regard des dessins annexés, d'exemples de réalisation non limitatifs. La figure 1 représente en perspective schématique une machine selon l'invention. La figure 2 est une coupe transversale faite à travers la machine de la figure 1. La figure 3 représente, en coupe transversale, le rotor d'une machine dans une variante de réalisation. Les figures 4A, 4B et 4C représentent schématiquement le système de commande d'une machine selon l'invention dans trois variantes de réalisation. Les figures 5a à 5e sont des représentations graphiques de lois de commande de l'intensité du courant rotorique créant le champ inducteur variable. On voit sur les figures 1 et 2 une machine destinée à assurer la motorisation d'un engin mobile. Elle comporte un stator 1 muni d'enroulements dans lesquels passent des courants polyphasés IS, le nombre de ces enroulements étant égal au nombre i de phases, et un rotor 2 monté sur un arbre 3 et comportant un enroulement inducteur parcouru par un courant continu IR. Dans le présent exemple, le rotor comporte un enroulement simple 5 à une paire de piles et le stator 1 est composé de trois enroulements 1.1, 1.2, 1.3 disposés à 60C et alimentés en courant triphasé. Comme le montre la figure 3, le rotor peut comporter un enroulement 5' créant plusieurs paires de pâles, ici deux paires croisées à angle droit, le stator (non représenté) étant alors équipé d'un enroulement triphasé à deux paires de pâles.Chaque pôle du rotor peut être muni d'un aimant permanent 4 dont le champ magnétique se conjugue avec celui que crée l'enroulement 5, de sorte que le champ inducteur global présente une valeur minimale non nulle en l'absence de courant d'excitation dans le bobinage du rotor. Le courant continu nécessaire à l'alimentation de la machine est fourni par exemple par une batterie montée à bord de l'engin mobile I1 est amené au rotor de manière avantageuse par des contacts glissants connus, mais tout autre moyen de transmission de l'énergie au rotor peut convenir (transformateur tournant, liaison optique de puissance, etc). Les figures 4A à 4C représentent le système de commande, dans trois variantes, de l'ensemble 9 composé du stator 1 et du rotor 2 tels que décrits précédemment. La mesure du courant rotorique MIR est fournie par un capteur 10 et la mesure du courant statorique MIS par un capteur 12, tandis qu'un capteur 11 mesure la position angulaire e ou la vitesse de rotation n du rotor 2. Le courant statorique polyphasé ISi est fourni au stator 1 par un convertisseur électronique de puissance 15 à partir du courant mesuré MIS et d'une consigne de courant CISi délivrée par un circuit de commande 13. Le courant rotorique continu IR est fourni au rotor 2 par un convertisseur électronique de puissance 16 à partir du courant mesuré MIR et d'une consigne de courant CIR délivré par un circuit de commande 14.Le convertisseur électronique de puissance 15, qui est une source de courants sinusoidaux 9 découpage utilisant une technique d'échantillonnage naturel, et le convertisseur 16, qui fait appel à un dispositif dit "régulateur à fourchette", reçoivent ainsi les consignes de courant CISi et CIR d'un ensemble de commande 7 composé des circuits 13 et 14. Le système de commande traite les informations délivrées par les capteurs selon des lois de commande pour fournir aux convertisseurs électroniques de puissance des signaux de consigne CIR, CISi indicatifs de l'intensité du courant à injecter dans le rotor et le stator, respectivement. Les convertisseurs électroniques de puissance fournissent le courant souhaité aux enroulements de la machine. Plus précisément, les informations nécessaires au pilotage du courant du stator (6 et n) sont obtenues à partir du capteur 11 disposé au niveau du rotor pour mesurer l'une au moins des grandeurs mécaniques suivantes : la position e du rotor, sa vitesse n, son couple C. La mesure d'une seule grandeur suffit, les autres pouvant en être déduites par le calcul. La réalisation la plus simple consiste à mesurer e et à calculer n et C si besoin est. Le circuit de commande 13 détermine la phase des courants polyphasés du stator à partir des signaux délivrés par le capteur 11 et, éventuellement, du capteur 12, cette dernière disposition permettant de faire varier l'angle interne y entre les champs statorique et rotorique (voir àce sujet le brevet français nO 79 15 809). Dans ce dernier cas, l'angle interne est asservi non seulement à la position du rotor (machine autosynchrone classique) mais aussi au couple et à la vitesse de la machine. Le circuit de commande 13 détermine en outre l'amplitude desdits courants statoriques à partir de l'écart entre la vitesse n du rotor et la consigne de vitesse CN. Finalement, il délivre un signal de consigne CISi comportant les informations de phase et d'amplitude nécessaires à la production par le convertisseur 15 des courants statoriques ISi convenables. Le circuit de commande 14 fournit la consigne d'intensité rotorique CIR conformément à une ou à plusieurs lois t?IR prédéterminées, la consigne CIR pouvant dépendre - de la consigne de vitesse CN ou de la vitesse n du rotor, - de la consigne d'intensité statorique CISi ou de l'intensité statorique mesurée MIS, - de la consigne de couple CC ou de couple C, - de la consigne. de position angulaire C8 ou de la position angulaire e du rotor. Dans les exemples représentés, la consigne CIR est fonction de la consigne de vitesse CN (figure 4A), du courant statorique mesuré MIS (figure 4B) ou de ces deux paramètres au choix (figure 4C), suivant une loi de commande t:IR prédéterminée. Les figures 5a à 5e donnent des exemples de telles lois de commande, qui ont pour effet de faire varier le coefficient Kf de proportionnalité entre la vitesse > n du rotor et la force électromotrice E, par variation de l'intensité du courant rotorique, afin d'honorer les différents points de fonctionnement imposés. Ces lois sont choisies essentiellement en fonction des contraintes technologiques dont la machine est l'objet et, par suite, de l'application choisie. Dans le cas des lois représentées aux figures 5a et 5b, l'intensité du courant continu injecté dans le rotor (commandée par la consigne CIR) est fonction de la consigne de vitesse CN du rotor. Soit à honorer, sous une tension d'alimentation continue U donnée, deux points de fonctionnement M1 et M2 correspondant à des valeurs respectives n1, C1, P1 et n2, C2, P2 de la vitesse de rotation n, du couple C et de la puissance P. Le point M correspond à un couple important pour une vitesse faible et le point M2 a une vitesse importante pour un couple faible. Les coefficients K1 et K2 correspondants peuvent en être déduits par le calcul, ce qui permet d'imposer des consignes d'intensité dans le rotor CIR1 et CIR2 correspondant respectivement auxdits coefficients. On déduit également par le calcul les consignes de vitesse CN1 et CN2 fixant les vitesses ou le flux rotorique doit varier. Dans le cas particulier de la figure 5b, trois zones de fonctionnement sont ainsi définies - de O à CN1 : le flux rotorique est constant, le coefficient K est maximum et le pilotage de vitesse est assuré par le courant statorique sous la commande du circuit 13; c'est par exemple une phase de positionnement ou de montée d'escalier pour l'engin, correspondant à un fort couple et à une faible vitesse; - de CNl à CN2 : le flux rotorique et le coefficient varient; le pilotage est obtenu par la commande du courant rotorique à l'aide du circuit 14; - au delà de CN2 : le flux rotorique est constant et le coefficient Kp minimum; le pilotage est de nouveau assuré par la commande du courant statorique; c'est par exemple une phase de progression de l'engin en terrain plat, correspondant à une grande vitesse et à un faible couple. Une analyse similaire pourrait être faite pour la loi de commande illustrée à la figure 5a, avec cette différence que la variation du flux rotorique est ici brutale au niveau des valeurs de consigne CN1, CN2, au lieu de s'effectuer progressivement suivant un segment linéaire de pente finie. Les figures 5c, 5d et 5e montrent des lois de commande 'eIR selon lesquelles la consigne d'intensité rotorique CIR est fonction de l'intensité mesurée MIS dans le stator. La loi de la figure 5c, où la consigne d'intensité rotorique CIR varie proportionnellement au courant statorique mesuré MIS, correspond à la caractéristique classique d'une machine série. Elle est intéressante en ce qui concerne la propulsion de l'engin, mais défavorable relativement à la fonction de positionnement.Les lois des figures 5d et 5e remédient à cet inconvénient, par la création d'un palier horizontal au-dessous d'une valeur MIS1 et au-dessus d'une valeur MIS2 > MIS1 du courant statorique MIS, le palier inférieur correspond à un régime de grande vitesse à faible couple et le palier supérieur à un régime de faible vitesse et de fort couple. Dans le cas de la figure 5e, le palier inférieur est interrompu à une valeur MIS3 L'homme de l'art peut imaginer d'autres lois de commande t~IR, en veillant toutefois à ce qu'elles ne conduisent pas à un courant rotorique excessif susceptible d'endommager la machine. Les lois de commande choisies peuvent etre obtenues par voie analogique et/ou par voie numérique. I1 va sans dire que toute autre consigne ou loi supplémentaire peut être introduite dans le système de commande pour agir sur l'engin; par exemple, arrêt à tel moment, à tel endroit, etc Revendications 1. Machine électrique susceptible de transformer de l'énergie électrique en énergie mécanique, constituée d'un stator (1), ou induit, dont les bobinages sont alimentés en courants polyphasés, d'un rotor (2) créant un champ inducteur et d'un capteur (11) de vitesse (n) ou de position (6) couplé au rotor, caractérisé par le fait que le rotor comporte un bobinage (5) alimenté en courant continu (IR) variable de sorte que le champ inducteur créé par le rotor (2) varie en fonction d'au moins un paramètre de fonctionnement du moteur suivant une loi de commande (tIR) établissant une relation de dépendance entre une consigne (CIR) d'intensité du courant (IR) dans le rotor et ledit paramètre de fonctionnement. 2. Machine électrique selon la revendication 1, caractérisée par le fait que ledit paramètre de fonctionnement du moteur est une consigne de vitesse (CN) de rotation du rotor. 3. Machine électrique selon la revendication 1, caractérisée par le fait que ledit paramètre de fonctionnement du moteur est l'intensité du courant statorique (MIS) mesurée par un capteur (12) associé au stator (1). 4. Machine électrique selon la revendication 1, caractérisée par le fait que ledit paramètre de fonctionnement est une consigne de vitesse (CN) et/ou l'intensité du courant statorique (MIS) mesurée par un capteur (12) associé au stator (1). 5. Machine électrique selon l'une des revendications précédentes, caractérisée par le fait qu'elle comporte un circuit de commande (14) destiné à faire varier le flux rotorique selon ladite loi de commande tIR), qui délivre une consigne (CIR) å un convertisseur électronique de puissance (16), lequel produit le courant rotorique (IR) ô partir de ladite consigne (CIR). 6. Machine électrique selon l'une des revendications précédentes, caractérisée par le fait que la consigne (CIR) est élaborée en fonction de l'un au moins des paramètres suivants - la consigne de vitesse (CN) ou la vitesse (n) du rotor (2), - la consigne d'intensité statorique (CIS) ou l'intensité statorique mesurée (MIS), - la consigne de couple (CC) ou le couple (C), et - la consigne de position (cob) ou la position (6) du rotor (2) par rapport au stator (1),