Brevet FR2713997A1 — publié le 19950623

Dispositif de changement de vitesse électromasnétisue Pour véhicules automobiles. La présente invention concerne de manière générale les véhicules automobiles et, plus particulièrement, les véhicules équipés de moteurs électriques de traction couplés mécaniquement aux roues du véhicule. Le problème sans cesse croissant de la pollution importante de l'atmosphère est une des raisons essentielles à l'origine des efforts de recherche réalisés dans le domaine des véhicules électriques. Les progrès dans ce domaine sont principalement freinés par le fait que l'on ne dispose pas actuellement de moyens de stockage de l'énergie électrique suffisamment performants. Malgré les progrès considérables réalisés ces dernières années dans le domaine des accumulateurs, ces dispositifs présentent des rapports d'énergie/masse et des rendements de charge/décharge qui restent trop faibles pour permettre d'aboutir à des véhicules électriques offrant des performances comparables aux véhicules à moteur thermique, notamment en ce qui concerne l'autonomie. Par ailleurs, la mise en place d'une infrastructure adaptée pour les véhicules électriques suppose des investissements considérables. Ces inconvénients expliquent le fait que les véhicules électriques trouvent aujourd'hui leur application surtout sur des sites industriels ou, de manière plus générale, sur un espace relativement peu étendu et sous la forme de véhicules utilitaires. LLextension de leur application vers le grand public apparait comme difficile ailleurs que dans les zones urbaines. Une autre voie de recherche est celle des véhicules mixtes, c'est-à-dire généralement équipés de moyens de traction sous la forme d'un ou plusieurs moteurs électriques et disposant également d'un moteur thermique qui puisse prendre le relais lorsque la charge des accumulateurs est épuisée. Des progrès sont encore à réaliser pour aboutir à des véhicules satisfaisants comparables en terme de coûts et de performances aux véhicules classiques. Les véhicules mixtes sont également confrontés aux problèmes d'un poids qui est important et d'un bilan énergétique qui est à améliorer. Néanmoins, les résultats obtenus sont prometteurs et il est utile d'apporter des solutions nouvelles contribuant au développement de ces techniques. Le demandeur de la présente demande est l'inventeur d'une demande de brevet français n093.08708 déposé le 15 Juillet 1993, et intitulée "Démarreur auxiliaire pour véhicules automobiles". Cette demande divulgue un démarreur comprenant un rotor, qui est constitué par le volant d'inertie d'un moteur à explosion auquel est associé le Démarreur, et d'un stator sous la forme de plusieurs pôles. Dans une forme de réalisation préférée, lesdits pôles du stator sont répartis sur un angle d'environ 300 en regard de la circonférence du rotor-volant d'inertie qui est entourée d'une couche solidaire constituée d'un matériau très bon conducteur électrique. Ce démarreur fait appel aux principes de fonctionnement d'un moteur linéaire. Il est apparu au demandeur qu ' autour de cette structure de base "rotor-volant d'inertie et stator type moteur linéaire" il est possible de bâtir un dispositif de changement de vitesse électromagnétique performant et présentant des avantages certains en termes de réduction de poids et de bilan énergétique. La présente invention vise donc à fournir un dispositif de changement de vitesse électromagnétique du type ci-dessus. A cette fin, un dispositif de changement de vitesse électromagnétique pour véhicule automobile selon l'invention comprend des moyens électromagnétiques couplés mécaniquement à un moteur thermique équipant ledit véhicule et adaptés à un volant dudit moteur pour produire une tension électrique à partir d'une énergie mécanique fournie par ledit moteur thermique et des moyens à moteur électrique recevant ladite tension électrique pour fournir en sortie une énergie mécanique destinée à la traction du véhicule, et est caractérisé en ce qu'il comprend également des premiers moyens associés auxdits moyens électromagnétiques pour permettre auxdits moyens électromagnétiques d'adapter ladite tension électrique fournie auxdits moyens à moteur électrique en fonction d'un rapport de vitesse sélectionné parmi différents rapports de vitesse prévus pour la traction du véhicule. Selon une forme préférée de réalisation du dispositif selon l'invention, lesdits différents rapports de vitesse sont au nombre de 4, un premier rapport de vitesse étant égal à 1/4 par rapport à une prise directe, un second rapport de vitesse étant égal à 1/2 par rapport à ladite prise directe, un troisième rapport de vitesse étant égal à 3/4 par rapport à ladite prise directe, et un quatrième rapport de vitesse étant égal à 1 et correspondant donc à ladite prise directe. Selon une autre caractéristique, le dispositif selon l'invention comprend des seconds moyens associés auxdits moyens électromagnétiques pour permettre auxdits moyens électromagnétiques de fonctionner en démarreur et de faire démarrer ledit moteur à explosion. Selon encore une autre caractéristique, le dispositif selon l'invention est caractérisé en ce que lesdits moyens associés comprennent un rotor formant ledit volant d'inertie et constitué à sa circonférence d'un conducteur électrique, un stator qui est formé d'une pluralité de pôles disposés autour dudit stator et connectés en série en une boucle fermée et des moyens de connexion reliés auxdits pôles pour permettre différentes configurations de connexion desdits pôles. Le dispositif selon 1 invention présente de nombreux avantages. Par exemple, les moyens électromagnétiques et les moyens associés inclus dans le dispositif selon l'invention ont un rendement à pleine charge qui est de l'ordre de 85%. Toutefois, la perte énergétique de 15% est largement compensée dans le bilan énergétique global du véhicule du fait de la suppression de l'alternateur, du démarreur, de la boîte de vitesse, de l'embrayage. La suppression de l'embrayage est particulièrement avantageuse en circulation urbaine. De plus, dans le cas d'une transmission par propulsion, les moyens à moteur électrique peuvent être montés en entrée du pont, ce qui permet de supprimer le classique arbre de transmission. Par ailleurs, le dispositif selon 1 invention permet, en outre, un gain de poids appréciable, ce qui contribue également à l'amélioration des performances du véhicule et notamment à la diminution de sa consommation en carburant. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description suivante de plusieurs exemples de réalisations préférées faite en référence aux dessins annexés dans lesquels la figure 1 est un bloc-diagramme montrant la structure générale d'un dispositif selon 1 invention; et la figure 2 est une représentation schématique d un générateur-démarreur inclus dans un dispositif de changement de vitesse selon l'invention. En référence à la figure 1, le dispositif de changement de vitesse électromagnétique 1 selon l'invention comprend essentiellement un dispositif générateur-démarreur 10, au moins un moteur électrique 11 et une unité de commande 12. Le dispositif générateur-démarreur 10, décrit ci-après plus en détail en référence à la figure 2, est couplé mécaniquement à un moteur thermique 2 et est relié électriquement au moteur électrique de traction 11 à travers une liaison triphasée 3 Ph. Le dispositif générateur-démarreur 10 reçoit des signaux de commande SC fournis par l'unité de commande 12. Le dispositif générateur-démarreur 10 délivre en sortie, sur la liaison 3 Ph, une tension triphasée 3V qui est appliquée au moteur électrique 11. Cette tension 3V dépend en amplitude notamment de l'état des signaux de commande SC et du régime du moteur thermique 2. L'état des signaux de commande SC détermine un mode de fonctionnement du dispositif 10, en générateur ou en démarreur et, lorsque le mode "générateur" est sélectionné, l'état des signaux SC sélectionne également le rapport de vitesse RV qui est appliqué dans le dispositif 1 selon l'invention. Le moteur électrique de traction 11 est un moteur de type asynchrone comprenant un rotor couplé mécaniquement à des organes d'entraînement (non représentés) du véhicule et un stator ayant un bobinage auquel est fournie la tension 3V produite par le dispositif 10. La tension 3V est appliquée soit directement au bobinage du stator, soit à travers des dispositifs de régulation de charge (non représentés) par exemple disposés en série entre le dispositif 10 et le moteur électrique 11. Selon l'invention, il peut être prévu un signal indicateur de charge IC qui est produit au niveau du moteur électrique 11 ou au niveau desdits dispositifs de régulation de charge et qui est fourni à l'unité de commande. Cette dernière disposition vise à permettre la détection d'une éventuelle surcharge du moteur électrique 11 et une adaptation automatique du rapport de vitesse RV à travers une commande adéquate de l'unité 12. L'unité de commande 12 est, par exemple, constituée essentiellement d'un microprocesseur ou micro-calculateur et de moyens de conversion analogique-numérique. L'unité a pour fonction principale de produire et fournir les signaux de commande SC en fonction de signaux d'entrée constitués notamment du signal indicateur de charge IC, de signaux issus d'organes de commande OC du véhicule et de capteurs ou instruments CI équipant le véhicule. Dans l'unité de commande 12 est implanté un algorithme de traitement qui définit de manière optimale l'état des signaux de commande SC et, donc, le rapport de vitesse RV sélectionné, en fonction des états et valeurs des différents signaux d'entrée indiqués ci-dessus. En référence maintenant à la figure 2, le dispositif générateur-démarreur comprend essentiellement un rotor 100, un stator 101, un circuit de commutation et de commande 102 et une génératrice triphasée 103 constituant des moyens auxiliaires de génération de courant. Le dispositif 10, comme cela est souvent le cas dans le domaine électrochimique, est un dispositif réversible générateur/moteur. Dans son mode de fonctionnement "générateur", le dispositif 10 convertit l'énergie mécanique fournie par le moteur thermique 2 en une énergie électrique qui est fournie au moteur électrique de traction. Dans son mode de fonctionnement "moteur", le dispositif 10 fait office de démarreur électrique pour le moteur à explosion 2. Le fonctionnement du dispositif 10 démarreur est décrit dans la précédente demande de brevet français commentée ci-dessus en préambule dans l'exposé de la technique antérieure, et ne sera pas détaillé dans la présente demande. Le lecteur se reportera donc utilement à la précédente demande pour de plus amples informations. Le rotor 100 peut être constitué par le volant d'inertie du moteur thermique 2. Le volant est alors prévu afin de comprendre à sa circonférence une couche 1001 d'un matériau très bon conducteur électrique tel que du cuivre. Ladite couche est fixée solidairement au rotor-volant. Le stator 101 comprend une pluralité de N=36 bobines ou pôles S1 à S36 qui sont disposés régulièrement autour de la circonférence du rotor 100 et sont reliés en série en une boucle fermée. Dans cette forme de réalisation préférée, les pôles sont donc au nombre de N=36. Cependant, d'autres configurations avec un nombre N différent de pôles sont possibles et permettent de dimensionner et d'adapter le dispositif 1 de l'invention à différentes contraintes et pour différentes caractéristiques recherchées. Comme représenté à la figure 2, les pôles S1 à S36 du stator 101 sont accessibles par groupe de douze. Douze bornes de connexion C1 à C12 sont prévues et correspondent respectivement à douze points de connexion entre les pâles. Ainsi, la borne C1 correspond au point de connexion entre les pôles S36 et S7; la borne C2 correspond au point de connexion entre les pôles S3 et S4; la borne C3 correspond au point de connexion entre les pôles S5 et S6; et ainsi de suite jusqu'à la borne C12 qui correspond au point de connexion entre les pôles S33 et S34. Les bornes C1 à C36 sont reliées respectivement à travers un faisceau de connexion L de N13 = 12 conducteurs à des bornes de connexion correspondantes du circuit de commutation et de commande 102. Le circuit de commutation et de commande 102, outre sa connexion au faisceau L, est également connecté au moteur électrique de traction 11 à travers la liaison 3 Ph et à la génératrice triphasée 103. Les signaux de commande SC délivrés par l'unité de commande 12 sont appliqués à des entrées correspondantes du circuit de commutation et de commande 102. Le circuit 102 a pour fonction principale de gérer les connexion des pôles S1 à S36 du stator 10 de façon adaptée et cela en fonction du mode de fonctionnement et du rapport de vitesse RV qui sont indiqués par les signaux de commande SC. A cette fin, le circuit 102 comprend des moyens de commutation électroniques et/ou électrochimiques. En mode "démarreur", le circuit 102 relie les pôles S1 à S36 du stator 101 à la génératrice triphasée 103 qui, par exemple sous la forme d'un onduleur triphasé alimenté par une batterie d'accumulateurs du véhicule, fournit le courant nécessaire à l'actionnement du dispositif 10 afin d'entrainer et de faire démarrer le moteur thermique 2. La liaison 3 Ph est donc électriquement déconnectée des pôles S1 à S36. On notera que, dans le cas de la présente demande de brevet, et contrairement à la demande précédente mentionnée plus haut, les pôles S1 à S36 sont disposés sur toute la circonférence autour du rotorvolant 100. Le dispositif 10 fonctionne comme un démarreur principal et est apte à assurer le démarrage du moteur thermique pour toute condition normale de fonctionnement. En mode "générateur", le circuit 102 peut relier les pôles S1 à S36 à la liaison 3 Ph selon différentes configurations de connexion qui correspondent respectivement aux différents rapports de vitesse RV. Par ailleurs, dans ce mode de fonctionnement, afin que le dispositif 10 puisse effectivement fonctionner en générateur de courant, il est nécessaire qu'une puissance réactive d'excitation Q soit fournie au dispositif 10. Cette puissance réactive Q peut être obtenue, comme pour un moteur asynchrone classique, au moyen de condensateurs C dont la capacité est donnée classiquement, par l'égalité: C = 1/ [2 (E2 /Q)] o Q étant la puissance réactive à fournir, i la fréquence, E la tension, et C la capacité en pF. Une autre possibilité est de fournir cette puissance réactive C à partir d'une génératrice excitatrice triphasée de faible puissance et qui peut être constitué ici de la génératrice triphasée 103 connectée alors aux pôles du stator de manière adaptée par le circuit de commutation et de commande 102. Rappelons, comme il est connu, que le dispositif 10, de manière analogue à un moteur asynchrone classique, génère du courant lorsqu'il est en survitesse par rapport à la fréquence apparaissant dans l'égalité ci-dessus. Les différentes configurations de connexion des pôles S1 à S36 afin d'obtenir les différents rapports de vitesse RV correspondants sont maintenant décrits, toujours en référence principalement à la figure 2. Le nombre de rapports de vitesse RV disponible dans cette forme de réalisation préférée est de quatre et sont désignés respectivement RV1, RV2, RV3 et RV4. Le rapport de vitesse RV1, rapporté à la prise directe orrespondant au rapport RV4 = 1, est égal à 1/4. Le rapport RV1 = 1/4 correspondant à une configuration de connexion CONF1 est obtenu en réalisant les connexions suivantes entre les bornes de connexion C1 à C12 et les trois conducteurs de phase, repérés Phl, Ph2 et Ph3, de la liaison 3 Ph Bornes Phases C1 Ph 1 C2 Ph 2 C3 Ph 3 C4 Ph 2 C5 Ph 1 C6 Ph 2 C7 Ph 3 C8 Ph 2 C9 Ph 1 C10 Ph 2 Cl 1 Ph 3 Cl 2 Ph 2 Le rapport de vitesse RV2 rapporté à la prix directe est égal à 1/2. Les connexions suivantes, correspondant à une configuration de connexion CONF2 doivent être réalisées afin d'obtenir ce rapport RV2 = 1/2 Bornes Phases C1 Ph 1 C3 Ph 3 C5 Ph 3 C7 Ph 2 C9 Ph 1 Cl 1 Ph 2 Le rapport de vitesse RV3 rapporté à la prise directe est égal à 3/4. Les connexions suivantes, correspondant à une configuration de connexion CONF3, doivent être réalisées afin d'obtenir ce rapport RV3 = 3/4. Bornes Phases CI Ph 1 C4 Ph 2 C7 Ph 3 C10 Ph 1 Le rapport de vitesse RV4 = 1 est obtenu en réalisant les connexions suivantes correspondant à une configuration de connexion CONF4. Bornes Phases C1 Ph 1 C5 Ph 2 C9 Ph 3 En réalisant les configurations de connexion ci-dessus, on obtient pour le rapport RV1 : 12 groupes parallèles de 3 pôles en série chacun; pour le rapport RV2: 6 groupes parallèles de 6 pôles en série chacun; pour le rapport RV3 : 4 groupes parallèles de 9 pôles en série chacun; et pour le rapport RV4: 3 groupes parallèles de 12 pôles en série chacun. Si on considère les amplitudes de la tension triphasée 3V fournies par le dispositif 10 lorsque celui-ci fonctionne en générateur, pour les rapports de vitesse RV1 à RV4, respectivement, et si A est l'amplitude correspondant au rapport en prise directe RV4 = 1, pour le rapport RV1 = 1/4: l'amplitude correspondante est de 4A; pour le rapport RV2 = 1:2: l'amplitude correspondante est de 2A; et pour le rapport RV3 = 3/4: l'amplitude correspondante est de (4/3) A. Cet échelonnement de Rvl = 1/4, RV2 = 1/2, RV3 = 3/4 et RV4 = 1 est suffisant, compte-tenu qu ' un moteur asynchrone est un bon convertisseur de couple pour des glissements de 80% par rapport à la vitesse de synchronisation du moteur. Par ailleurs, selon une variante de réalisation, le moteur électrique de traction 11 comprend un stator du type démarreur auxiliaire tel que décrit dans ladite précédente demande commentée en préambule. REVENDICATIONS 1. Dispositif de changement de vitesse électromagnétique pour véhicule comprenant des moyens électromagnétiques (10) couplés mécaniquement à un moteur thermique (2) équipant ledit véhicule et adaptés à un volant d'inertie dudit moteur pour produire une tension électrique (3V) à partir d'une énergie mécanique fournie par ledit moteur thermique (2) et des moyens à moteur électrique (11) recevant ladite tension électrique (3V) pour fournir en sortie une énergie mécanique destinée à la traction du véhicule, caractérisé en ce qu'il comprend des premiers moyens associés (12, 102, 101, 100, 103 et état correspondant de SC) auxdits moyens électromagnétiques (10) pour permettre auxdits moyens électromagnétiques (10) d'adapter ladite tension électrique (3V) fournie auxdits moyens à moteur électrique (11) en fonction d'un rapport de vitesse (RV) sélectionné parmi différents rapports de vitesse (RV1 à RV4) prévus pour la traction du véhicule. 2. Dispositif conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits différents rapports de vitesse (RV1 à RV4) sont au nombre de 4, un premier rapport de vitesse (RV1) étant égal à 1/4 par rapport à une prise directe, un second rapport de vitesse (RV2) étant égal à 1/2 par rapport à ladite prise directe, un troisième rapport de vitesse (RV3) étant égal à 3/4 par rapport à ladite prise directe et un quatrième rapport de vitesse (RV4) étant égal à 1 et correspondant donc à ladite prise directe. 3. Dispositif conforme aux revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comprend des seconds moyens associés (12, 102, 101, 100, 103, et état correspondant de SC) auxdits moyens électromagnétiques (10) pour permettre auxdits moyens électromagnétiques (10) de fonctionner en démarreur et de faire démarrer ledit moteur à explosion (2). 4. Dispositif conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que lesdits moyens électromagnétiques et lesdits moyens associés comprennent un rotor (100) formant ledit volant d'inertie et constitué à sa circonférence d'un conducteur électrique (1001), un stator (101) qui est formé d'une pluralité de pôles (S1 à S36) disposés autour dudit stator et connectés en série en une boucle fermée, et des moyens de connexion (C1 à C12) reliés auxdits pôles (S1 à S36) pour permettre différentes configurations de connexion desdits pôles. 5. Dispositif conforme à la revendication 4, caractérisé en ce que lesdits premiers moyens associés auxdits moyens électromagnétiques comprennent des moyens de commutation (102) pour relier lesdits moyens de connexion (C1 à C12) reliés auxdits pôles (S1 à S36) à un nombre prédéterminé de conducteurs de phase (Ph1, Ph2 et Ph3) convoyant un courant électrique correspondant à ladite tension électrique (3V) entre lesdits moyens électromagnétiques (10) et lesdits moyens à moteur électrique (11), et cela selon différentes configurations de connexion (CONF1 à CONF4) desdits pôles (S1 à S36) correspondant respectivement auxdits différents rapports de vitesse (RV1 à RV4). 6. Système conforme à la revendication 5, caractérisé en ce que ledit nombre prédéterminé de conducteurs de phase (Phl, Ph2 et Ph3) est égal à 3, en ce que ladite pluralité de pôles (S1 à S36) disposés autour dudit stator (101) est constituée de 36 pôles et en ce que lesdits moyens de connexion reliés auxdits pôles comprennent 12 bornes de connexion (C1 à C12) correspondant respectivement à 12 points de connexion série desdits pôles répartis régulièrement et tels que deux points quelconques consécutifs desdits points de connexion série sont décalés l'un de l'autre de 3 pôles. 7. Dispositif conforme à la revendication 6, caractérisé en ce qu'une première configuration de connexion (CONF1) correspondant à un premier rapport de vitesse (RV1- 1/4) comprend 12 groupes parallèles de 3 pôles en série chacun, une seconde configuration de connexion (CONF2) correspondant à un deuxième rapport de vitesse (RV2-1/2) comprend 6 groupes parallèles de 6 pôles en série chacun, une troisième configuration de connexion (CONF3) correspondant à un troisième rapport de vitesse (RV3-3/4) comprend 4 groupes parallèles de 9 pôles en série chacun, et une quatrième configuration de connexion (CONF4) correspondant à un quatrième rapport de vitesse (RV4 = 1) comprend 3 groupes parallèles de 12 pôles en série chacun. 8. Système conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens auxiliaires de génération de courant (103) reliés à une batterie d'accumulateur du véhicule. 9. Système conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens électroniques de commande (12) du type microprocesseur ou micro-calculateur relié à des organes de commande (SC, 102, 11), capteurs et instruments inclus dans le véhicule, pour commander lesdits moyens en fonction d'indications fournies par lesdits organes de commande, capteurs et instruments.