Brevet FR2780575A1 — publié le 19991231

ALTERNATEUR DE VEHICULE NOTAMMENT AUTOMOBILE DU TYPE COMPORTANT UN PASSAGE POUR LA CIRCULATION DU FLUIDE DE REFROIDISSEMENT DU MOTEUR La présente invention est relative aux alternateurs de véhicule automobile du type comportant un passage pour la circulation du fluide de refroidissement du moteur et des moyens pour le chauffage par effet joule de ce fluide. On sait qu'il est souhaitable de refroidir les alternateurs de véhicule automobile pour augmenter leurs performances et leur permettre de fonctionner dans des environnements correspondant à des températures élevées. Une solution à cet effet consiste à intégrer l'alternateur dans la boucle de refroidissement du moteur thermique, le corps de l'alternateur comportant un passage de refroidissement dans lequel circule le liquide du circuit de refroidissement dudit moteur thermique. Cette solution présente l'avantage de permettre d'utiliser l'alternateur pour le chauffage du moteur thermique au démarrage du véhicule. On sait en effet que la mise en température d'un moteur thermique au démarrage du véhicule doit se faire aussi rapidement que possible, le degré de pollution et le bruit de fonctionnement étant sensiblement affectés par une température de fonctionnement trop basse, une mise en température rapide permettant également de disposer rapidement d'air chaud pour le chauffage de l'habitacle du véhicule. La récupération des calories dégagées par I'alternateur par l'intermédiaire du circuit de refroidissement qui le traverse permet d'accélérer la montée en température du moteur thermique. Celle-ci est en effet souvent très lente. C'est notamment le cas pour les démarrages à froid de moteurs qui possèdent un bon rendement tels que les moteurs turbo diesel à injection directe. Toutefois, le seul apport des calories de l'alternateur est souvent insuffisant et il a récemment été proposé par la demanderesse des structures d'alternateur intégrant des moyens électriques de chauffage par effet Joule qui permettent d'accélérer encore la montée en température du liquide de refroidissement. On pourra à cet égard avantageusement se référer aux demandes de brevet FR 96 06408 et FR 96 06409. Ces deux demandes de brevet décrivent des architectures d'alternateurs à éléments chauffants additionnels dans lesquelles ces éléments chauffants sont alimentés par le courant alternatif triphasé de l'alternateur. Ces éléments chauffants sont des éléments bobinés en hélice qui sont par exemple immergés dans le circuit de refroidissement ou noyés dans le corps de l'alternateur ou encore encapsulés dans une coque plane plaquée sur le corps de l'alternateur ou directement en contact avec le liquide. L'invention propose quant à elle une architecture d'alternateurs à éléments chauffants additionnels qui est d'une plus grande simplicité, notamment de montage, et d'un coût de réalisation moindre que dans le cas des architectures décrites dans les demandes de brevets précitées. Plus particulièrement, elle propose un alternateur pour véhicule automobile du type comportant un corps qui présente au moins un passage interne pour un liquide de refroidissement, ledit passage étant destiné à être relié au circuit de refroidissement du moteur à combustion du véhicule, ledit alternateur comportant en outre des moyens de chauffage par effet Joule, qui sont disposés de façon adjacente au passage interne et permettent d'accélérer la montée en température dudit liquide de refroidissement au démarrage du véhicule, caractérisé en ce que lesdits moyens de chauffage comportent une plaque qui comprend une semelle métallique et un circuit conducteur qui est porté par ladite semelle en étant électriquement isolé de celle-ci et qui définit des moyens résistifs qui réalisent le chauffage par effet Joule. Cet alternateur est avantageusement complété par les différentes caractéristiques suivantes prises seules ou selon toutes leurs combinaisons possibles: - le circuit porté par la semelle métallique est un circuit imprimé, par exemple sérigraphie; - le circuit imprimé porte des composants; - le circuit imprimé porte des transistors MOSFET pour la commande de l'alimentation des résistances; - le circuit imprimé porte des moyens de connexion permettant notamment de relier les résistances aux phases de l'alternateur; - les moyens résistifs comportent trois résistances qui sont montées en étoile et qui sont destinées à être reliées aux différentes phases de l'alternateur par lesdits moyens de connexion et l'alimentation de ces résistances est commandée par des transistors MOSFET dont les sources sont reliées au point commun du montage en étoile; - le passage dans lequel circule le liquide de refroidissement présente une ouverture et ladite ouverture est fermée par la semelle métallique; - la semelle métallique est plaquée contre une paroi du corps et chauffe le liquide de refroidissement par conduction à travers ladite paroi; - la plaque est de forme générale plane; - la plaque est de forme incurvée et épouse la forme du corps de l'alternateur; - les moyens résistifs comportent trois résistances qui sont montées en étoile et qui sont reliées aux différentes phases de l'alternateur et l'alimentation de ces résistances est commandée par des transistors MOSFET dont les sources sont reliées au point commun du montage en étoile; - I'alternateur comporte des moyens pour moduler la chaleur générée par les moyens résistifs; - chaque résistance reliée à une phase comporte plusieurs éléments résistifs montés en parallèle et des interrupteurs permettent de commander indépendamment lesdits éléments résistifs; - une résistance reliée à une phase comporte deux tels éléments résistifs montés en parallèle et la valeur résistive de l'un de ces éléments et le double de celle de l'autre de ces éléments; I'alternateur comporte un module de gestion porté par la plaque de chauffage; - le module de gestion comporte des moyens pour activer les moyens-de chauffage lorsqu'un défaut de fonctionnement de l'alternateur, tel qu'une rupture de charge ou un disfonctionnement dans l'excitation tel que court-circuit, circuit ouvert ou régulation trop élevée, est détecté; - I'alternateur comporte une sonde de température reliée au module de gestion permettant de contrôler la température du liquide de refroidissement. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront encore de la description qui suit. Cette description est purement illustrative et non limitative. Elle doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels: - les figures 1 à 4 sont des représentations schématiques en coupe illustrant pour plusieurs variantes de réalisation possibles la disposition de l'élément chauffant par rapport au palier de l'alternateur; - la figure 5a est une vue de dessus illustrant une configuration possible pour une plaque de chauffage d'un alternateur du type de ceux représentés sur les figures 1 et 2; - la figure 5b est une vue de côté de la plaque de chauffage de la figure 5a; - la figure 6 est un schéma illustrant un circuit possible pour l'alimentation des éléments chauffants de la plaque de chauffage des figures 5a et 5b; - la figure 7 est un schéma illustrant un autre circuit possible pour l'alimentation des éléments chauffants de la plaque de chauffage des figures 5a et 5b. On a représenté de façon simplifiée sur les figures 1 à 4 les corps C de forme principalement cylindrique de paliers arrières d'alternateurs. Ces corps C sont en aluminium et présentent dans leur épaisseur des passages annulaires R qui s'étendent sensiblement sur tout leur pourtour et dans lesquels l'eau de refroidissement des moteurs thermiques associés auxdits alternateurs est destinée à circuler. Ces corps C portent chacun des plaques de chauffage P qui intègrent des éléments chauffants destinés à apporter des calories à l'eau circulant dans le passage R pour accélérer la montée en température du liquide de refroidissement lors d'un démarrage du moteur thermique. Sur les figures 1 et 2, ces plaques de chauffage P sont des plaques planes rapportées sur des surépaisseurs S que présentent les corps C. Dans l'exemple de la figure 1, le passage de refroidissement R présente une ouverture au niveau de la surépaisseur S et cette ouverture est fermée par la plaque P. Ladite plaque P est donc directement en contact avec l'eau de refroidissement qui circule dans le passage P. Un joint E permet d'assurer l'étanchéité de la fermeture que réalise la plaque P. Dans l'exemple de la figure 2, la plaque P est en contact avec la paroi du corps C et réchauffe le liquide de refroidissement par conduction à travers l'aluminium de ladite paroi. Sur les figures 3 et 4, les plaques P sont des plaques incurvées de façon à épouser la géométrie du palier. Dans l'exemple de la figure 3, le corps C présente une ouverture qui est fermée par la plaque P, tandis que dans l'exemple de la figure 4, la plaque P chauffe indirectement le liquide de refroidissement à travers l'aluminium du corps C. La fixation de la plaque de chauffage P sur le corps C du palier peut se faire par tous moyens et notamment par collage, vissage, rivetage, soudage, brassage, fixation élastique, etc. Pour un vissage efficace, il est possible d'engager les vis (V sur le figure 4) dans des ponts thermiques PT traversant le passage de refroidissement R pour relier les parois interne et externe qui délimitent ce passage. Elle pourrait également avantageusement être réalisée par une soudure métal/métal, auquel cas, dans le cas o les plaques sont en contact direct avec l'eau de refroidissement, le joint E n'est plus nécessaire. Cette solution est préférée dans la mesure o elle permet de libérer sur la plaque P une place qui, notamment dans le cas de vissage ou de rivetage, serait utilisée pour la fixation. Egalement, dans les cas o un joint E est nécessaire, celui-ci peut être prémonté sur la plaque P, celle-ci étant livrée avec ledit joint E pour être montée sur le corps C de l'alternateur. Il est aussi possible d'utiliser un joint colle qui ne nécessite pas de réaliser une gorge sur le pourtour de la plaque. Dans les cas o la plaque P n'est pas en contact direct avec le liquide de refroidissement, le couplage thermique entre la plaque P et I'aluminium du corps C se fait par l'intermédiaire d'un matériau thermoconducteur tel qu'une graisse chargée en silicone, matériau en film du type de ceux commercialisés sous la dénomination SILPAD. Ainsi que l'illustrent les figures 5a et 5b dans le cas d'une plaque plane, une plaque P de chauffage comporte une semelle métallique 1, dont une face est destinée à être en contact avec le liquide de refroidissement ou avec l'aluminium du corps C et dont l'autre face porte le substrat 2 d'une carte à circuit imprimé sur laquelle sont implantées d'une part trois résistances de chauffage 11, 12, 13 et d'autre part plusieurs composants d'un circuit pour la commande et l'alimentation desdites résistances. Cette semelle 1 est préférentiellement en un acier inoxydable mais elle peut également être en d'autres aciers ou en cuivre, en fer, en aluminium ou de façon générale en tout autre alliage incluant ou non un ou plusieurs métaux ferreux. Le bord de la semelle 1 présente par exemple une pluralité de trous de fixation 10. Dans le cas de structures du type de celles des figures 1 et 3, la face de la semelle 1 qui est directement en contact avec le liquide de refroidissement est avantageusement protégée par un traitement de surface, tel qu'un nickelage. La carte 2 est par exemple sérigraphiée directement sur le substrat métallique. En variante, la plaque de chauffage peut être réalisée par pressage à chaud de plusieurs couches conductrices sur la semelle métallique 1. La valeur résistive des éléments 11, 12 et 13 est choisie pour permettre de dissiper par effet joule la puissance nécessaire à la production des calories recherchées, par exemple pour dissiper 1 000W sous 14V. Ainsi qu'on peut le voir notamment sur la figure 5a et la figure 6, ces résistances 11 à 13 sont reliées en étoile à un point commun. A leurs extrémités opposées, elles sont reliées par des bornes 5, 6 et 7 (broches ou plots ou fils ou cosses) aux trois phases de l'alternateur. La carte 2 porte trois interrupteurs MOSFET 3 qui permettent de commander l'alimentation des résistances 11 à 13 les unes aux autres. La carte 2 comprend un module de commande 4 qui gère l'alimentation des résistances et l'énergie transférée à l'eau: Ce module 4 est connecté aux bornes 5, 6 et 7 correspondant aux trois phases de l'alternateur et aux sorties A et B. La carte 2 porte en outre des ports d'entrée/sortie 8 et 9 permettant de relier ledit module 4 au régulateur de l'alternateur et au contrôle moteur du véhicule. En outre, la carte 2 porte une sonde de température intégrée 14 qui est reliée au module 4 et qui permet son contrôle et sa protection. Cette sonde de température est sérigraphiée ou brasée. Elle permet de contrôler la température du liquide de refroidissement et assure la protection de la plaque notamment en absence de circulation d'eau dans le passage R. Cette sonde permet également de protéger le pont de diodes contre des températures trop élevées. En outre, I'information de température qu'elle permet de relever est utilisée par le module 4 afin d'ajuster au mieux la tension aux bornes de l'alternateur en fonction des besoins et notamment en fonction de la température de l'eau de refroidissement du moteur thermique. Le module 4 est avantageusement couvert par un boîtier en plastique assurant la protection des éléments actifs électriquement. Comme on l'aura compris, avec la structure qui vient d'être décrite, les résistances de chauffage sont alimentées par le courant alternatif triphasé en sortie de l'alternateur et en amont du pont de diodes. Bien entendu, les résistances de chauffage pourraient également être montées en triangle. Toutefois, le montage en étoile permet de monter les transistors MOSFET 3 avec une source commune ce qui permet d'avoir une commande unique pour les trois interrupteurs. Lorsque les résistances 11 à 13 sont alimentées par le courant en sortie de l'alternateur, l'énergie dissipée par effet joule dans lesdites résistances produit une forte élévation de température sur la face de la carte 2 qui est en contact avec la semelle 1. La chaleur diffuse dans I'épaisseur de ladite semelle 1 puis est transférée au liquide de refroidissement soit par convection, si le liquide circule en passant sur ladite semelle, soit par conduction à travers l'aluminium du corps C dans les autres cas. Pour contrôler la quantité de calories produites, les résistances 11 à 13 comportent avantageusement plusieurs éléments résistifs montés en parallèle, dont l'alimentation est commandée par plusieurs interrupteurs séparés. Un exemple de montage est illustré sur la figure 7. Dans ce montage, il est prévu pour chaque phase deux éléments résistifs dont l'un à une valeur résistive double de celle de l'autre (résistance r d'une part et résistance constituée de deux résistances r en parallèle d'autre part). Ces deux éléments résistifs sont chacun commandé par un interrupteur indépendant. On dispose ainsi de quatre niveaux de modulation pour le courant circulant dans les résistances 11 à 13. La modulation du courant dans lesdites résistances 11 à 13 peut également être réalisée par modulation des temps de conduction des interrupteurs MOSFET (commande par impulsions à largeur modulée (PWM) par exemple). On notera qu'une modulation sur quatre niveaux est en générale suffisante pour les applications envisagées. Si le besoin se fait sentir d'un réglage de puissance plus précis, on peut combiner les deux techniques de modulation ci-dessus exposées. Egalement, ainsi qu'illustré sur la figure 4, dans le cas d'une plaque P incurvée, il est possible de prolonger cette plaque par une extension plane EP destinée à la fixation de composants plans. On peut également réaliser des compensations par des joints de brasure. Egalement, afin d'améliorer l'échange thermique dans le cas d'une plaque P directement en contact avec l'eau, il est possible d'envisager de fixer sur ladite plaque une deuxième plaque portant des ailettes formant échangeur de chaleur. Cette solution permet d'éviter d'avoir à réaliser des ailettes directement sur la plaque P. Cette plaque supplémentaire peut être fixée par vissage. Par ailleurs, indépendamment de la structure des moyens de chauffage de l'alternateur, ceux-ci peuvent avantageusement être utilisés pour gérer les modes de fonctionnement dégradés, notamment les cas de rupture de charge. En rupture de charge, les diodes du pont redresseur sont sollicitées en avalanche et une surtension maximum de 35V se produit sur le réseau. Lorsque cette surtension est détectée par le module 4, le module de chauffage de l'alternateur est activé, ce qui contribue à limiter la valeur de la surtension aux bornes de l'alternateur. Cela permet de dissiper moins d'énergie dans les diodes, de démagnétiser plus vite l'alternateur et de protéger les MOSFET de commande de chauffage. Cette activation du module de chauffage se superpose au traitement habituel de ce type d'événement. Un second mode dégradé qui peut être atténué par l'activation des moyens de chauffage est celui du dysfonctionnement du circuit d'excitation de l'alternateur, qui peut conduire à une tension haute sur le réseau de bord du véhicule. Le module de chauffage est alors avantageusement activé. Il contribue alors à limiter l'augmentation de la tension de bord et à protéger les équipements embarqués. Cette gestion des modes dégradés de l'alternateur permet une plus grande sécurité de fonctionnement. Bien entendu, la présente invention s'applique également à des alternateurs réalisant d'autres fonctions telle que la fonction démarrage du moteur thermique d'un véhicule automobile appelé alterno-démarreur. REVENDICATIONS. 1. Alternateur pour véhicule automobile du type comportant un corps qui présente au moins un passage interne pour un liquide de refroidissement, ledit passage étant destiné à être relié au circuit de refroidissement du moteur à combustion du véhicule, ledit alternateur comportant en outre des moyens de chauffage par effet Joule, qui sont disposés de façon adjacente au passage interne et permettent d'accélérer la montée en température dudit liquide de refroidissement au démarrage du véhicule, caractérisé en ce que lesdits moyens de chauffage comportent une plaque (P) qui comprend une semelle métallique (1) et un circuit conducteur (11, 12, 13) qui est porté par ladite semelle (1) en étant électriquement isolé de celle-ci et qui définit des moyens résistifs (11, 12, 13) qui réalisent le chauffage par effet Joule. 2. Alternateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le circuit porté par la semelle métallique (1) est un circuit imprimé, par exemple sérigraphie. 3. Alternateur selon la revendication 2, caractérisé en ce que le circuit imprimé porte des composants (3 à 9). 4. Alternateur selon la revendication 3, caractérisé en ce que le circuit imprimé porte des transistors MOSFET (3) pour la commande de l'alimentation des résistances (11, 12, 13). 5. Alternateur selon la revendication 3, caractérisé en ce que le circuit imprimé porte des moyens (5, 6, 7) de connexion permettant notamment de relier les résistances aux phases de l'alternateur. 6. Alternateur selon les revendications 4 et 5 prises en combinaison, caractérisé en ce que les moyens résistifs comportent trois résistances (11, 12, 13) qui sont montées en étoile et qui sont destinées à être reliées aux différentes phases de l'alternateur par lesdits moyens de connexion et en ce que l'alimentation de ces résistances est commandée par des transistors MOSFET dont les sources sont reliées au point commun du montage en étoile. 7. Alternateur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens pour moduler la chaleur générée par les moyens résistifs. 8. Alternateur selon les revendications 6 et 7 prises en combinaison, caractérisé en ce que chaque résistance reliée à une phase comporte plusieurs éléments résistifs montés en parallèle et en ce que des transistors MOSFET permettent de commander indépendamment lesdits éléments résistifs. 9. Alternateur selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'une résistance reliée à une phase comporte deux tels éléments résistifs montés en parallèle et en ce que la valeur résistive de l'un de ces éléments et le double de celle de l'autre de ces éléments. 10. Alternateur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le passage dans lequel circule le liquide de refroidissement présente une ouverture et en ce que ladite ouverture est fermée par la semelle métallique (1). 1l. Alternateur selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que la semelle métallique (1) est plaquée contre une paroi du corps et chauffe le liquide de refroidissement par conduction à travers ladite paroi. 12. Alternateur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la plaque est de forme générale plane. 13. Alternateur selon l'une des revendications 1 à 1 1, caractérisé en ce que la plaque est de forme incurvée et épouse la forme du corps de l'alternateur. 14. Alternateur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte un module de gestion porté par la plaque de chauffage. 15. Alternateur selon la revendication 14, caractérisé en ce que le module de gestion comporte des moyens pour activer les moyens de chauffage lorsqu'un défaut de fonctionnement de l'alternateur, tel qu'une rupture de charge ou un disfonctionnement dans l'excitation tel que court- circuit, circuit ouvert ou régulation trop élevée, est détecté. 16. Alternateur selon l'une des revendications 10 et 11, caractérisé en ce qu'il comporte une sonde de température reliée au module de gestion permettant de contrôler la température du liquide de refroidissement.