Brevet FR2801146A1 — publié le 20010518

La présente invention a pour objet un actionneur de vanne de climatisation d'air pour véhicule automobile. De manière générale une installation de climatisation d'air pour vehicule automobile comprend des vannes comportant volets dont l'ouverture et la fermeture sont motorisées par l'intermédiaire de moteurs électriques du type pas à pas à aimant permanent, associés chacun à un réducteur. installations de climatisation d'air pour véhicule automobile, qui peuvent être du type de celles décrites dans les documents DE 4343385 et FR 2731852, présentent de nombreux inconvénients. Outre les problèmes de coûts de fabrication par rapport à la puissance utilisée et la taille des moteurs utilisés, les déplacements des volets à l'ouverture et à la fermeture, ainsi que lesdits moteurs eux-mêmes, génèrent des nuisances sonores auxquelles on peut difficilement remédier par des moyens d'insonorisation, puisque les ondes sonores sont véhiculées par les conduits d'aération. Les bruits générés par les volets et les moteurs sont essentiellement dus aux caractéristiques desdits moteurs, qui va être exposé ci-après à l'appui de la description d'une configuration d'un actionneur de vanne de climatisation pour véhicule automobile, cette configuration étant celle plus souvent utilisée. Dans cet actionneur de vanne de climatisation, pour des raisons de simplicité et de coût de réalisation de l'électronique de commande, on réalise une commande à fréquence fixe d'environ 200 Hz. Le moteur pas à pas comporte un rotor à 6 paires de pôles qui peut donc prendre 24 positions différentes ou pas, par tour. Or, dans un moteur pas à pas, à chaque impulsion de l'alimentation, correspond une rotation élémentaire constante d'un pas, sorte qu'un nombre déterminé d'impulsions entraîne un nombre correspondant de pas et, donc, une rotation connue du rotor. Aussi, la distance angulaire parcourue par le rotor entre 2 est de 15 , en sorte qu'une commande à fréquence fixe à 200 Hz conduit à une vitesse de rotor de 3000 /seconde. Pour que cette vitesse soit exploitable, on associe au moteur un réducteur dont le train d'engrenages permet augmenter le couple sortie et de diminuer l'amplitude du pas angulaire. En utilisant un réducteur d'un rapport d'environ 300, vitesse de rotation fixe du volet de climatisation est d'environ */seconde. Ceci étant, la nécessité d'un fonctionnement dans un mode appelé start-stop ", c'est-à-dire de passer instantanement, entre deux successifs du moteur, dans sa phase de démarrage, de 0 à 200 , implique de dimensionner le moteur de façon qu'il soit capable d'accélérer l'inertie du volet dudit volet de climatisation et 1 inertie propre du rotor dans un délai proche de 5 milli- secondes, ce qui correspond à la durée d'un pas. Or, dans un mode de fonctionnement du type " start-stop ", le couple du moteur est nettement inférieur à celui du même moteur fonctionnant en mode dynamique, puisque dans ce dernier il n'y a pas nécessité d'accélérer instantanément l'inertie du rotor et celle du volet de climatisation. En conséquence, pour atteindre en sortie réducteur le couple requis pour le déplacement d'un volet de climatisation, dans un fonctionnement du type " start-stop ", il est necessaire de sur dimensionner le moteur. Par ailleurs, pour une résistance de bobine gardée constante, la puissance mécanique disponible, le couple et la puissance électrique consommée augmentent de façon extrêmement rapide avec la tension d'alimentation. Or, la vanne de climatisation est développée pour remplir également sa fonction à une tension de batterie dégradée de 8 Volts, c'est-à-dire que le couple requis pour le déplacement du volet de climatisation doit pouvoir être atteint sous une tension de 8 Volts. Mais la tension une batterie non régulée varie de 8 à 14 Volts, en sorte le moteur fonctionne la plupart du temps sous une tension superieure à 8 Volts ce qui, du fait de l'augmentation de la puissance mécanique disponible, du couple et de la puissance électrique consommée, outre l'accroissement du bruit émis, est néfaste à la durée de vie de la vanne, puisque cela engendre d'une part, niveau du reducteur un couple de blocage excessif, susceptible de detériorer denture de celui-ci, et d'autre part, une surchauffe du bobinage moteur. Par ailleurs encore, dans le domaine des actionneurs de vanne climatisation d'air, l'utilisation de moteurs à pas necessite à chaque démarrage une réinitialisation obtenue par la mise en butée du volet de la vanne. En mode de fonctionnement " start-stop " à 200 Hz, les vannes émettent bruit caractéristique lorsque le volet vient en butée, puisque moteur pas à pas est encore à sa vitesse de synchronisme et que le rotor se met à vibrer autour de la position de butée. Le réducteur étant légèrement élastique, le moteur arrive même à stocker de 'énergie en armant ce type de ressort que constituent les engrenages, et l'on peut voir dans certaines applications le moteur repartir en arrière de quelques dizaines de pas sous l'effet de cette élasticité, lorsque le courant a été coupé dans les bobinages. La présente invention a pour but de remédier aux divers inconvénients précités, en proposant un actionneur de vanne de climatisation d'air pour véhicule automobile qui, par rapport aux actionneurs existants tout en satisfaisant les exigences minimums requise par l'application, génère moins de bruit en fonctionnement, est d'un rendement supérieur, et est d'une taille et d'un poids inférieurs ce qui représente une économie non négligeable. L'actionneur de vanne de climatisation d'air pour véhicule automobile met en aeuvre un moteur électrique du type pas à pas à aimant permanent capable de délivrer une puissance mécanique au moins égale à 50 mW, ainsi qu'un réducteur permettant de diminuer 1 amplitude du pas angulaire et d'augmenter le couple de sortie, et il se caractérise essentiellement en ce que ledit moteur est défini la relation suivante : 10=-6 y'/R. 50=-6 ou y est la constante de couple exprimée en Nm/At, proportionnelle au volume d'aimant et, Ro est le coefficient caractéristique du volume de cuivre et de la longueur de la spire moyenne des bobines, exprimé en Ohms/tr2, Ro = p.Lsp/(Scu.a), p étant la résistivité du cuivre, Lsp étant la longueur de la spire moyenne d'une bobine, Scu la section cuivre d'une bobine et a le coefficient de remplissage d'une bobine ; et en ce qu'il comprend des moyens de gestion d'alimentation dudit moteur permettant d'accélérer progressivement la fréquence d'alimentation des bobinages pour arriver à une fréquence de travail dudit moteur supérieure à la fréquence de démarrage " start-stop ". I1 est connu que les moteurs des actionneurs de vanne de climatisation d'air pour véhicule automobile présentent un couple dynamique donné par la formule suivante où # Tt,est couple à une vitesse donnée, exprimé en Nm # i, est constante de temps électrique exprimée en m.s # o, est pulsation électrique exprimée en rads # a est vitesse mécanique exprimée en rd/s # ni, est le nombre d'Ampère tours par bobine à vitesse nulle # R est un coefficient dont la valeur dépend du mode d'alimentation et du type de moteur, diphasé ou triphasé Cette formule peut également s'écrire où Pe représente la puissance électrique dissipée dans une phase du moteur. On peut- remarquer que chacun des deux termes de cette expression est proportionnel au facteur y'/R., lequel peut être utilisé pour définir les moteurs à aimant permanent, puisque la constante de couple Y est proportionnelle au volume d'aimant, tandis que le coefficient Ro est inversement proportionnel au volume de cuivre. notera que les moteurs actuellement utilisés dans les applications de climatisation d'air et dont la frequence d'alimentation est de 200 Hz, ont un facteur y1/Ro dont la valeur est voisine de 100E-6. Aussi, pour un actionneur de vanne selon l'invention dont le facteur y2/p.. du moteur est compris entre 10E-6 et atteindre une puissance mécanique au moins égale à 50mW n'est réalisable qu'avec une fréquence d'alimentation elevée, approximativement double de celle des moteurs actuellement utilises. Bien entendu, le rapport de réduction doit être modifié proportionnellement. Etant donné que la constante de couple y est proportionnelle au volume d'aimant, et que le coefficient Ro est inversement proportionnel au volume de cuivre, la diminution du facteur y2 /P, conduit pour des performances en terme de puissance mécanique identiques, à une réduction sensible du volume d'aimant et de cuivre ce qui présente, outre une incidence sur les couts de fabrication, une réduction de poids et une diminution des vibrations et du bruit du fait de la réduction de l'inertie du moteur. ailleurs, étant donné les caractéristiques du moteur, la fréquence d'alimentation élevée ne permet pas un fonctionnement " start-stop " classique, il est donc indispensable par l'intermédiaire des moyens de gestion, de réaliser une augmentation progressive de la fréquence d'alimentation, en partant d'une fréquence suffisamment basse pour permettre de décoller le volet Selon une caractéristique additionnelle de l'actionneur selon l'invention, il comporte des moyens de régulation de la puissance d'alimentation du moteur. De tels moyens de régulation permettent par exemple de maintenir la tension moyenne vue par le moteur à une valeur constante, laquelle est de préférence 8 Volts. Selon un mode de réalisation préférentiel l'actionneur selon l'invention, le moteur est triphasé, connecté étoile ou en triangle et piloté par six transistors. Conformément à l'invention, la vitesse rotor du moteur est au moins 5400 degrés par seconde, tandis que le rapport de réduction du réducteur est supérieur à 540. D'autres avantages et caractéristiques de l'actionneur selon l'invention, ressortiront plus clairement de la description qui suit qui se rapporte au dessin annexé, lequel en représente plusieurs modes de réalisation non limitatifs. Dans le dessin annexé - figure 1 est la représentation graphique du couple disponible du moteur d'un actionneur de vanne climatisation d'air actuellement utilisé, lors d'un fonctionnement en mode " start-stop ". - figure 2 est la représentation graphique du couple dynamique et de la puissance mécanique du même moteur lors d'un fonctionnement en mode dynamique - figure 3 est la représentation graphique du couple dynamique et de la puissance mécanique lors d'un fonctionnement en mode dynamique, pour un moteur analogue, sous une tension d'alimentation supérieure. - figure 4 représente est la représentation graphique de la puissance mécanique en fonction de la constante couple d'un moteur analogue pour différentes vitesses de rotation du rotor. - la figure 5 est la représentation graphique de la fréquence d'alimentation en mode de fonctionnement du type " start-stop ". - la figure 6 est la représentation graphique de la fréquence d'alimentation du moteur d'un actionneur de vanne de climatisation pour véhicules automobiles selon l'invention. - la figure 7 représente une vue en perspective et en éclaté d'un premier mode de réalisation du moteur de l'actionneur selon l'invention. - la figure 8 représente une vue en perspective d'un deuxième mode de réalisation du moteur du même actionneur. - la figure 9 représente une vue en perspective et éclaté d'un troisième mode de réalisation du moteur du même actionneur. - la figure 10 représente le schéma du mode de commande du moteur décrit sur la figure 9. - la figure 11 est la représentation des différentes séquences d'alimentation du même moteur. En référence à la figure 1, on peut voir l'évolution couple disponible lors d'un passage instantané de 0 Hz à valeur quelconque de vitesse, c'est-à-dire en mode de fonctionnement " start-stop " pour un moteur pas à pas à aimant permanent, équipant les actionneurs de vanne de climatisation pour véhicule automobile, en constitue un standard, et dont les caractéristiques sont : 24 pas/tour, fréquence d'alimentation 200 Hz, tension 8 Volts et résistance de bobine de 100 Ohms. En référence à la figure 2 on peut voir, pour le meure moteur, l'évolution couple disponible pour une vitesse établie quelconque, c'est-à-dire en mode de fonctionnement dynamique. En comparant ces deux graphiques, on s'aperçoit bien entendu qu'à 200 Hz le couple dynamique est nettement supérieur au couple `l start-stop ", puisqu'ils sont respectivement d'environ 2 et 4 mNm. Un couple " start-stop " de 2 mNm donne à la sortie d'un réducteur de 1/300 ayant un rendement de 70%, un couple utile de 420 mNm sous une tension de 8 Volts, ce qui correspond au couple requis pour une vanne de climatisation à cette tension d'alimentation. On s'aperçoit donc que ce moteur pas à pas est surdimensionné pour pouvoir fonctionner en mode " start-stop " à 200 Hz. En effet, la puissance mécanique requise par l'application climatisation est de 420 mNm x 10 /seconde, soit 50 mW, et est également représentée sur la figure 2, en trait discontinu, la puissance mécanique exprimée en Watts, pouvant être fournie par le moteur à une vitesse établie de 200 Hz, toujours pour une tension d'alimentation de 8 Volts . On peut constater qu'à 200 Hz, la puissance est de 220 mW, soit près de deux fois la puissance requise par l'application si l'on tient compte d'un rendement de 70% du réducteur. En référence maintenant à la figure 3, on peut voir une représentation graphique analogue à celle de la figure 2, concernant un moteur identique à l'exception du fait que sa tension d'alimentation est de 14 Volts. En comparant ces deux représentations graphiques, on peut constater que, pour une résistance de bobine gardée constante, la puissance mécanique disponible, le couple et la puissance électrique consommée augmentent rapidement avec la tension d'alimentation. Comme cela a été exposé précédemment, le moteur est prévu pour fonctionner avec une batterie dégradée de 8 Volts, laquelle délivre toutefois en permanence une tension d'alimentation bien supérieure, en sorte que les performances en excès du moteur lorsque la tension supérieure à 8 Volts, ne sont pas exploitées ne sont donc nécessaires, de plus elles sont néfastes pour durée de vie la vanne et sont source de nuisances sonores supplémentaires. En référence maintenant à la figure 4, on peut voir une représentation graphique qui montre, pour un moteur diphasé 8 ts, la puissance mécanique en fonction de y la constante de couple du moteur, pour différentes vitesses, donc pour différentes fréquences d'alimentation, les courbes A, B et C représentant des vitesses de, respectivement, 600, 400 et 200 pas/seconde. I1 apparaît clairement sur cette représentation que plus la constante de couple y est élevée, plus la vitesse de rotation à laquelle on obtient la puissance maximale est faible. On peut également constater qu'il est possible d'obtenir des puissances mécaniques en sortie des moteurs très voisines avec des constantes couple très différentes, à des vitesses de rotation différentes. Aussi, si l'on considère que la puissance mécanique nécessaire à 'application est voisine de 50 mW, que le rendement du réducteur proche de 0,5, et que des pertes de fer doivent etre prises en compte, la puissance mécanique requise au niveau moteur est voisine de 0,15 Watts, quelle que soit la tension alimentation. on peut voir que cette puissance mécanique au niveau du moteur peut être obtenue par un moteur de constante couple de 2,5=-5 Nm/At tournant à 600 pas/seconde comme par moteur de constante de couple de 43-5 Nm/At tournant à 200 pas/seconde et qui correspond aux moteurs actuellement utilisés. L'actionneur de vanne de climatisation d'air pour véhicule automobile selon l'invention, comporte moteur dont la vitesse rotor est supérieure à 5400 degrés par seconde, ainsi qu'un réducteur dont le rapport de réduction est par conséquent et de préférence supérieur à 540. on sait que le couple d'un moteur vitesse donnée est proportionnel au facteur y=/Ro, aussi le moteur de l'actionneur de vanne de climatisation d'air selon l'invention est défini par un facteur y' /Ro compris entre : 10E-6 et 50E-6. Etant donné que le couple d'accélération nécessaire à accélérer l'inertie du rotor et l'inertie volet, à une fréquence d'alimentation élevée, est supérieur au couple disponible sur un moteur d'une telle taille, en mode de fonctionnement " start- stop ", il est nécessaire de définir un mode autre mode de fonctionnement. On a représenté sur la figure 5 la frequence d'alimentation en mode de fonctionnement du type " start-stop ", qui est à comparer avec celle du mode de fonctionnement retenu, et représenté sur la figure 6. Ce type de fonctionnement, appelé ramping mode ", permet d'implémenter une accélération progressive de la fréquence jusqu'à la fréquence requise, tout en partant d' fréquence permettant au moteur de fournir le couple d'accélération nécessaire à accélérer l'inertie du rotor et l'inertie du volet c'est-à-dire qu'avant accélération le mode de fonctionnement analogue à un mode " start-stop ". Ce mode de fonctionnement présente autre avantage, au niveau de la réinitialisation. En effet sur un moteur d'un actionneur vanne selon l'invention, qui fonctionne au-dessus de vitesse " start-stop ", lorsque le volet heurte la butée, le moteur perd automatiquement sa vitesse synchrone. Lors de la perte de synchronisme à haute vitesse contre la butée, le phénomène d'armement de rebond constaté sur les actionneurs existants est très atténué, car le rotor ne peut pas repartir de façon synchrone puisque la fréquence d'excitation est supérieure à la vitesse " start-stop ", et que le couple dynamique présent à l'instant du choc est moindre. Etant donné la taille réduite du moteur utilisé dans l'actionneur selon l'invention, il convient de contrôler la puissance électrique d'entrée imposée au moteur, pour pas laisser évoluer la tension d'alimentation entre 8 et 14 Volts et limiter la puissance Joule dissipée dans les bobinages du moteur. L'actionneur selon l'invention comprend donc un moyen, connu, permettant de détecter la valeur de la tension d'alimentation, et à réguler, à l'aide d'une technique de hachage le pourcentage de cette tension appliquée aux bobinages du moteur. A titre d'exemple, le rapport sera de 100% pour une tension d'alimentation de 8 Volts, et de 57% pour une tension d'alimentation de 14 V. Cette technique de hachage permet par ailleurs de réduire le courant à l'arrêt, en effet, lorsque aucune fonction de déplacement du volet n' requise, un facteur de marche limité, par exemple 10%, peut être appliqué afin de maintenir la vanne en position. De plus encore, cette technique permet également pendant les phases d'accelération et de décélération, qui sont très limitées dans le temps, environ 50ms, d'appliquer un facteur de marche de 100%, et de repasser à un facteur de marche normal pendant les déplacements ' vitesse constante. Le moteur pas à pas à aimant permanent d'un actionneur de vanne de climatisation d'air pour véhicule automobile selon l'invention peut être de différents types, dont quelques-uns sont représentés les figures 7, 8 et 9. Sur la figure 7, est représenté un moteur 1 diphasé à tôle emboutie de diamètre extérieur de 20 mm, 24 pas/tour, fonctionnant à 400 Hz et couplé à un réducteur 2 dont le rapport de réduction est voisin de 600. A titre de comparaison, actuellement pour remplir même fonction on utilise un de même type, fonctionnant à 200 Hz, d'un diamètre de 35 mm. Sur la figure 8 est représenté un moteur 10 diphasé à aimant permanent 20 pas/tour, fonctionnant à 400 Hz et couplé à un réducteur 20 dont le rapport de réduction est voisin de 720. En reférence maintenant à la figure 9, on peut voir le mode de réalisation préférentiel du moto-réducteur d'un actionneur selon l'invention. I1 comporte un moteur 11 triphasé à aimant permanent 30 pas/tour, possédant 5 paires de pôles au rotor, fonctionnant à 450 Hz et couplé à un réducteur 21 dont le rapport de réduction est voisin de 540. Le moteur triphasé permet, pour un même mode de commutation digitale des phases, deux phases alimentées, une résolution plus élevée que les moteurs représentés sur les figures 7 et 8 qui permettent respectivement des modes de résolution 24 et 20 pas tours alors que le moteur représenté sur la figure 9 a résolution de 30 pas entiers par tours. Le bruit et les vibrations du moteur en fonctionnement seront donc diminués. D'autre part, le mode de commutation digital des phases moteur triphasé peut être réalisé à l'aide de seulement transistors, alors que pour les moteurs diphasés bipolaires (courant circulant dans la bobine d'une phase dans les deux directions) huit transistors sont nécessaires. En référence maintenant à la figure 10, on peut voir que le mode de commande préférentiel constitue par exemple à brancher le moteur triphasé en "étoile" , en alimentant successivement par paires les phases A, B, C suivant une séquence décrite à la figure 11. Une alimentation "2 phases ON" utilisée sur un moteur triphasé permet un gain de couple de 20$ par rapport au même mode de commande utilisé sur un moteur diphasé. Ceci est dû à la construction vectorielle de la somme du couple de chaque phase qui dans un moteur triphasé donne 1,732 fois le couple 1 phase ON et dans un moteur diphasé 1,414 fois le couple 1 phase ON. De plus la variation du couple entre 2 commutations de phase est plus faible dans un moteur triphasé que dans un moteur diphasé, ce qui conduira à moins de variation vitesse du rotor en fonctionnement. Le pilotage d' actionneur de vanne de climatisation d'air pour véhicule automobile par un moteur triphasé apporte donc, par rapport à un moteur diphasé: - moins de bruit de vibrations grâce à la réduction de l'ondulation de couple et à l'augmentation de la résolution - une commande électronique moins coûteuse - un rendement meilleur du fait de l'augmentation du couple disponible pour même puissance électrique d'entrée. D'autre part, tel moteur triphasé ne nécessite que trois fils d'alimentation alors qu'un moteur diphasé bipolaire en nécessite quatre. REVENDICATIONS 1) Actionneur de vanne de climatisation d'air pour véhicule automobile mettant en aeuvre un moteur électrique type pas à pas à aimant permanent capable de délivrer une puissance mécanique au moins égale à 50 mW, ainsi qu'un réducteur permettant de diminuer l'amplitude du pas angulaire et d'augmenter le couple de sortie, caractérise en ce que ledit moteur (1 ; 10 ; 11) défini par la relation suivante : 10=-6 -f2/1k, 50s-6 où y est la constante de couple exprimée en Nm/At, proportionnelle au volume d'aimant et, Ro est le coefficient caractéristique du volume de cuivre et de la longueur la spire moyenne des bobines, exprimé en Ohms/tr2, R,o = p.Lsp/(Scu. , p étant la résistivité du cuivre Lsp étant la longueur de la spire moyenne d'une bobine, Scu la section de cuivre d'une bobine et a le coefficient de remplissage d'une bobine ; et en ce qu'il comprend des moyens de gestion d'alimentation dudit moteur (1 ;10;11) permettant d'accélérer progressivement la fréquence d'alimentation des bobinages pour arriver à une fréquence de travail dudit moteur (1; 10;11) supérieure à la fréquence de démarrage @@ start-stop ". 2) Actionneur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de régulation de la puissance d'alimentation du moteur (1; 10; 11) . 3) Actionneur selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérise en ce que le moteur est un moteur triphasé (11), connecté étoile ou en triangle, et piloté par six transistors. 4) Actionneur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la vitesse rotor du moteur (1 ; 10 ; 11) au moins de 5400 degrés par seconde, tandis que le rapport de réduction du réducteur (2 ; 20 ; 21) est supérieur à 540.