Brevet FR2830380A1 — publié le 20030404

L'invention concerne un dispositif de contrôle de la température de l'enroulement inducteur du rotor d'une machine électrique tournante tel qu'un alternateur, notamment pour véhicule automobile, du type comprenant des moyens indicateur de la température du rotor et des moyens de régulation du courant d'excitation du rotor en fonction de la température indiquée. L'invention concerne également un dispositif de charge d'une batterie de véhicule automobile, comportant un alternateur. Dans les dispositifs de ce type, qui sont connus, pour réduire le courant d'excitation et le débit de l'alternateur en cas de surchauffe, on utilise des limiteurs thermiques internes au régulateur, pour protéger ce dernier. Mais ces limiteurs traduisent mal la température du rotor. En effet, la différence de température entre le rotor et le régulateur peut varier fortement. Une solution plus précise consiste à utiliser des sondes thermiques disposées l'extérieur du régulateur. Mais cette solution nécessite des connexions entre la sonde et le régulateur et est donc moins économique que les limiteurs thermiques internes au régulateur. De plus, il est difficile de placer ces sondes thermiques sur l'ensemble tournant qu'est le rotor d'un alternateur. La présente invention a pour but de proposer une solution satisfaisante au problème qui vient d'être énoncé. Pour atteindre ce but, le dispositif de contrôle de la température selon l'invention est caractérisé en ce que les moyens indicateurs sont formés par la résistance de l'enroulement inducteur du rotor. Selon une caractéristique de l'invention, le régulateur comprend des moyens de réduction du courant d'excitation lorsque la valeur de la résistance est égale ou supérieure à une valeur prédéterminée. Selon une autre caractéristique de l'invention, le dispositif comporte des moyens d'établissement de la résistance de l'inducteur à partir d'au moins trois paramètres, à savoir le rapport cyclique du signal d'excitation, la valeur du courant d'excitation et la valeur de la tension régulée de la source d'alimentation en énergie électrique. Selon une autre caractéristique de l'invention, le dispositif de contrôle de la température comporte un dispositif de mesure du courant d'excitation. Selon encore une autre caractéristique de l'invention, le système selon l'invention comporte des moyens pour calculer la valeur moyenne du courant d'excitation. Selon encore une caractéristique de l'invention, le régulateur comporte des moyens de mesure de la valeur de crête négative du courant d'excitation juste après la fermeture du commutateur d'excitation et la valeur de crête positive de ce courant juste avant l'ouverture de ce commutateur et le moyen de calcul est adapté pour calculer la valeur moyenne des valeurs de crêtes négatives et positives. Selon encore un autre caractéristique de l'invention, la valeur moyenne est établie sur plusieurs périodes du signal d'excitation. Le dispositif de charge de la batterie, notamment de véhicule automobile est caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif de contrôle selon l'invention. L'invention sera mieux comprise, et d'autres buts, caractéristiques, détails et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement dans la description explicative qui va suivre faite en référence aux dessins schématiques annexés donnés uniquement à titre d'exemple illustrant un mode de réalisation de l'invention et dans lesquels : La figure 1 illustre l'allure d'un signal de commande d'excitation et du courant d'excitation traversant le bobinage d'excitation du rotor d'un alternateur, pour expliciter le procédé d'établissement de la valeur moyenne du courant d'excitation, conformément à l'invention ; La figure 2 montre le schéma d'un circuit régulateur permettant la mesure du courant d'excitation traversant le bobinage d'excitation du rotor d'alternateur, et - La figure 3 illustre les allures d'un signal de commande de l'excitation, du courant d'excitation, du courant traversant le commutateur de commande de l'excitation ainsi que deux de tensions intervenant dans le circuit de la figure 2. Le système de contrôle selon l'invention sera décrit ci-après dans une application à un alternateur à fort débit qui fait parti d'un dispositif de charge de la batterie par exemple d'un véhicule automobile et est équipé d'un régulateur de la tension de la batterie. Le circuit d'un tel régulateur est illustré sur la figure 2. Il est nécessaire de protéger l'alternateur et son rotor en particulier pour éviter leur surchauffe. Le système selon l'invention est basé sur la découverte que la résistance de l'enroulement inducteur du rotor peut servir de critère indicateur de la température de l'enroulement inducteur et donc accomplir la fonction d'une sonde thermique, avec l'avantage que cette sonde n'est pas un organe supplémentaire devant être rapporté et placé sur les parties chaudes de l'alternateur tel que le pont redresseur, le stator ou dans le régulateur, comme cela est connu de l'état de la technique. En effet, l'enroulement inducteur du rotor des alternateurs est réalisé généralement en cuivre dont la résistance varie fortement avec la température, qui pourrait être de l'ordre de 70 % entre les températures de 250C et 2000C. Quand la valeur de cette résistance devient trop importante, on en déduit que le rotor est trop chaud et qu'il faut réduire le courant d'excitation pour limiter le débit et l'échauffement de l'alternateur et de son rotor spécifiquement. Pour faciliter la compréhension de l'invention, on décrira tout d'abord le circuit régulateur selon la figure 2 puisque ce circuit permet de mesurer le courant d'excitation s'écoulant à travers l'enroulement d'excitation du rotor et dont la connaissance est nécessaire pour la mise en oeuvre de l'invention. Le circuit régulateur comprend dans sa partie gauche sur la figure 2, de façon classique en soi, un bobinage FD constituant le bobinage d'excitation ou bobinage rotorique d'un alternateur ou alterno-démarreur de véhicule automobile, un transistor de puissance Tex, de préférence en technologie MOS, connecté en série avec le bobinage FD entre la tension de sortie Ualt de l'alternateur (correspondant à la tension de batterie) et la masse. Une diode de roue libre est montée en antiparallèle avec le bobinage FD. Le courant qui circule dans le transistor Tex est noté Iex, tandis que le courant qui circule effectivement dans le bobinage FD est noté Iexc. Ces deux courants, sont illustrés respectivement en traits pleins et en traits interrompus sur la figure 3. De façon également classique, la grille du transistor Tex reçoit un signal de commande d'excitation Cex, constitué d'un signal à modulation de largeur d'impulsion dont l'allure est également illustrée sur la figure 3. On observe sur la figure 3 que par l'effet de lissage de l'inductance du bobinage FD, le courant Iexc présente une composante alternative très faible. Le courant Iex est quant à lui haché par le transistor Tex, et ce n'est qu'aux instants où Tex est fermé que les courants Iex et Iexc se superposent. Le dispositif selon l'invention comprend trois parties principales, à savoir un circuit 1 de mesure de courant dans le transistor Tex, un circuit 2 de mémorisation de la valeur mesurée, et un circuit de sortie 3 apte à délivrer des signaux représentatifs du niveau courant d'excitation Iexc. Le circuit 1 comprend tout d'abord un transistor Tm monté en miroir de courant avec le transistor Tex. Ce transistor TM a son drain reliée au drain de Tex et à la tension Ualt et sa grille reliée à la grille de Tex. Le transistor Tm est donc capable de recopier en un courant Im, avec un coefficient d'atténuation fixe prédéterminée, le courant Iex circulant entre le drain et la source de Tex. Par exemple, ce coefficient est de 1/1000. Avantageusement, pour assurer une bonne proportionnalité entre les courants Iex et Im, le transistor Tm est réalisé avec les mêmes cellules de base que le transistor de puissance Tex. Dans l'exemple choisi ici, il suffit d'utiliser pour réaliser Tm un nombre de cellules élémentaires du transistor Tex. La recopie proportionnelle du courant Tex dans Tm implique que les trois bornes de chaque transistor soient respectivement aux mêmes potentiels. On a vu plus haut que les drains et les grilles des transistors sont reliées ensemble. Pour ce qui concerne les potentiels de sources, on observe sur la figure 2 que les sources sont reliés ensemble par l'intermédiaire des entrées inverseuse et non inverseuse d'un amplificateur opérationnel Al, qui a pour propriété inhérente de maintenir ses deux entrées au même potentiel. La condition de recopie proportionnelle est donc remplie. La source Tm est en outre relié à l'émetteur d'un transistor bipolaire PNP Tl, dont la base est attaquée par la sortie de Al. Le circuit de mesure 1 comprend en outre une résistance R1 reliée entre le collecteur de Tl et la masse, et une résistance R2 et une diode Zéner écrêteuse DZ1 montées toutes les deux en série entre la source de Tex et la masse. Le collecteur de Tl est également relié à l'entrée non-inverseuse d'un amplificateur opérationnel A2, qui par définition ne tire aucun courant. Le courant Il sur le collecteur de Tl est donc égal au courant Im, au courant de base de Tl près que l'on négligera ici. Ce courant produit aux bornes de RI une tension Ul égale à Rill, et l'on comprend que cette tension Ul se présente sous la forme d'un signal de même forme d'onde et de niveau proportionnel au courant Iex dans Tex. La résistance R2 et la diode écrêteuse DZ1 (dont la tension en inverse est choisie de préférence égale à 5 volts) engendrent sur leur borne commune un signal logique EN représentatif de l'état ouvert ou fermé du transistor Tex. Ainsi, si Tex est fermé, un courant circule dans R2 et DZ1 et le signal EN est au niveau logique"1" ; si au contraire Tex est ouvert, un courant inverse circule dans DZ1 et R2 et le signal logique EN se situe à un faible niveau au-dessous du zéro volt de la masse, niveau correspondant à la tension de jonction de DZ1 soit typiquement-0, 8 volt, qui constitue un niveau logique "0". Le circuit de mémorisation 2 comprend en premier lieu un circuit compteur/décompteur CD dont les sorties parallèles (par exemple sur huit bits) sont reliées aux entrées parallèles d'un convertisseur numérique/analogique CNA. Le circuit 2 comprend également une entrée pour signal d'horloge CK (ou en variante une horloge interne) qui cadence le comptage et le décomptage réalisés par le circuit DC. L'amplificateur opérationnel A2, monté en comparateur, reçoit sur son entrée noninverseuse comme on l'a dit la tension Ul, et sur son entrée inverseuse la tension U2 de sortie du convertisseur CNA. Le comparateur A2 a pour objet d'engendrer un signal logique Up/Dn de sens de comptage/décomptage appliqué à l'entrée correspondante du compteur/décompteur CD. Le fonctionnement de ce circuit de mémorisation 2 est le suivant : - si Tex est ouvert, le signal EN est au niveau logique "0" si bien que le compteurjdécompteur CD est gelé la tension U2 reste donc à une valeur constante ; - si maintenant Tex est fermé, le signal EN est au niveau logique "1" pour activer le comptage/décomptage dans CD ; il existe alors deux possibilités : * si U2 la valeur de U2 augmente donc pour se rapprocher de U1 i * si au contraire U2 > Ul, la sortie de A2 est au niveau logique"0", ce qui cause un décomptage dans le circuit CD : la valeur de U2 diminue donc pour se rapprocher de Ul. Ainsi l'on comprend que, dès que Tex est fermé, le circuit CNA délivre une tension U2 qui par rétroaction est maintenue sur une valeur qui est la plus proche de Ul. Mais dès que Tex devient ouvert, le compteur/décompteur CD est arrêté, si bien que U2 conserve aussi longtemps que Tex est ouvert la dernière valeur acquise avant l'ouverture de Tex. L'allure de l'évolution de la tension U2 (en traits pleins) est illustrée sur la figure 2. On observe donc qu'en se calant sur la valeur de crête de U1 (illustrée en traits interrompus), la tension U2 est sensiblement proportionnelle au courant Iexc circulant effectivement dans le bobinage FD. On observera ici que la tension U2 peut être directement utilisée comme sortie du circuit de l'invention. Toutefois, dans le cas d'un environnement exposé à des perturbation électromagnétiques, un tel signal peut être faussé par de telles perturbations, ou encore par décalage inopiné du potentiel de masse, qui peut se produire dans les véhicules. En outre, la valeur ohmique de la résistance R1 peut varier assez fortement, en particulier si elle est réalisée en technologie monolithique. Le dispositif de l'invention comprend donc avantageusement un circuit de sortie 3. Ce circuit comprend un générateur de courant construit autour d'un amplificateur opérationnel A3, d'un transistor bipolaire NPN T2 et d'une résistance R3. L'amplificateur A3 reçoit sur son entrée non-inverseuse la tension U2 produite par le circuit de mémorisation 2, et son entrée inverseuse est reliée à l'émetteur de T2. La sortie de A3 est quant à elle reliée à la base de T2. La résistance R3 est montée entre l'émetteur de T2 et la masse. Le circuit 3 comprend également un sélecteur Corn et un circuit à miroir de courant construit autour de transistors MOS T3 et T4, d'un transistor bipolaire PNP T5, de résistances R4 et R5 et d'une diode bipolaire Dl. Plus précisément, le contact mobile du sélecteur Com est relié au collecteur de T2, tandis que l'un de ses contacts fixes est relié à la cathode de Dl ainsi qu'à la base de T5. L'anode de Dl est reliée à la grille et au drain de T3, dont la source est reliée à la tension Ualt via la résistance R4. De l'autre côté du miroir de courant, le transistor T5 a sa source reliée à la tension Ualt via la résistance R5, sa grille reliée à la grille de T4 et son drain relié à l'émetteur de T5. L'autre contact fixe du sélecteur Com est relié au collecteur de T5 ainsi qu'à une borne de sortie Sim du dispositif. Le fonctionnement du circuit de sortie 3 est le suivant. En premier lieu, le circuit générateur de courant A3, T2, R3 engendre au niveau du collecteur de T2 un courant Isl qui est proportionnel à la tension U2. En outre, si l'on choisit pour R3 une valeur ohmique égale à celle de R1, alors le courant Isl est sensiblement égal au courant Im pendant les phases où Tex est fermé. Lorsque le circuit Com a son contact mobile dans la position illustrée en traits pleins, le miroir de courant T3, T4, T5, Dl, R4, R5 est actif pour produire au niveau du collecteur de T5, et donc sur la borne de sortie Sim, un courant sortant Is2 qui est proportionnel à Isl ou égal à celui-ci. On notera ici que la tension de jonction de la diode Dl située du côté de T3 permet d'assurer une polarisation identique au niveau de T3 et de T4, étant donné que T4 a de son côté à subir la tension de jonction émetteur/base de T5. On notera également que les résistances R4 et R5 sont des résistances d'équilibrage permettant de conserver une bonne proportionnalité ou égalité entre les courants Isl et Is2. A l'inverse, dans le cas où le sélecteur Corn occupe la position indiquée en pointillés, c'est le courant Is2 qui est appliqué directement comme courant entrant sur la borne sortie Sim. Ainsi le sélecteur Corn permet, en offrant un mode de sortie"courant sortant"et un mode de sortie"courant entrant", une plus grande souplesse d'interfaçage du dispositif de l'invention avec un dispositif de contrôle moteur existant. Le dispositif ci-dessus présente comme on va le voir de bonnes propriétés en matière de compensation thermique. En particulier, le courant Isl ou Is2 engendré en sortie présente une excellente proportionnalité (ou égalité) avec le courant Il lui-même proportionnel au courant dans le transistor Tex. Plus précisément, on comprend que pendant les phases où Tex est passant, on a par construction : U1 = U2 = U3 On a également : U1 = Rl. Il et U3 = R3. Isl Si le rapport R1/R3 est constant, alors la proportionnalité entre Il et Isl est garantie. En outre, si l'on choisit R1 = R3, alors on a : Isl = Il Pour ce qui concerne maintenant la proportionnalité entre Im (sensiblement égal à Il) et Iex, elle est garantie lorsque les transistors Tex et Tm sont polarisés de la même façon et réalisés avec les mêmes cellules élémentaires sur un substrat semi-conducteur commun. Enfin la proportionnalité ou l'égalité entre les valeurs de Isl et Is2 est garantie par le recours à des transistors T3 et T4 polarisés identiquement et à des résistances proportionnelles ou identiques, respectivement. Comme on l'a indiqué, le dispositif décrit cidessus est avantageusement réalisé sous forme d'un circuit monolithique, et de préférence sur la même puce de semi-conducteur que le circuit régulateur d'excitation (comportant en particulier le transistor Tex et la diode DL) de l'alternateur ou alterno-démarreur. Dans ce cas, on réalise avantageusement les transistors jouant le rôle de miroirs de courant (à savoir Tex et Tm d'une part, et T3 et T4 d'autre part) à partir des mêmes cellules élémentaires. En outre, on réalise avantageusement les résistances R1 et R3 d'une part, et R4 et R5 d'autre part, pour qu'elles soient exposées aux mêmes conditions thermiques. Comme on l'a décrit, le circuit de la figure 2 est apte à transmettre un signal représentatif du courant d'excitation au dispositif de contrôle moteur sous forme d'un courant. Dans ce cas, le dispositif de contrôle moteur possède un dispositif de conversion analogique/numérique capable de dériver de ce courant une valeur numérique utilisable dans les traitements qu'il effectue. En variante, le circuit de la figure 2 peut incorporer, en aval de la borne Sim, un tel circuit de conversion analogique/numérique, l'information étant dans ce cas transmise au dispositif de contrôle moteur sous forme numérique, par exemple selon des formats ou protocoles numériques standard tels que le"bit synchrone"ou le"LIN". En se reportant à la figure 1 on décrira maintenant le système permettant d'éviter la surchauffe de l'alternateur. Cette figure montre en haut le signal d'excitation Uex qui est délivré par le transistor d'excitation Tex et caractérisé par son rapport cyclique T. Le régulateur, de façon connue en soi, mesure et régule la tension du réseau de bord Vreg. Comme il a été décrit ci-avant, le régulateur est également apte à mesurer le courant d'excitation Iexc qui s'écoule à travers l'enroulement inducteur FD du rotor de l'alternateur et dont le tracé typique est donné sur la figure 3. Ce courant d'excitation Iexc est représenté sur la figure 1 en-dessous de la tension d'excitation Uex. La résistance du rotor s'obtient par mise en relation des valeurs de la tension du réseau de bord Vreg, du rapport cyclique d'excitation T et du courant d'excitation Iexc. En effet, si on néglige la chute de tension dans le transistor d'excitation Tex, dans les balais et dans la diode de roue libre, la tension moyenne Urot appliquée au rotor est pratiquement égale à : Urot = Vreg x T Cette relation s'avère bien juste pour les cas de surchauffe lorsque les rapports cycliques d'excitation sont importants et l'effet de la diode de roue libre est faible. La valeur de la résistance du rotor Rrot s'obtient alors par l'équation suivante : Rrot = Urot/Iexc = (Vreg x ï)/lexc Le régulateur notamment lorsqu'il comporte une architecture numérique avec micro-processeur peut réaliser ce calcul. On peut considérer que la tension du réseau de bord Vreg varie peu car cette valeur ne dépend que de la compensation thermique acceptable pour la charge de la batterie. Dans ces conditions, la tension du réseau de bord peut être assimilée à une constante K, et la valeur de la résistance du rotor peut être calculée en appliquant l'équation suivante : Rrot = K xï/Iexc Or, comme le montre la figure 1, le courant d'excitation Iexc n'est pas rigoureusement constant et varie en fonction des alternances du signal d'excitation Uex, ce qui peut perturber le calcul de la résistance du rotor Rrot. En effet, ce courant augmente lorsque le transistor d'excitation Tex est fermé pendant la période de fermeture F et diminue quand le transistor est ouvert pendant la période O. Pour éviter le problème occasionné par la variation du courant d'excitation, on amène conformément à l'invention le régulateur à mesurer la valeur de crête négative du courant d'excitation Iexc juste après la fermeture du transistor d'excitation Tex, c'est-à-dire la valeur mesurée à l'instant tl, et la valeur de crête positive de ce courant, mesurée juste avant l'ouverture du transistor Tex, c'est-à-dire à l'instant t2, comme le montre la figure 1. La valeur moyenne du courant d'excitation est la moyenne des valeurs de crête négative et positive. Or, pour assurer un bon niveau de régulation, le rapport cyclique d'excitation peut varier fortement d'une période à l'autre. Pour prendre en compte cette variation, il est proposé de faire aussi la moyenne du rapport cyclique sur plusieurs périodes. Cette moyenne est facilement réalisable avec un régulateur numérique. Dans certains dispositifs elle est obtenue automatiquement. Par exemple si l'on utilise les solutions décrites dans le brevet français 2 747 860 de la demanderesse, la valeur du rapport cyclique utilisée pour la boucle fermée peut être considérée comme une valeur moyenne du rapport cyclique d'excitation permettant le calcul de la résistance du rotor Rrot. Le système de contrôle qui vient d'être décrit comme étant particulièrement applicable à des alternateurs ou alterno-démarreur à fort débit pour véhicule automobile est utilisable dans tous les cas où un problème de surchauffe identique ou similaire au problème qui a été décrit se pose. La méthode de contrôle de la température de l'enroulement par établissement de la résistance de cette enroulement est bien entendu utilisable dans des dispositifs de charge de la batterie pour véhicule automobile. REVENDICATIONS 1. Dispositif de contrôle de la température de l'enroulement inducteur du rotor d'une machine électrique tournante tel qu'un alternateur, notamment pour véhicule automobile, du type comprenant des moyens indicateur de la température du rotor et des moyens de régulation du courant d'excitation du rotor en fonction de la température indiquée, caractérisé en ce que les moyens indicateur de la température du rotor sont formés par la résistance de l'enroulement inducteur (FD) du rotor. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de réduction du courant d'excitation (Iexc) lorsque la valeur de la résistance est égale ou supérieure à une valeur prédéterminée. 3. Dispositif selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens d'établissement de la valeur de la résistance de l'enroulement inducteur à partir d'au moins trois paramètres, à savoir le rapport cyclique du signal d'excitation, la valeur du courant d'excitation et la valeur de la tension régulée de la source d'alimentation en énergie électrique. 4. Dispositif selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens d'établissement de la valeur de la résistance de l'enroulement inducteur à partir d'au moins deux paramètres, à savoir le rapport cyclique du signal d'excitation et la valeur du courant d'excitation de la source d'alimentation en énergie électrique. 5. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif de mesure du courant d'excitation. 6. Dispositif selon une des revendications 3,4 ou 5 caractérisé en ce qu'il comporte des moyens pour calculer la valeur moyenne du courant d'excitation. 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que la valeur moyenne du courant d'excitation est établie à partir des valeurs de crêtes positive et négative du courant d'excitation, mesurées juste après la fermeture du commutateur d'excitation de passage du courant d'excitation et juste avant l'ouverture du commutateur. 8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que la valeur moyenne est établie sur plusieurs périodes du signal d'excitation. 9. Dispositif de charge de la batterie pour véhicule automobile comportant un alternateur, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif de contrôle selon l'une des revendications 1 à 8.