Brevet FR2944398A1 — publié le 20101015

-1 DISPOSITIF D'ALIMENTATION D'UN BOBINAGE DE ROTOR D'UN ALTERNATEUR DE VEHICULE AUTOMOBILE ET ALTERNATEUR CORRESPONDANT La présente invention concerne un dispositif d'alimentation d'un bobinage de rotor d'une machine électrique tournante telle qu'un alternateur ou alternodémarreur de véhicule automobile. L'invention concerne aussi une machine électrique tournante comprenant ce dispositif. io De manière connue en soi, un alternateur pour véhicule automobile comprend un rotor bobiné, habituellement de type Lundell, qui alimenté par le réseau de bord et constituant l'inducteur, et un stator à plusieurs enroulements, constituant l'induit et produisant une puissance électrique polyphasée. Dans le réseau électrique de bord d'un véhicule automobile, par exemple 15 lorsque intervient une déconnexion de la batterie, il apparaît un phénomène de surtension connu par les hommes du métier comme étant le phénomène de � Load Dump� dans la terminologie anglo-saxonne. Ce phénomène de surtension découlant essentiellement de la constante de temps d'inductance (bobine d'excitation) du rotor est de nature à provoquer une détérioration de certains 20 composants électroniques présents dans les équipements de bord du véhicule. Le pont à transistors, généralement de type MOS-FET, inclus dans un alternateur à redressement synchrone ou un alterno-démarreur, peut aussi être endommagé consécutivement à une surtension non maîtrisée. Une solution connue pour palier à ce phénomène de surtension consiste à 25 prévoir un circuit de démagnétisation rapide du rotor de la machine qui vient ouvrir le circuit électrique alimentant en courant la bobine et cela lorsqu'une surtension apparaît sur le réseau de bord. Un tel circuit de démagnétisation rapide est également utilisé dans un alterno-démarreur lors d'une commutation de mode de fonctionnement de la 30 machine du mode démarreur vers le mode alternateur. Dans l'alterno-démarreur, il est alors nécessaire de démagnétiser le rotor, d'une part, pour éviter un calage du moteur thermique qui serait alors la conséquence d'un couple mécanique prélevé trop important et, d'autre part, l'apparition d'une éventuelle surtension due au temps de réponse de la boucle de régulation en tension déterminée -2- essentiellement, comme indiqué ci-dessus, par la constante de temps d'inductance du rotor. Un circuit de démagnétisation rapide selon la technique antérieure est précisément décrit dans la demande de brevet français FR-A-2802361 de la demanderesse, dont la Figure 1 ci-après est extraite. Dans ce circuit, prévu dans un alterno-démarreur, la démagnétisation rapide du rotor est obtenue en inversant la tension appliquée par le réseau de bord aux bornes d'un bobinage du rotor. Un tel circuit autorise une maîtrise de la surtension apparaissant du fait du temps de réponse de la boucle de régulation en tension, mais présente io l'inconvénient de laisser circuler des pics importants de courant lors de l'ouverture du circuit et de la réaction inductive consécutive de la bobine de rotor. Ces pics de courant peuvent être la source d'importantes perturbations sur ce même réseau, rendant plus difficile à obtenir la conformité des équipements aux tests de compatibilité électromagnétique (CEM). Il est donc souhaitable de proposer des 15 perfectionnements à ces circuits de démagnétisation rapide. Selon un premier aspect, la présente invention concerne un dispositif d'alimentation d'un bobinage de rotor d'une machine électrique tournante pour véhicule automobile, comprenant : un élément de commutation reliant une première borne du bobinage de rotor 20 à une première ligne d'alimentation d'un réseau de bord ; une première diode connectée entre la première borne et une seconde ligne d'alimentation du réseau de bord, de polarité opposée à celle de la première ligne d'alimentation ; un interrupteur de démagnétisation reliant une seconde borne du bobinage 25 de rotor à la seconde ligne d'alimentation ; au moins une seconde diode dont une première électrode est connectée à la deuxième borne ; et un circuit de commande apte à commander l'ouverture de l'interrupteur de démagnétisation en cas d'une surtension du réseau de bord. 30 Conformément à l'invention, au moins un exemplaire de la seconde diode est constitué d'une diode Zener. Selon un premier mode de réalisation de l'invention, cette diode Zener présente avantageusement une deuxième électrode connectée à la seconde ligne d'alimentation. -3- Selon un deuxième mode de réalisation de l'invention, cette diode Zener et une diode normale sont fort avantageusement reliées en série dans des sens opposés, et montées en parallèle sur le bobinage de rotor. Dans l'un ou l'autre des modes de réalisation précédents, l'interrupteur de 5 démagnétisation est constitué de préférence d'un transistor bipolaire de puissance dont une base est reliée au circuit de commande. Selon un troisième mode de réalisation de l'invention, cette diode Zener et une diode normale sont également reliées en série dans des sens opposés, et l'on tire bénéfice du montage de l'ensemble entre la seconde borne du bobinage de io rotor et une électrode de commande d'un transistor de puissance constituant l'interrupteur de démagnétisation. Dans ce troisième mode de réalisation de l'invention, le transistor de puissance est avantageusement constitué d'un transistor à effet de champ, de préférence de type MOSFET, dont une grille constituant l'électrode de commande 15 est reliée au circuit de commande. Dans tous les modes de réalisation de l'invention, le circuit de commande est de préférence un comparateur de tensions à hystérésis. De préférence, la première et seconde lignes d'alimentation sont destinées à être reliées respectivement aux bornes positive et négative d'une batterie de bord. 20 Selon un autre aspect, l'invention concerne une machine électrique tournante, telle qu'alternateur ou alterno-démarreur, comprenant un dispositif d'alimentation d'un bobinage de rotor tel que décrit brièvement ci-dessus. Ces quelques spécifications essentielles auront rendu évidents pour l'homme de métier les avantages apportés par ce dispositif d'alimentation et son 25 utilisation dans un alternateur-démarreur par rapport à l'état de la technique antérieur. Les spécifications détaillées de l'invention sont données dans la description qui suit en liaison avec les dessins ci-annexés. Il est à noter que ces dessins n'ont d'autre but que d'illustrer le texte de la description et ne constituent en aucune 30 sorte une limitation de la portée de l'invention. La Figure 1 montre le schéma de principe d'un dispositif d'alimentation d'un bobinage de rotor d'une machine électrique telle qu'un alternateur-démarreur de véhicule, notamment automobile, et comportant un circuit de démagnétisation, connu de l'état de la technique. -4- La Figure 2 montre le schéma de principe d'un premier mode de réalisation d'un dispositif d'alimentation d'un bobinage de rotor d'une machine électrique selon l'invention. La Figure 3 montre le schéma de principe d'un deuxième mode de 5 réalisation d'un dispositif d'alimentation d'un bobinage de rotor d'une machine électrique selon l'invention. La Figure 4 montre le schéma de principe d'un troisième mode de réalisation d'un dispositif d'alimentation d'un bobinage de rotor d'une machine électrique selon l'invention. io Le rappel du principe de fonctionnement d'un dispositif d'alimentation 1 d'un bobinage de rotor LEXC d'alternateur-démarreur comportant un circuit de démagnétisation DDMG, T2 connu, tel que représenté schématiquement sur la Figure 1, permettra de bien comprendre l'apport de l'invention dont plusieurs schémas sont montrés sur les Figures 2 à 4. 15 La Figure 1 montre deux interrupteurs Tl ,T2, réalisés de préférence sous la forme de transistors, une diode de démagnétisation rapide DDMG, et une diode de roue libre DRL. Le premier interrupteur Ti relie une première borne 2 du bobinage de rotor LEXC à la masse 3. 20 Le second interrupteur T2 relie la seconde borne 4 du bobinage de rotor LEXC à la ligne d'alimentation positive B+ du réseau de bord. En mode démarreur les premier et second interrupteurs Ti, T2 sont fermés, de sorte que le bobinage de rotor LEXC est alimenté par le réseau de bord. En mode alternateur, le second interrupteur T2 reste fermé, tandis que le 25 premier interrupteur Ti commute pour avoir un rapport cyclique variable en fonction de la tension du réseau de bord. La diode de démagnétisation DDMG est montée entre la seconde borne 4 du bobinage de rotor LEXC et la masse 3 de telle sorte qu'elle ne conduise pas quand le second interrupteur T2 est fermé. 30 La diode de roue libre DRL est montée de manière classique entre la première borne 2 du bobinage de rotor LEXC et la ligne d'alimentation positive B+, de telle sorte qu'elle conduise l'extra-courant de rupture au moment de l'ouverture de Ti, le second interrupteur T2 restant fermé. -5- Une démagnétisation rapide du rotor est obtenue en ouvrant le second interrupteur T2 tout en maintenant simultanément le premier interrupteur Ti ouvert. Dans ce cas, comme le montre bien la Figure 1, la diode de roue libre DRL et la diode de démagnétisation DDMG sont conductrices, et le bobinage de rotor LEXC restitue rapidement au réseau de bord, sous forme d'un courant électrique 5, l'énergie magnétique stockée, en étant soumis à une tension opposée à celle appliquée en fonctionnement normal. Afin d'éviter les perturbations du réseau de bord dues à la brusque inversion de la polarité de la tension d'alimentation du bobinage de rotor LEXC à partir de io celui-ci, il est proposé un circuit de démagnétisation mettant en oeuvre au moins une diode de démagnétisation constituée par une diode Zener ZDMG. Les Figures 2, 3 et 4 montrent trois modes de réalisation préférés du circuit de démagnétisation selon l'invention. A la différence du montage précédent, dans ces trois exemples, la charge 15 constituée par le bobinage de rotor LEXC est connectée, en fonctionnement normal, en permanence à la masse au lieu d'être connectée en permanence à la ligne positive B+ du réseau de bord. L'élément de commutation Ti alimentant le bobinage de rotor LEXC à partir de la ligne positive B+ du réseau est constitué par un transistor de puissance 6, de 20 préférence de type MOSFET, commandé par un signal à modulation de largeur d'impulsion PWM en fonction de la tension du réseau. Une diode de roue libre DRL assure, en fonctionnement normal du dispositif d'alimentation 1, c'est-à-dire quand l'interrupteur de démagnétisation T2 connecte le bobinage de rotor LEXC à la ligne négative du réseau B- (T2 fermé), 25 généralement mise à la masse 3, la circulation de l'extra-courant de rupture généré par la commutation périodique de Ti. Dans le mode de réalisation préféré représenté sur la Figure 2, l'interrupteur de démagnétisation T2 est constitué d'un transistor bipolaire de puissance 7. La base 8 de ce transistor 7 est reliée à la sortie d'un circuit comparateur de 30 tensions à hystérésis 9 qui détecte toute surtension sur le réseau de bord. La diode de démagnétisation est une diode Zener ZDMG montée entre le collecteur et l'émetteur du transistor bipolaire 7. -6- Quand une surtension est détectée sur le réseau de bord, le rapport cyclique du signal PWM est réduit à zéro, et simultanément le circuit comparateur 9 commande l'ouverture du transistor de démagnétisation T2. Ce phénomène (Ti et T2 ouverts) va appliquer une tension négative sur le 5 bobinage de rotor LEXC, déterminée par la tension de claquage de la diode Zener ZDMG, à la tension de déchet de la diode de roue libre DRL près. De même que dans le dispositif d'alimentation 1 connu de l'état de la technique, représenté sur la Figure 1, la démagnétisation du rotor est de ce fait rapide, sans toutefois générer autant de perturbations du fait de la circulation d'un io courant moins important dans le bobinage de rotor LEXC. Pour une résistance du bobinage de rotor LEXC déterminée, l'intensité du courant 10 circulant dans ce bobinage, et par conséquent la durée de la démagnétisation, est fonction de la tension de claquage Zener : plus cette tension est élevée, plus la démagnétisation est rapide. 15 La Figure 3 montre un deuxième mode de réalisation du dispositif d'alimentation d'un bobinage de rotor selon l'invention. Dans ce deuxième mode de réalisation, le circuit de démagnétisation comprend deux diodes de démagnétisation DDMG, ZDMG permettant la circulation du courant de démagnétisation 11. 20 Un exemplaire de ces diodes DDMG, ZDMG est une diode normale DDMG, et l'autre exemplaire est une diode Zener ZDMG. Les deux diodes sont reliées en série dans des sens opposés, et montées en parallèle sur le bobinage de rotor LEXC. De même que dans le premier mode de réalisation préféré représenté sur la 25 Figure 2, l'interrupteur de démagnétisation T2, connectant le bobinage de rotor LEXC à la masse 3 en fonctionnement normal, est également constitué dans ce deuxième mode de réalisation préféré d'un transistor bipolaire de puissance 7. La base 8 de ce transistor 7 est également reliée à la sortie d'un circuit comparateur de tensions à hystérésis 9 qui détecte toute surtension sur le réseau 30 de bord. Une surtension sur ce réseau déclenche l'ouverture du transistor de démagnétisation T2, ce qui produit l'apparition d'une tension de polarité inverse aux bornes de le bobinage de rotor LEXC. Cette tension de polarité inverse est sensiblement égale à la tension de claquage de la diode Zener ZDMG plus la -7- tension de conduction directe, de l'ordre de 0,6 Volt, de la diode DDMG. Le courant 11 circulant dans le bobinage de rotor LEXC est d'autant plus limité en amplitude maximale que la tension de claquage de la diode Zener ZDMG sera élevée. Cette limitation du courant 11, introduite par la diode Zener ZDMG, autorise une réduction des perturbations électromagnétiques et corrélativement de meilleures performances CEM. Dans le troisième mode de réalisation préféré de l'invention, représenté sur la Figure 4, l'interrupteur de démagnétisation T2 est constitué d'un autre transistor à effet de champ de puissance 12, de type MOSFET, dont la grille 13 est io connectée à la fois à la sortie du comparateur de tensions à hystérésis 9, et à un ensemble constitué par une diode normale DDMG reliée en série, dans un sens opposé, à une diode Zener ZDMG, connecté par ailleurs à la seconde borne 4 du bobinage de rotor LEXC. On peut considérer que le MOSFET de puissance 12, fonctionne, quand la 15 commande de démagnétisation est appliquée sur sa grille 13, comme une diode Zener de puissance, selon le schéma montré sur la Figure 2, dont la tension de claquage est fixée par la tension de claquage de la diode Zener ZDMG insérée dans le circuit de grille 13 (à la tension de déchet de la diode normale DDMG près). L'avantage de ce montage est que les diodes de démagnétisation DDMG, 20 ZDMG peuvent être des diodes de faible puissance. De plus, l'effet de contre-réaction drain-grille entraîne une décroissance plus progressive du courant de démagnétisation 14, ce qui a pour avantage de limiter les perturbations électromagnétiques émises. Comme il va de soi l'invention ne se limite pas aux seuls modes d'exécution 25 préférentiels décrits ci-dessus, Une description analogue pourrait porter sur des diodes de démagnétisation DDMG, ZDMG en nombre supérieur à deux, montées en parallèle ou en série, afin, notamment, d'obtenir une puissance dissipée plus importante, ou une tension Zener plus élevée. 30 Les Figures 2, 3 et 4, montrent des montages où la charge LEXC est connectée à la source du MOSFET 6 de commutation. Des montages équivalents pourraient être réalisés où la charge LEXC serait connectée au drain, de manière analogue au montage de la bobine de rotor LEXC représenté sur la Figure 1. -8- De plus, les types particuliers des éléments à semi-conducteur représentés sur les Figures 2, 3 et 4, c'est-à-dire des MOSFET canal N (12) et canal P (6), et un transistor bipolaire NPN (7), ne sont donnés qu'à titre d'exemple. L'invention embrasse toutes les variantes possibles de réalisation mettant en oeuvre tout autre type d'élément à semi-conducteur présentant des fonctionnalités équivalentes à ceux cités, au prix éventuellement d'une permutation des polarités des tensions appliquées ou d'un recours à une pompe de charge, dans la mesure où ces variantes restent dans le cadre défini par les revendications ci-après. REVENDICATIONS1) Dispositif d'alimentation (1) d'un bobinage de rotor (LEXC) d'une machine électrique tournante pour véhicule automobile, comprenant : un élément de commutation (Ti) reliant une première borne (2) dudit bobinage de rotor (LEXC) à une première ligne d'alimentation (B+) d'un réseau de bord ; une première diode (DRL) connectée entre ladite première borne (2) et une seconde ligne d'alimentation (B-) dudit réseau de bord, de polarité opposée à celle io de ladite première ligne d'alimentation (B+) ; un interrupteur de démagnétisation (T2) reliant une seconde borne (4) dudit bobinage de rotor (LEXC) à ladite seconde ligne d'alimentation (B-) ; au moins une seconde diode dont une première électrode est connectée à ladite deuxième borne (4) ; et 15 un circuit de commande (9) apte à commander l'ouverture dudit interrupteur de démagnétisation (T2) en cas d'une surtension dudit réseau de bord ; caractérisé en ce qu'au moins un exemplaire de ladite seconde diode est constitué d'une diode Zener (ZDMG). 20 2) Dispositif d'alimentation (1) d'un bobinage de rotor d'une machine électrique selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite diode Zener (ZDMG) présente une deuxième électrode connectée à ladite seconde ligne d'alimentation (B-). 25 3) Dispositif d'alimentation (1) d'un bobinage de rotor (LEXC) d'une machine électrique selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite diode Zener (ZDMG) et une diode normale (DDMG) sont reliées en série dans des sens opposés, et montées en parallèle sur ledit bobinage de rotor (LEXC). 30 4) Dispositif d'alimentation (1) d'un bobinage de rotor (LEXC) d'une machine électrique selon l'une quelconque des revendication 2 ou 3 précédentes, caractérisé en ce que ledit interrupteur de démagnétisation (T2) est constitué d'un- 10 - transistor bipolaire de puissance (7) dont une base (8) est reliée audit circuit de commande (9). 5) Dispositif d'alimentation (1) d'un bobinage de rotor (LEXC) d'une machine électrique selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite diode Zener (ZDMG) et une diode normale (DDMG) sont reliées en série dans des sens opposés, et montées entre ladite seconde borne (4) dudit bobinage (LEXC) et une électrode de commande (13) d'un transistor de puissance (12) constituant ledit second interrupteur (T2). i0 6) Dispositif d'alimentation (1) d'un bobinage de rotor (LEXC) d'une machine électrique selon la revendication 5, caractérisé en ce que ledit transistor de puissance (12) est constitué d'un transistor à effet de champ, de préférence de type MOSFET, dont une grille (13) constituant ladite électrode de commande est reliée 15 audit circuit de commande (9). 7) Dispositif d'alimentation (1) d'un bobinage de rotor (LEXC) d'une machine électrique selon l'une quelconque des revendication 1 à 6 précédentes, caractérisé en ce que ledit circuit de commande (9) est un comparateur de tensions à 20 hystérésis. 8) Dispositif d'alimentation (1) d'un bobinage de rotor (LEXC) d'une machine électrique selon l'une quelconque des revendication 1 à 7 précédentes, caractérisé en ce que ladite première ligne d'alimentation (B+) et ladite seconde ligne 25 d'alimentation (B-) sont destinées à être reliées respectivement aux bornes positive et négative d'une batterie de bord. 9) Machine électrique tournante pour véhicule automobile, comprenant un dispositif d'alimentation (1) d'un bobinage de rotor (LEXC) selon l'une quelconque des 30 revendications 1 à 8 précédentes. 10) Machine électrique tournante selon la revendication 9 sous la forme d'un alternateur ou d'un alterno-démarreur.