Brevet FR2966303A1 — publié le 20120420

Machine électrique tournante et son procédé de commande L'invention concerne une machine électrique tournante, ainsi que son procédé de commande. Dans un véhicule électrique, hybride ou à pile à combustible, on utilise comme élément moteur une machine électrique tournante de traction qui comprend un rotor entrainé par un stator. Cette machine électrique tournante est excitée par de nombreuses forces d'excitation générant des harmoniques. Ces harmoniques engendrent des vibrations et des bruits qui peuvent être particulièrement gênants pour le conducteur et les passagers. Ces forces d'excitation résultent du fonctionnement normal de la machine et ne peuvent en conséquence pas être éliminées. On cherche toutefois à limiter ces nuisances sonores par différents moyens. Il est connu d'agir sur les excentricités statique et/ou dynamique du moteur, ce qui impose une qualité de construction et d'assemblage qui augmente les performances du moteur mais également son coût de fabrication. Il est également connu de configurer spécifiquement les bobinages et/ou la denture du moteur afin de générer peu d'harmoniques mais ces solutions sont plus coûteuses et complexes qu'une solution traditionnelle. Une architecture classique d'un véhicule électrique comprend une batterie haute tension qui alimente d'une part un moteur électrique par l'intermédiaire d'un onduleur, et d'autre part le réseau de bord du véhicule, et éventuellement recharge une batterie, par l'intermédiaire d'un convertisseur. Afin de réduire le bruit du moteur il est également connu d'agir sur la fréquence de hachage de l'onduleur mais cette solution, généralement discrète, intervient directement sur les performances de la machine. On cherche donc à réduire les nuisances acoustiques générées par une machine électrique tournante sans compromettre les performances ni le coût de la machine. A cet effet, il est proposé une machine électrique tournante comprenant au moins : un premier circuit statorique apte à entrainer un rotor, un premier moyen de commande apte à piloter le premier circuit statorique afin de faire avancer un véhicule, un moyen de mesure pour mesurer au moins une valeur de paramètre représentatif des perturbations acoustiques de la machine électrique, un moyen de calcul pour déterminer une consigne de commande à partir de ladite au moins une valeur mesurée, un deuxième circuit statorique apte à entrainer ledit rotor, un deuxième moyen de commande apte à piloter le deuxième circuit statorique indépendamment du premier circuit statorique, le deuxième moyen de commande étant agencé pour appliquer la consigne déterminée par les moyens de calculs au deuxième circuit statorique afin de réduire les perturbations acoustiques de la machine électrique. Cette machine électrique tournante est ainsi agencée pour corriger de façon active les perturbations acoustiques. Les nuisances sonores et/ou vibratoires sont ainsi réduites. Cette machine électrique tournante génère donc peu de perturbations acoustiques, et ce sans qu'il soit nécessaire d'agir sur les excentricités ou le bobinage du moteur, ni sur la fréquence de hachage d'un onduleur commandant le premier circuit statorique. Un tel dispositif peut notamment permettre d'effectuer une compensation active du bruit, des pulsations actives de couple, des vibrations radiales et/ou des composantes de champ magnétique générant des pertes fer excessive. Le fait d'avoir une stratégie de commande indépendante par circuit statorique peut notamment permettre d'avoir un fonctionnement indépendant en moteur ou en générateur pour chaque circuit et ainsi permettre une meilleure gestion des nuisances sonores et/ou vibratoires dans les circuits statoriques. Une telle configuration peut notamment permettre de compenser les effets acoustiques du premier circuit statorique par le deuxième circuit statorique sans influer sur les performances du premier circuit. Le premier circuit statorique permet ainsi d'entraîner le rotor afin de faire avancer le véhicule, tandis que le deuxième circuit statorique permet de compenser au moins en partie les défauts résultant du fonctionnement de la machine électrique tournante. En particulier, le premier moyen de commande peut être apte à piloter la machine électrique tournante afin de répondre à un fonctionnement primaire normal. Par fonctionnement primaire normal on comprend que le premier moyen de commande peut être apte à piloter la machine électrique tournante afin de faire avancer un véhicule, c'est-à-dire de le faire avancer vers l'avant du véhicule ou reculer vers l'arrière du véhicule. Avantageusement, le deuxième circuit statorique peut être utilisé pour la mesure d'une ou plusieurs valeurs de paramètre représentatif des perturbations acoustiques de la machine. Par exemple, on peut effectuer des mesures de tension et d'intensité en sortie du deuxième circuit statorique. Les valeurs de mesure établies en sortie du deuxième circuit statorique peuvent par exemple permettre de déterminer la force électromotrice, le spectre et donc les harmoniques de courant en sortie de ce deuxième circuit statorique. La gestion du moyen de commande permet de gérer les harmoniques de courant, et donc les nuisances sonores, en absorbant ou en injectant des harmoniques de courant dans le circuit de puissance. Avantageusement, le moyen de mesure peut comprendre un moyen de mesure de l'intensité et un moyen de mesure de la tension, qui permettent d'obtenir une valeur d'intensité et une valeur de tension, en sortie du deuxième circuit statorique. Selon un autre mode de réalisation, le moyen de mesure pourrait comprendre un accéléromètre ou encore un microphone. Avantageusement, le moyen de calcul peut comprendre : un estimateur de force électromotrice, pour déterminer des valeurs de la force électromotrice de la machine électrique à partir de valeurs d'intensité et de tension, - un filtre, pour décomposer les valeurs de la force électromotrice en un ensemble de valeurs spectrales, - un moyen de régulation, pour déterminer la consigne de commande à partir de l'ensemble des valeurs spectrales. En particulier, le filtre peut par exemple implémenter un algorithme de décomposition en transformée de Fourier rapide (FFI). En particulier, le moyen de régulation peut comprendre un régulateur proportionnel intégral dérivé (PID). Les valeurs d'harmoniques susceptibles de générer des nuisances sont les valeurs spectrales correspondant à l'ensemble des valeurs d'harmoniques. La force électromotrice permet notamment d'obtenir l'image du champ magnétique dans le moteur et d'en déduire les harmoniques, ou fréquences, qui génèrent des nuisances sonores. Les harmoniques correspondent à des fréquences dont l'étendue, dans le cas d'une machine électrique tournante, peut s'étendre par exemple de 0 à 20000 Hertz. Cette machine électrique tournante peut par exemple permettre de réduire les composantes spectrales correspondant aux harmoniques d'au maximum 50 % de leur valeur. Un tel circuit est relativement économique et, lors d'une intégration dans un véhicule automobile, peut notamment permettre de réutiliser des éléments déjà présents dans l'architecture. Avantageusement, l'un au moins des circuits statorique est de forte puissance et l'un au moins des circuits statorique est de basse puissance. Une telle configuration peut notamment permettre de compenser un défaut sur le circuit de puissance par un pilotage adapté du ou des circuits de basse puissance. Par basse puissance on comprendra que la valeur de tension pourra aller de 5 Volts à 60 Volts, avantageusement de 10 Volts à 20 Volts et plus particulièrement de 12 Volts à 16 Volts. Par haute puissance on comprendra que la valeur de tension pourra aller de 100 Volts à 500 Volts, avantageusement de 200 Volts à 400 Volts et plus particulièrement de 250 Volts à 400 Volts. En particulier, le deuxième circuit statorique peut alimenter un circuit en basse tension continue, par exemple en 14 Volts continu. Le deuxième circuit statorique convertit ainsi une partie de l'énergie mécanique du rotor en une énergie électrique, laquelle alimente le circuit en 14 Volts continu. Avantageusement, le circuit 14 Volts continu peut permettre d'alimenter un circuit de bord d'un véhicule et/ ou un moyen de stockage d'énergie. En particulier, le moyen de stockage d'énergie peut comprendre une batterie ou un condensateur. Le moyen de stockage d'énergie peut notamment permettre d'alimenter le deuxième circuit statorique. Ainsi, il n'est plus forcément nécessaire de prévoir un convertisseur continu-continu comme dans l'art antérieur. En particulier, la machine électrique tournante peut comprendre un premier circuit de puissance relié au premier circuit statorique, le premier circuit de puissance permettant de convertir une tension continue en une tension alternative. Avantageusement, le premier circuit de puissance peut comprendre un onduleur. Avantageusement, la tension continue peut être une haute tension. En particulier, la tension peut provenir d'une ou de plusieurs batterie(s) haute tension. En particulier, l'onduleur peut permettre de convertir une tension continue comprise entre sensiblement 200 et 400 V en une tension alternative comprise entre sensiblement 90 V et 180 V. En particulier, la machine électrique tournante peut également comprendre un deuxième circuit de puissance relié au deuxième circuit statorique, le deuxième circuit de puissance permettant de convertir une tension alternative en une tension continue. L'utilisation du deuxième circuit de puissance en tant que convertisseur peut notamment permettre de ne pas utiliser un hacheur et donc de réduire le coût du système d'alimentation en énergie électrique du véhicule. Avantageusement, le deuxième circuit de puissance peut être un convertisseur. En particulier, le convertisseur peut permettre de convertir une tension alternative comprise entre sensiblement 0 Volt et 60 Volts en une tension continue de sensiblement 14 Volts. L'invention concerne également un procédé de commande d'une machine électrique tournante comprenant un premier circuit statorique apte à entrainer un rotor, un premier moyen de commande apte à piloter le premier circuit statorique afin de faire avancer un véhicule, un deuxième circuit statorique apte à entrainer ledit rotor, et un deuxième moyen de commande apte à piloter le deuxième circuit statorique indépendamment du premier circuit statorique, le procédé comprenant : recevoir d'un moyen de mesure des valeurs de paramètre représentatif des perturbations acoustiques de la machine électrique tournante, - calculer une consigne de commande à partir des valeurs reçues, et - transmettre la consigne de commande pour application au deuxième moyen de commande afin de réduire les perturbations acoustiques de la machine électrique. En particulier les valeurs de mesure peuvent être des valeurs de mesure de la tension et de l'intensité. L'invention est maintenant décrite en faisant référence aux dessins annexés, non limitatifs, dans lesquels : La figure 1 est un schéma électrique simplifié d'un véhicule électrique selon l'art antérieur, La figure 2 est un schéma électrique simplifié d'un exemple de véhicule selon un mode de réalisation de l'invention. La figure 1 représente une architecture classique du circuit d'alimentation électrique d'un véhicule électrique. Le circuit d'alimentation de la figure 1 comprend une batterie haute tension 21 qui alimente d'une part un moteur électrique M permettant l'entrainement du véhicule et d'autre part l'alimentation du réseau de bord 31' du véhicule et d'une batterie basse tension 31. L'énergie de la batterie haute tension 21 traverse au préalable un onduleur 22 avant d'alimenter le moteur électrique M. L'onduleur 22 permet de convertir la tension continue de la batterie haute tension 21 en une tension alternative. L'énergie de la batterie haute tension 21 traverse également au préalable un convertisseur continu-continu 23 avant d'alimenter le réseau de bord 31' et la batterie basse tension 31. La tension de la batterie haute tension 21 est généralement comprise entre 200 V et 400 V et permet généralement d'alimenter le moteur avec une tension alternative comprise entre 80 Volts et 180 Volts. La tension du réseau de bord 31' et de la batterie 31 est généralement de l'ordre de 14 Volts. La figure 2 représente un exemple de schéma de principe selon un mode de réalisation de l'invention appliqué à un véhicule électrique. Une batterie haute tension 21 génère une tension continue de l'ordre de 400 Volts. Selon le mode de fonctionnement usuel, l'énergie de la batterie haute tension 21 passe par un convertisseur 22 qui permet de transformer la tension continue de 400 V en une tension alternative alimentant un premier circuit statorique 20. Ce premier circuit statorique 20 comprend un bobinage d'un stator, entrainant un rotor d'un moteur électrique. L'énergie électrique est ainsi convertie en énergie mécanique permettant d'entrainer le véhicule. Le convertisseur 22 est piloté par un dispositif de commande 24 qui agit sur la fréquence du convertisseur 22 et donc sur la vitesse du rotor. Le dispositif de commande 24 est par exemple directement relié à l'accélérateur du véhicule afin de répondre à une consigne C 1 proportionnelle aux sollicitations d'un utilisateur. Le principe du convertisseur en tant que variateur de vitesse agissant sur la fréquence est bien connu de l'homme du métier et nous ne détaillerons pas plus avant son fonctionnement. On prévoit de piloter un tel circuit de traction de façon à maximiser des critères du type densité de couple, rendement, facteur de puissance, ou autre. La rotation du rotor permet de générer une tension alternative par l'intermédiaire d'un deuxième circuit statorique 30. Cette tension, configurée par les bobinages du deuxième circuit statorique, peut être de l'ordre de 14 Volts et permet d'alimenter le réseau de bord 31' d'un véhicule par l'intermédiaire d'un convertisseur 32. Cette tension peut également permettre de recharger un moyen de stockage d'énergie 31, par exemple une batterie ou un condensateur. Ce moyen de stockage d'énergie 31 est utilisé d'une part pour l'alimentation du réseau de bord 31' du véhicule et d'autre part pour injecter une tension vers le deuxième circuit statorique 30. Le convertisseur 32 est piloté par un dispositif de commande 34, qui dépend d'une part d'une consigne C2, proportionnelle aux sollicitations du réseau de bord 31', et qui dépend d'autre part d'une consigne C3, déterminée par un circuit de commande 40 afin de réduire les nuisances sonores de la machine électrique 10. Le circuit de commande 40 comprend notamment des moyens de mesure 41,42, en sortie du deuxième circuit statorique, qui permettent de mesurer la tension U et l'intensité I. Ces deux valeurs permettent d'estimer la force électromotrice fem par l'intermédiaire d'un moyen de calcul 43. A titre d'exemple, la tension mesurée en sortie du deuxième circuit statorique 30 pourra s'étendre de 0 à 60 Volts. Le courant mesuré dépendra de la puissance extraite de la machine. Par exemple, une machine d'une puissance de 3 Kilowatts sous une tension de 14 Volts, aura une intensité du courant de l'ordre de 200 Ampères. Un filtre 44 permet alors de décomposer cette force électromotrice fém en valeurs spectrales et de déterminer les harmoniques qui génèrent des nuisances sonores selon une ou des bandes de fréquences qui auront été établies au préalable. Un moyen de régulation 45 permet de déterminer la consigne de commande C3 à partir des valeurs spectrales issues du filtre 44. Sur la base d'une stratégie de commande préétablie en fonction des harmoniques à éliminer, on recombine les harmoniques afin de déterminer une forme d'onde qui servira de consigne C3, envoyée au dispositif de commande 34 afin de réduire les nuisances sonores. Le convertisseur 32 peut alors être utilisé en onduleur ou en redresseur. Le convertisseur 32 fonctionne en onduleur ou en redresseur suivant l'harmonique considérée et suivant la stratégie de réduction des harmoniques utilisée. Ainsi, le convertisseur 32 pourra fonctionner en redresseur sur certaines harmoniques et ainsi tirer de l'énergie du deuxième circuit statorique et la convertir en courant continu qui sera stocké dans le moyen de stockage d'énergie 31. Simultanément, le convertisseur 32 pourra fonctionner en mode onduleur sur certaines autres harmoniques. Ainsi, le convertisseur 32 tirera du courant continu du moyen de stockage d'énergie 31 pour l'envoyer dans le second circuit statorique 30 sous forme de courant alternatif aux fréquences des harmoniques considérés. La moyen de stockage d'énergie 31 peut-être en particulier une batterie électrochimique ou un condensateur double couche, encore appelé super condensateur, permettant du subvenir au besoin moyen en énergie du réseau de bord 31' et ce en dépit d'une puissance instantanée fluctuante dépendant de l'utilisation du convertisseur 32 en onduleur ou en redresseur. On obtient alors une machine électrique tournante qui compense activement les nuisances sonores sans pour autant impacter sur le fonctionnement normal de la machine. Les applications mentionnées ci-dessus correspondent à l'utilisation usuelle du circuit, dans lequel le premier circuit statorique 20 est utilisé en tant qu'élément moteur du véhicule. Lors d'une phase de freinage, ce premier circuit statorique 20 pourrait être utilisé en tant que générateur et ainsi recharger la ou les batteries hautes tension 21. De même, le deuxième circuit statorique 30 est utilisé d'une part en tant que générateur pour alimenter le circuit de bord 31' et la batterie 31 et d'autre part en tant que moteur pour réduire les nuisances sonores de la machine électrique tournante. Dans une autre configuration qu'avec une batterie 31 de 14 Volts, qui manquerait assurément de puissance, on pourrait également envisager d'utiliser le deuxième circuit statorique 30 en tant qu'élément moteur à part entière. REVENDICATIONS1. Machine électrique tournante (10) comprenant au moins : - un premier circuit statorique (20) apte à entrainer un rotor, - un premier moyen de commande (24) apte à piloter le premier circuit statorique (20) afin de faire avancer un véhicule, - un moyen de mesure (41, 42) pour mesurer au moins une valeur de paramètre représentatif des perturbations acoustiques de la machine électrique (10), - un moyen de calcul (43, 44, 45) pour déterminer une consigne de commande à partir de ladite au moins une valeur mesurée, - un deuxième circuit statorique (30) apte à entrainer ledit rotor, - un deuxième moyen de commande (34) apte à piloter le deuxième circuit statorique (30) indépendamment du premier circuit statorique (20), le deuxième moyen de commande (24, 34) étant agencé pour appliquer la consigne déterminée par les moyens de calculs au deuxième circuit statorique (30) pour réduire les perturbations acoustiques de la machine électrique (10). 2. Machine électrique tournante (10) selon la revendication 1, caractérisée en ce que le moyen de mesure (41, 42) est un accéléromètre. 3. Machine électrique tournante (10) selon la revendication 1, caractérisée en ce que le moyen de mesure (41, 42) comprend un moyen de mesure de l'intensité (41) et un moyen de mesure de la tension (42), qui permettent d'obtenir respectivement des valeurs d'intensité et de tension en sortie du deuxième circuit statorique (30). 4. Machine électrique tournante (10) selon la revendication 3, caractérisée en ce que le moyen de calcul (43, 44, 45) comprend : - un estimateur de force électromotrice (43), pour déterminer des valeurs de force électromotrice de la machine électrique (10) à partir des valeurs d'intensité et de tension mesurées, - un filtre (44), pour décomposer les valeurs de la force électromotrice en un ensemble de valeurs spectrales,- un moyen de régulation (45), pour déterminer la consigne de commande à partir de l'ensemble des valeurs spectrales. 5. Machine électrique tournante (10) selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que l'un au moins des circuits statoriques (20, 30) est de forte puissance et l'un au moins des circuits statoriques est de basse puissance. 6. Machine électrique tournante (10) selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que le deuxième circuit statorique (30) alimente un circuit en basse tension continue. 7. Machine électrique tournante (10) selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce qu'elle comprend un premier circuit de puissance (22) relié au premier circuit statorique (20), le premier circuit de puissance (22) permettant de convertir une tension continue en une tension alternative. 8. Machine électrique tournante (10) selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce qu'elle comprend un deuxième circuit de puissance (32) relié au deuxième circuit statorique (30), le deuxième circuit de puissance (32) permettant de convertir une tension alternative en une tension continue. 9. Procédé de commande d'une machine électrique tournante comprenant un premier circuit statorique (20) apte à entrainer un rotor, un premier moyen de commande (24) apte à piloter le premier circuit statorique (20) afin de faire avancer un véhicule, un deuxième circuit statorique (30) apte à entrainer ledit rotor et un deuxième moyen de commande (34) apte à piloter le deuxième circuit statorique (30) indépendamment du premier circuit statorique (20), le procédé comprenant : recevoir d'un moyen de mesure des valeurs de paramètre représentatif des perturbations acoustiques de la machine électrique tournante,- calculer une consigne de commande à partir des valeurs reçues, et transmettre la consigne de commande pour application au deuxième moyen de commande afin de réduire les perturbations acoustiques de la machine électrique. 10. Véhicule électrique comprenant au moins une machine électrique tournante selon l'une quelconque des revendications 1 à 8.