Brevet FR2961970A1 — publié le 20111230

Moteur: électrique à courant alternatif d'un dispositif élec:rique combine d'alimentation et:de charge s La .préSente invention concerne un m eur: e rique à courant alternatif d'un dispositif électrique combiné ealinientation. et. de charge permettant alimenter un moteur électrique ou un alternateur par des batteries rechargeables, nven§pn trouvera avantageusement une application n dans le }0 domaine des véhicules aut mobiles électriques ou h ides dans lesquels les batteries peuvent alimenter ]e moteur via un onduleur être recha ées lorsque |ym))) e. est à l'arrêt .moyen §n réseau électrique alternatif; Toutefois bien que pamcGGreme prévu peur une telle. T5 ap¢2ation le .dispositifÆectr ue #6on l'invention pourra être Utilisé dans d'autres domaines et. notamment dans des dispositifs de génération éne ie de type éolien ou hydraulique, ARRIERE PLAN DE L'INVENTION 20 Classiquement, un véhicule électrique ou hybride comporte une chaîne detraction formée par des batteries rechargeables haute tension délivrant un courant continu à un onduleur qui transforme ce courant continu en un courant alternatif permettant d'alimenter un moteur électrique, de type machine électrique tournante, ce dernier assurant la 25 mise en mouvement du véhicule. De manière à assurer la recharge de ces batteries haute tension il est connu d'équiper véhicule d'un dispositif de charge embarqué comportant essentiellement un convertisseur alternatif-continu permettant de redresser la puissance alternative du réseau électrique 30 domestique en puissance continue pour charger les batteries. Généralement, le dispositif de charge peut également comporter un pré -régulateur correcteur de facteur de puissance (Power Factor Corrector en langue lanle rôle est de limiter la reje ion d'harmonique sur le réseau électrique. as Les composants électroniques de la chaîne d'alimentation d'une part et de la chaîne de charge d'autre part sont coûteux, Par ailleurs, l'alimentation du moteur et la charge des batteries s'effectuent à des phases différentes aussi il a été proposé, dans les demandes EP 0 603 778 et W097108009, de réutiliser une partie du moteur et des composants servant à son alimentation pour réaliser le dispositif de charge des batteries. A cet effet, le dispositif de charge des batteries utilise l'onduleur pour former un convertisseur alternatif continu ainsi que les bobinages du moteur pour former les inductances. Le passage du mode d'alimentation du moteur au mode de charge des batteries est assuré par des moyens de commutation avec des contacteurs de puissance en déconnectant le neutre. L'utilisation des connecteurs de puissance est toutefois problématique dans le sens où, assurant le passage des courants de la machine électrique, ils doivent être surdimensionnés. Pour pallier à cet 1s inconvénient une solution consiste à réaliser une structure présentant des moyens de commutation intégrés avec des ponts en H. Toutefois, dans les deux cas précités l'utilisation des phases du moteur comme inductance pour redresser le courant du réseau électrique cause des perturbations au niveau du rotor du moteur. En effet, les 2o inductances sont magnétisées par les courants alternatifs du réseau électrique créant ainsi des champs magnétiques. Ces champs magnétiques agissent sur le rotor qui peut entrer en mouvement, par exemple en vibrant, et même, en fonction des champs magnétiques et des caractéristiques du rotor, entrer en rotation. Cette mise en mouvement 25 pose des problèmes à la fois de confort et de sécurité dans le cas d'une utilisation du dispositif électrique combiné dans un véhicule électrique même si ce dernier peut être équipé d'un système de découplage du train de la machine lors de la charge. Pour pallier à cet inconvénient une solution consiste à réaliser 30 une compensation statique consistant à injecter le courant de charge dans au moins un bobinage du stator relié à une phase du réseau en utilisant un point de connexion supplémentaire, dit point milieu. Un bobinage du stator comporte de façon classique une pluralité de bobines formées par une pluralité de spires, 35 Le point milieu, sépare le bobinage de phase du stator en deux parties de sorte que le courant de charge, injecté via le point de milieu, est divisé: en deux courants circule s dans des sens opposés: à tr ers chaque de;;i-boblnage, chaque demi-bobinage comportant le même nombre de. spires. Cette sou§9n de compensation paries injeetion du .courant de s charge dans les pois milieux des bobinages de phases a pour conséquence, d'anR/er b 'force magnétomotrice et .d'annuler les inductances des deux demi-bobinages,Seule reee'apparehte l'inductance de fuite très faible liée aux imperfections es bobines. Une inductance trop faible du moteur .a pour conséquenee de io rendre le contrôle des courants de charge difficiles, notamment à.cause des importantes ondulations du courant à la fréquence de découpage. OBJET DE L'INVENTION Dans ce contexte, la présente invention vise à proposer un ±3 moteur électrique à courant alternatif pour un dispositif permettant d'alimenter le moteur électrique, : de recharger des batteries en utilisant des éléments de la chaîne d'alimentation, £ y ±m des éléments du moteur et de l'onduleur. et tle que le moteur: électrique comporte un bobinage du stator permettant d'obtenir une inductance apparente au 20 pr. milieu suffisamment imlpodan e pour pallier aux inconvénients précités tout en s'affranchissant de la mise en mouvement du rotor en mode charge. RESUME DE /INVENTION 25 A cette fin, l'Invention propose un moteur électrique à courant alternatif un dispositif électrique combiné d'alimentation et de charge, ledit moteur électrique étant formé par un stator relié à un réseau électrique dont le nombre de phase est inférieur au nombre de phase dudit moteur, ledit courant de charge dudit réseau étant injecté via un 3o point de connexion divisant chaque phase dudit stator rel%e une phase dudit réseau en deux demi-bobinage, ledit moteur étant caractérisé en ce que chaque demi-bobinage de phase du stator comporte une pluralité de bobines câblées de façon à réduire le couplage magnétique de chaque demi-bobinage au niveau dudit point de connexion de sorte qu'il réside 35 une inductance apparente non nulle au point de connexion en mode charge dudit dis positif . Ainsi, le mode de bobinage selon l'invention permet d'obtenir une valeur élevée de l'Inductance apparente en mode charge au niveau du point de connexion tout en s'affranchissant de la mise en mouvement du rotor en mode charge Le découplage des demi-bobinages de chaque permet ainsi d'améliorer b charge desç batteries du dispositif ainsi que le mr e du courant de charge. Outre les caractéristiques principales qui viennent d'être mentionnées dans le paragraphe précédent, le moteur électrique à ±o courant alternatif selon l'invention> peut présenter une ou plusieurs caractéristiques supplémentaires ci-dessous, considérées individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles: chaque demi-bobinage estformé par une pluralité n de bobines b@es en série; I5 chaque demi-bobinage est formé par une pluralité ngroupes de bobines câblées en série, chacun desdits groupes comportant une pluralité n de bobines câblées en para§+e; chaque demi-bobinage comporte e même nombre de spires ; chacun des demi -bobinages dune phase est diamétralement 20 opposé sur ledit stator de façon à réduire le cou%age magnétiques entre deux demi-bobinages d'une phase; ledit stator comporte des entrefers à sa périphérie permettant de réduire le couplage magnétique entre les deux de o&Æages dune phase; 25 ledit moteur comporte un rotor comportant des ouvertures eau des entrefers permettant d'augmenter la réluctance entre les deux demi-bobinages de chaque phase dudit stator. L'invention a également pour objet un dispositif électrique combiné d'alimentation et de charge mp0Aa nt un moteur électrique à courant 30 alternatif selon l'invention relié à un réseau électrique, un onduleur et des moyens d'accumulation d'énergie électrique. Avantageusement, le dispose électrique tom porte également un convertisseur continu-continu. es BREVE DESCRIPTION. DES DESSINS La présente invention sera mieux comprise la lecture d'un exemple détaillé de réaiisation en référence aux dessins annexés, fournis à titre d'exemple non limitatif, parmi lesquels : la figure 1 représente de manière schématique un dispositif électrique combiné de charge et d'alimentation comportant un moteur électrique selon l'invention implanté dans un véhicule automobile ; - la figure 2 représente de manière schématique un premier mode de bobinage d'un stator de moteur triphasé d'un moteur électrique selon l'invention ; la figure 3 représente de manies schématique un exemple de réalisation du mode de bobinage illustré à la figure 2 sur un stator triphasé à deux paires de pâles à bobinage réparti sur deux encoches ; - la figure 4 représente de manière schématique un deuxième mode de bobinage d'un remorde moteur triphasé d'un moteur électrique is selon [invention ; - lafigure 5 représente de manière schématique un exemple de câblage d'un stator à bobinage série-parallèle à quatre pôles selon le deuxième mode de bobinage illustré à la figure 4; - la figure 8 représente de manière schématique un stator 20 câblé selon l'exemple de câblage illustré à la figure 5; - la figure 7 présente de manière schématique un deuxième mode de réalisation d'un stator câblé selon l'exemple de câblage illustré à la figure 5; la figure 8 représente de manière schématique un troisième 25 mode de bobinage d'Un stator de moteur triphasé d'un moteur électrique selon [invention : - la figure 9 représente de manière schématique un stator à deux paires de pôles câblés selon le troisième mode de câblage illustré à la référence 8 dont chaque demi-bobinage est indépendant 30 magnétiquement du second, DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION La figure ] illustre de façon générale un dispositif électrique combiné de charge et d'alimentation 100 'brimé. par des batteries 35 rechargeables )}Ç Qn onduleur 1.20 iet un Moteur électrique. 130 selon bnve ion permettant à la\ de recharger les batteries rechargeables 0 à partir d'un réseau électrique 200 triphasé en mode charge et d'alimenter le moteur électrique triphasépoursa mise en rotation en mode alimentation. Avantageusement, l'onduleur a une structure de pont en H pour chaque phase du moteur permettant ainsi de conserver la connexion du neutre de chaque phase du moteur lors de la charge des batteries i toutefois l'onduleur peut être, de façon plUS classique, un onduleur réalisé avec des ponts triphasés et des moyens de commutation de type contacteur de puissance pour passer du mode charge des batteries 110 IQ au mode d'alimentation du moteur 13ai Le dispositif 100 peut comporter en autre un convertisseur DC/DC 140 (continu-continu) entre l'onduleur 120 et les batteries 110 permettant d'adapter la tension du réseau électrique d'alimentation 200 aux caractéristiques des batteries 110 d'optimiser le dimensionnement 15 de l'onduleur 120 sans dégrader le rendement du dispositif IO Enfin, le dispositif 100 comporte également des moyens de liaisons 150 pour relier le dispositif 100 au réseau électrique 200 lorsque les batteries ont besoin d'être rechargé. Dans la suite de la demande, on s'intéressera plus 20 particulièrement au moteurs électrique 130, de type à courant alternatif, formé par un rotor un stator ainsi qu'au mode de bobinage du stator du moteur 130 à courant alternatif. Le rotor du moteur peut être indifféremment un rotor à aimant permanent, un rotor à bobinage d'excitation ou encore une cage d'écureuil. 25 De façon générale, le stator d'un moteur électrique 130 à courant alternatif d'un dispositif combiné de charge et d'alimentation 100 comporte au moins deux bobinages qui sont reliés aux phases du réseau électrique lorsque le dispositif 100 est en mode charge, Dans le cas d'un réseau de charge monophasé, le stator 30 comporte deux bobinages de phases et dans le cas d'un réseau de charge triphasé, le stator comporte au moins trois bobinages de phases Les moteurs triphasés étant les moteurs les plus répandus dans l'industrie dans les systèmes de traction de véhicule automobile comme illustré à la figure 1, nous décrirons principalement différents modes de 3} bobinage d'un moteur triphasé, Toutefois, l'invention n'est pas limitée à un moteur triphasé elle est applicable par analogie à un moteur polyphasé ou à un moteur monophasé. La figure 2 ton schéma représentant un premier principe de bobinage d'un stator de moteur triphasé, dont les trois phases sont notées s B etc intégrant dpoints de connexion A0, 3Ç BO pour l'injection du courant de charge et permettant de s'affranchir des mouvements du rotor en mode charge» Dans ce premier mode deréalisation, le stator est bobiné de &O#e que chaque phase du stator reliée à une phase du réseau est IS formée par une pluralité 2n de bobines câblées en série. Chacune des bobines de chaque phase participant à la formation des différents pôles du stator, Les points de conne/On A0, BO, CO sont positionnées de sorte qu'ils séparent chaque bobinage de phase A, C en deux demi-bobinage I5 ou deux demi-bobines comportant respectivement deux points de nne/On a-/, b\ c' relié avantageusement aux branches de l'onduleur 120 tel qu'illustré à la figure t Avantageusement, les points de conne/On A0, B CO sont les points milieux de chaque bobinage de phase et sont positionnés de sorte 20 que chacun des deux groupes de bobines comportent n bObines en série et le même nombre de spires. Avec premier mode de bobinage, le cour nt de charge injecté aux points milieux crée localemedes forces magnétomotrices dans le bobinage qui s'opposent Mais les inductances Optes de chaque 25 demi- bobinage ne s'annulent pas qui permet de bénéficier aux points milieux AÆ BO, CO d'une inductance apparente non nulle en mode charge donc très largement supérieure à l'inductance de fuite liée aux imperfections des bobines La figure 3 illustre le mode de bobinage décrit prélemme à 30 la figure 2 sur un stator triphasé à deux paires de pôles à bobinage réparti sur deux encoches. Dans cet exemple, chaque pôle est formé par l'association d'une bobine de chaque phase comportant deux spires. La figure 2 illustre également comment connecter les points milieux A0, BO, CO sur chaque phase A, C selon le mode de bobinage décrit à la figure 35 2. Ainsi, en mode charge, le courant de charge triphasé de composante 2iA, 2r 2/ est injecté sur chaque phase du stator relié avec le réseau triphasé via les points milieux A0, B CO se réparti selon les flèches illustrées à la figure 3. La figure 4 est un schéma représentant un deuxième principe de bobinage d'un stator un moteur triphasé, dont les trois phases sont notées A', et C', intégrant des points milieux AO', BO', CO' pour l'injection du courant de charge et permettant de s'affranchir des mouvements du rotor en mode charge. Dans deuxième mode de réalisation. bobinage du stator consiste à relier n' groupes de bobines en série, chacun des n' groupes de l0 bobines étant formé par une pluralité n de bobines câblées en parallèle. L'avantage d'un te| bobinage t bobinage série-parallèle tel qu Illustré, permet dans un premier temps de réaliser un bobinage avec des conducteurs de faible section car le courant de charge se répartit de manière équilibrée dans les différentes branches en parallèle du 15 bobinage, ce qui facilite les opérations de bobinage. Les points de, connexion à,B CO' sont pSonnés de sorte qu'ils séparent le bobinage en deux demi-bobinages comportant plusieurs groupes de n bobines en parallèle. Selon un mode avantageux, les points de connexion AO',BO',CO' sont les points milieux des bobinages de phase 20 du stator. Dans ce cas, les points de connexion AO', BO', CO' sont positionnés de sorte que les bobinages de phase sont pagtonnées en deux demi-bobinages symétriques ayant de part d'autre autant de bobines et formant de part d'autre autant de paires de pôles, c'est-à- dire (n'.n)/2 pôles. De façon similaire au mode de bobinage précédent, les 25 points de connexion des extrémités des bobinages de phase b', c' sotl reliés avantageusement aux branches de l'onduleur 120 tel qu'illustré à la figure 1. Le bobinage série -parallèle t qu'illustré permet ainsi de découpler: agni quement les deux demi-bobinages de part d'autre du Soi point milieu. Ainsi, l'inductance mutuelle des deux demi-bobinages est faible ce qui permet d'obtenir une inductance apparente au point milieu élevée nécessaire au mode charge. Le découplage des demi-bobinages peut également être augmenté ou diminué en éloignant ou en rapprochant physiquement les 35 deux demi-bobinages sur le stator de sorte que la réluctance du fer intervient dans découplage des deux demi-bobinages, La figure 5 illustre àceteffetunexempledecâblaged'unkator à bobinage série-parallèle à quatre pôles (Le. deux paires de pôles) dont chaque demi-bobinage d'un bobinage de phase est séparé diamétralement. s Sur la figure 5, les points visibles à proximité des babines définissent le sens d'enroulement du bobinage dans les encoches prévues à cet effet sur ie stator. La figure 6 représente schématiquement un stator 300 câblé selon l'exemple de la figure 5 dont les bobines du premier demi-bobinage 10 somme séparées diamétralement des pôles du second demi-bobinage. La référence LI représente le flux mutuel entre deux pôles Al, A2 d'un même demi-bobinage et la référence L2 représente le flux mutuel entre deux pôles Al, A3 diamétralement opposés, Selon un autre mode de %% ,to ! le découplage des deux «s demi -bobinages peue eeee augmenté parl'ajout d'entrefers 170 sur le stator 400 tel qu'illustré à la figure 7. Enfin, !a conception du rotor peut également participer en complément au découplage des deux demi-bobinages, notamment par G& ouvertures nécessaires à l'emplacement des aimants, par la présence 20 d'entrefer ou encore par des ouvertures volontaires rajoutées dans le rotor en d'augmenter la réluctance entre les deux demi-bobinages du stator. La figure 8 est un schéma représentant un±d/§me principe de bobinage d'un stator d'un moteur triphasé: dont les trois phases sont notées A , E` C", intégrant des points milieux &&\ BÆ\ CO" pour 25 l'injection du courant de charge et permettant de s'affranchir des mouvements du rotor en mode charge. Le bobinage $ tré permet d'obtenir un stator dont les phases sont magnétiquement indépendantes, ce qui permet d'obtenir une inductance mutuelle nulle entre tes phases. To Ce bobinage nécessite de disposer d'un stator comportant deux fois plus de dents qu'un stator avec un bobinage classique mais e diamètre du stator reste conservé car chaque dent comporte deux fois moins de spires qu'un bobinage classique. Un te bobinage est représenté sur un stator 500 à deux paires ±5 de pôles dont chaque demi -bobinage est indépendant magnétiquement du second en référence à la figure 9. )0 L'invention a été principalement décrite pour un moteur mphaséÿ toutefois, l'invention est également applicable par transposition à une machine électrique polyphasée. L'invention a été principalement décrite avec un réseau s électrique domestique de type triphasé toutefois, I"invention est également applicable par transposition } un réseau électrique monophasé. L'invention a été principalement dés pour une application dans un véhicule automobile électrique toutefois, l'invention pourra être o utilisée dans d'autres domaines et notamment dans des dispositifs de génération d'énergie de type éolien ou hydraulique. Les autres avantages del'invention sont nam menbs suivants} amélioration du filtrage des courants en mode charge ; amélioration du contrôle des composantes homopolaires en mode l5 d'alimentation; amélioration des tolérances du moteur en cas d'une panne d'une phase du moteur