Brevet FR3018014A1 — publié le 20150828

MACHINE SYNCHRONE EQUIPEE D'UN CAPTEUR DE POSITION ANGULAIRE Domaine technique La présente invention se rapporte au domaine technique général des capteurs de position angulaire ainsi qu'au domaine technique général des machines synchrones comportant des moyens pour générer une induction magnétique et un tel capteur de position. La présente invention concerne plus particulièrement une machine synchrone à force électromotrice sinusoïdale, comportant un capteur de position pour commander l'alimentation électrique de ladite machine. L'invention trouve son application principalement dans des machines synchrones alimentées par une tension alternative polyphasée. L'invention sera décrite ci-après plus particulièrement mais non limitativement avec des moyens pour générer une induction magnétique constitués à titre d'exemple de réalisation d'aimants permanents. Une machine synchrone à aimants permanents est constituée d'un stator bobiné et d'un rotor portant les aimants permanents. Une telle machine est alimentée et pilotée par l'intermédiaire d'une électronique de puissance. Une machine synchrone à aimants permanents et à force électromotrice sinusoïdale, peut être pilotée avec un système de commande vectorielle. Ce type de pilotage, connu en tant que tel, permet d'obtenir des performances élevées à savoir, une grande précision et une dynamique de couple élevée. Ces performances sont nécessaires, en particulier pour les moteurs de traction. Un système de commande permettant d'obtenir des performances élevées, requiert cependant une connaissance précise de la position angulaire du rotor et cela en temps réel. La position angulaire du rotor est généralement donnée par un capteur de position lequel est constitué notamment d'une partie tournante liée mécaniquement au rotor. On connait ainsi différentes technologies permettant de déterminer la position angulaire du rotor. On peut citer à titre d'exemple le capteur de position appelé « resolver », le codeur digital incrémental ou le codeur absolu. Ces technologies connues présentent cependant des inconvénients. En effet ces capteurs de position connus comportent tous une partie tournante liée mécaniquement au rotor. Ceci constitue une contrainte importante lors de la conception de la machine dans laquelle il faut intégrer le capteur de position. La partie tournante du capteur de position angulaire est en général entraînée en rotation par l'intermédiaire d'un tube d'entraînement. Un tel tube d'entraînement, traverse en général le stator et présente très souvent une inertie importante pouvant conduire à un ralentissement de la mesure de la position angulaire. Le manque de précision lié à une telle mesure conduit à une altération des performances de la machine. En outre, le fait de devoir traverser la machine pour récupérer une information de position angulaire augmente substantiellement la complexité de l'ensemble. Il est alors nécessaire d'utiliser un nombre plus important de pièces mécaniques, ce qui augmente les risques de défaillances. Par ailleurs, lors de la première mise en service d'une machine synchrone connue, une opération dite opération de calage, doit être effectuée par un convertisseur. Au cours de cette opération, la machine est en rotation et le convertisseur mesure l'angle correspondant au passage par zéro de la force électromotrice. Cette opération de calage doit être effectuée à nouveau lors d'une opération de maintenance du type changement de capteur, changement d'une pièce électromagnétique du rotor ou du stator, ou changement de la machine complète. Une telle opération de calage est souvent très difficile à réaliser en particulier pour les véhicules longs du type véhicule ferroviaire, dans la mesure où il faut soulever lesdits véhicules pour permettre une orientation libre des roues lors du calage. L'opération de calage est cependant très importante car un décalage angulaire entre la position angulaire mesurée et la position réelle du rotor conduit à une chute importante du couple. A titre d'exemple un décalage de un degré mécanique conduit à une chute de couple d'environ 5 % et un décalage de deux degrés mécaniques conduit à une chute de couple de 20 %. Divulgation de l'invention L'objet de la présente invention vise par conséquent à remédier aux inconvénients mentionnés ci-dessus et à fournir une nouvelle machine synchrone comportant un capteur de position angulaire délivrant de façon fiable des valeurs d'angles plus précises. Un autre objet de la présente invention vise à fournir une nouvelle machine synchrone dans laquelle le montage et le remplacement d'un capteur de position angulaire est extrêmement simple. Un autre objet de la présente invention vise à fournir une nouvelle machine synchrone s'affranchissant d'une opération complexe de calage lors de la première mise en service de ladite machine ou à l'issue d'une opération de maintenance. Les objets assignés à l'invention sont atteints à l'aide d'une machine synchrone comprenant un stator et un rotor, ladite machine étant équipée d'au moins un capteur de position angulaire du rotor et caractérisée en ce que : - le stator comprend un bobinage prévu pour être alimenté en courant alternatif polyphasé par un dispositif d'électronique de puissance de type onduleur alimenté en courant, - le rotor comprenant des moyens pour générer une induction magnétique est prévu pour se mouvoir en rotation lorsque le stator est alimenté en courant alternatif, - le capteur de position angulaire comprend au moins deux capteurs de mesure de l'induction magnétique pour détecter la variation du champ magnétique axial généré par les moyens pour générer une induction magnétique en délivrant une tension d'induction, - les capteurs de mesure de l'induction, solidarisés avec le stator, s'étendent au niveau d'une extrémité axiale du rotor, en regard et à proximité immédiate des chants axiaux des moyens pour générer une induction magnétique, et - le capteur de position angulaire comprenant au moins une unité électronique pour recevoir les tensions délivrées par les capteurs de mesure de l'induction magnétique, pour en déduire la position angulaire du rotor de manière absolue et pour transmettre une information correspondante, en temps réel, au dispositif d'électronique de puissance. Selon un exemple de réalisation de la machine synchrone conforme à l'invention, le rotor s'étend autour du stator. Selon un exemple de réalisation de la machine synchrone conforme à l'invention, les capteurs de mesure de l'induction magnétique sont fixés et répartis sur un support amovible de manière à s'étendre selon une ligne dont la courbure épouse sensiblement la courbure de la succession des chants axiaux des moyens pour générer une induction magnétique. Selon un exemple de réalisation conforme à l'invention, la machine synchrone comporte deux supports amovibles pourvus chacun de cinq capteurs de mesure de l'induction magnétique. Selon un exemple de réalisation de la machine synchrone conforme à l'invention, le support amovible comporte au moins un circuit électronique de l'unité électronique. Selon un exemple de réalisation de la machine synchrone conforme à l'invention, le support amovible comporte un capteur de température pour mesurer la température ambiante de ladite machine synchrone. Selon un exemple de réalisation de la machine synchrone conforme à l'invention, les capteurs de mesure de l'induction magnétique sont des capteurs à effet Hall. Selon un autre exemple de réalisation de la machine synchrone conforme à l'invention, les capteurs de mesure de l'induction magnétique sont des capteurs à magnétorésistance. Selon un exemple de réalisation de la machine synchrone conforme à l'invention, le dispositif d'électronique de puissance comprend un convertisseur pilotant ladite machine synchrone par une modulation de largeurs d'impulsions. Selon un exemple de réalisation de la machine synchrone conforme à l'invention, les moyens pour générer une induction magnétique sont des aimants permanents. Selon un autre exemple de réalisation de la machine synchrone conforme à l'invention, les moyens pour générer une induction magnétique sont constitués de bobinages électriques. La machine synchrone conforme à l'invention constitue avantageusement un moteur-roue d'un véhicule ferroviaire ou routier. La machine synchrone conforme à l'invention présente notamment l'avantage de fournir une mesure précise, en temps réel, de la position angulaire du rotor et ceci de manière absolue. Un autre avantage de la machine synchrone conforme à l'invention résulte de la possibilité de détecter par l'intermédiaire de son capteur de position angulaire, un éventuel court-circuit entre deux phases dans la machine. Un autre avantage de la machine synchrone conforme à l'invention est lié au fait qu'elle ne nécessite aucune opération de calage, notamment après une opération de maintenance. Un autre avantage de la machine synchrone conforme à l'invention résulte du fait que le capteur de position, grâce à la mesure directe du chant produit par les aimants permanents, de connaître l'évolution du champs magnétique en fonction du temps et d'estimer ainsi si la machine est saine ou si elle a subi un vieillissement préjudiciable aux performances de la machine synchrone. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront également des dessins donnés à titre illustratif et non limitatif dans lesquels : - la figure 1 illustre un exemple de réalisation d'une machine synchrone conforme à l'invention intégrant un capteur de position angulaire sur une partie d'un stator ; - la figure 2 représente un détail, en coupe, de la figure 1 ; - la figure 3 est une illustration d'un exemple de réalisation d'un support amovible pour le capteur de position angulaire en vue de face, destiné à être inséré dans une machine synchrone conforme à l'invention ; - la figure 4 illustre un synoptique des moyens électroniques nécessaires au fonctionnement du capteur de position angulaire d'une machine synchrone conforme à l'invention ; et - la figure 5 illustre à l'aide d'un schéma fonctionnel, un exemple de système de commande vectorielle d'une machine synchrone à aimants permanents et à force électromotrice sinusoïdale, conforme à l'invention. Description détaillée des figures La figure 1 illustre un exemple de réalisation d'une machine synchrone 1 comportant un capteur de position angulaire monté sur un stator 2 illustré schématiquement à la figure 4. La figure 1 montre une partie d'extrémité 2a, par exemple en forme de flasque solidaire mécaniquement du stator 2. La machine synchrone 1 comprend également un rotor 3 pourvu d'aimants permanents 4. La partie d'extrémité 2a recouvre au moins partiellement et sans contact une extrémité axiale 3a du rotor 3. Un exemple d'agencement entre l'extrémité axiale 3a et la partie d'extrémité 2a est illustré plus en détails à la figure 2. Le stator 2 comprend un bobinage non représenté, prévu pour être alimenté en courant polyphasé par l'intermédiaire d'un dispositif d'électronique de puissance appelé également convertisseur ou onduleur. Ce dernier est avantageusement alimenté en tension et en courant. Le rotor 3 présente avantageusement une forme sensiblement cylindrique 3b dont la face interne est recouverte d'aimants permanents 4. Le rotor 3 est destiné à tourner autour de la partie du stator 2 s'étendant dans l'espace libre délimité intérieurement audit rotor 3. Les aimants permanents 4 sont par exemple empilés selon une direction axiale dans des rainures axiales ménagées dans la face interne du cylindre 3b. Le montage et la fixation des aimants permanents 4 sur la face interne du rotor 3 est effectué de manière connue. A titre d'exemple les aimants permanents 4 sont introduits par coulissements dans des rainures axiales et maintenus radialement grâce à une complémentarité de formes desdites rainures et desdits aimants permanents 4. Les aimants permanents 4 sont bloqués axialement dans chaque rainure par l'intermédiaire d'une pièce de maintien 5 en matériau amagnétique, illustrée plus en détails à la figure 2. La pièce de maintien 5 constitue une butée 5a empêchant des mouvements axiaux des aimants permanents 4 engagés dans la rainure correspondante. Les dimensions et les formes de la pièce de maintien 5 sont choisies de manière à ne pas entraver l'accès à une zone localisée en regard d'une partie au moins du chant axial 4a du dernier l'aimant permanent 4 engagé dans chaque rainure. L'extrémité axiale 3a du cylindre 3b, laquelle ne comporte pas d'aimants permanents 4, présente à cet effet avantageusement une forme légèrement évasée dans une direction radiale. Une telle conformation permet ainsi de limiter l'encombrement résultant de la fixation de la pièce de maintien 5. Une pièce de maintien 5 est avantageusement fixée sur le cylindre 3b, à l'extrémité de chaque rainure à l'aide d'une vis 5b, bloquant ainsi axialement toutes les rangées d'aimants permanents 4. La machine synchrone 1 conformément à l'invention comporte également un capteur de position angulaire du rotor 3. Le capteur de position angulaire comporte notamment des capteurs de mesure de l'induction magnétique 6. Ces derniers sont prévus pour détecter la variation du champ magnétique axial généré par les aimants permanents 4. Cette variation du champ magnétique axial est détectée et transformée en tension délivrée par les capteurs de mesure de l'induction magnétique 6. Le capteur de position angulaire la comprend également au moins une unité électronique prévue pour recevoir les tensions d'induction des capteurs de mesure de l'induction magnétique 6 et pour en déduire la position angulaire du rotor 3. Cette détermination est effectuée de manière absolue. L'unité électronique permet également de transmettre en temps réel une information relative de position angulaire du rotor 3 au dispositif d'électronique de puissance. Les capteurs de mesure de l'induction magnétique 6 sont solidaires mécaniquement de la partie d'extrémité 2a et s'étendent au niveau d'une extrémité axiale du rotor 3, en regard et à proximité immédiate des chants axiaux 4a des derniers aimants permanents 4 engagés dans les rainures. Lors de la rotation du rotor 3, chaque chant axial 4a passe donc devant les capteurs de mesure de l'induction magnétique 6. Les capteurs de mesure magnétique 6 sont avantageusement fixés sur un support amovible 7. Le support amovible 7 présente à cet effet une partie de support axiale 7a et une partie d'extrémité de support 7b. La partie d'extrémité de support 7b s'étend sensiblement transversalement à la partie de support axiale 7a. Les capteurs de mesure de l'induction magnétique 6 sont disposés sur une face externe 7c de l'extrémité libre de la partie de support axiale 7a. Le support amovible 7 présente de préférence une courbure épousant sensiblement la courbure du rotor 3. Les capteurs de mesure de l'induction magnétique 6 sont avantageusement fixés et répartis sur une la face externe 7c, selon une ligne dont la courbure épouse sensiblement la courbure de la succession des chants axiaux 4a des aimants permanents 4. Le support amovible 7 est par exemple introduit dans une fente 8 ménagée dans la partie d'extrémité 2a. Bien entendu la fente 8 présente une courbure identique ou similaire à celle que présente la partie de support axiale 7a. Le support amovible 7, une fois équipé des capteurs de mesure d'induction magnétique 6, est introduit axialement dans la fente 8 jusqu'à l'arrivée en butée de la partie de l'extrémité de support 7b sur la face extérieure de la partie d'extrémité 2a. Les dimensions du support amovible 7, et en particulier la longueur axiale de la partie de support axiale 7a, sont choisies de manière à ce que les capteurs de mesure de l'induction magnétique 6 s'étendent à une distance e des chants axiaux 4a. La distance e est comprise par exemple entre 1,5 et 2,5 millimètres et de préférence égale à 2 millimètres. Tous types de moyens de fixation, non représentés, peuvent également être utilisés pour solidariser l'extrémité de support 7b avec la partie d'extrémité 2a. La machine synchrone 1 conforme à l'invention comporte, selon un exemple de réalisation, au moins trois capteurs de mesure d'induction magnétique 6 disposés sur un support amovible 7. Selon un autre exemple de réalisation, la machine synchrone 1 conforme à l'invention, illustrée à la figure 1, comporte deux supports amovibles 7 dont chacun est pourvu par exemple d'au moins deux capteurs de mesure d'induction magnétique 6. La figure 3 est une illustration vue de face d'un exemple de réalisation d'un support amovible 7 comportant cinq capteurs de mesure d'induction magnétique 6. La machine synchrone 1 conforme à l'invention comporte ainsi, selon un exemple de réalisation de la figure 3, deux supports amovibles 7 comportant chacun cinq capteurs de mesure d'induction magnétique 6. Avantageusement, la face externe 7c de la partie de support axiale 7a est pourvue d'un capteur de température 9. Ce dernier permet d'utiliser la température ambiante de la machine synchrone 1 pour ajuster son pilotage, car l'induction dépend de la température. Selon un exemple de réalisation préférentiel, le support amovible 7 comporte au moins un circuit électronique de l'unité électronique ou une partie d'un circuit électronique de ladite unité électronique. A titre d'exemple, le dispositif d'électronique de puissance est un convertisseur pilotant la machine synchrone 1 par une modulation de largeurs d'impulsions. Les capteurs de mesure de l'induction magnétique 6 sont de préférence des capteurs à effet Hall. Selon un autre exemple de la réalisation de la machine synchrone 1 conforme à l'invention, les capteurs de mesure de l'induction magnétique 6 sont constitués de capteurs AMR/GMR, dits capteurs à magnétorésistance. Tandis que les capteurs à effet Hall permettent de mesurer la composante continue du champ magnétique, les capteurs à magnétorésistance présentent un fonctionnement se basant sur la variation de la résistance électrique d'un matériau en fonction de la direction du champ magnétique qui lui est appliqué. Ces capteurs sont connus en tant que tels et ne sont par conséquent pas décrits davantage. En utilisant des capteurs à effet Hall ou des capteurs à magnétorésistance, l'opération de calage du capteur de position angulaire la n'est plus nécessaire. En effet, ces capteurs mesurent la répartition spatiale du champ magnétique généré par les aimants permanents 4 et ce même lorsque la machine synchrone 1 est à l'arrêt. Ceci permet de s'affranchir de toute opération de calage à la mise en service de la machine synchrone 1 ou à la suite d'une opération de maintenance de ladite machine synchrone 1. Il en résulte donc un avantage remarquable pour la machine synchrone 1 conforme à l'invention. La figure 4 est une illustration synoptique des moyens électroniques nécessaire au fonctionnement du capteur de position angulaire la de la machine synchrone 1 conforme à l'invention. Cette dernière comporte donc le stator 2 bobiné et le rotor 3 comportant les aimants permanents 4. Le capteur de position angulaire la comporte donc des moyens fonctionnels, lesquels comprennent des capteurs de mesure de l'induction 6, associés à l'unité électronique pour l'acquisition d'un signal et pour le calcul de l'angle de positionnement du rotor 3. Les moyens fonctionnels sont par exemple constitués de deux capteurs mesure d'induction magnétique 6 montés fixes, sans contact et en regard des aimants permanents 4. Les informations issues de ces capteurs de mesure d'induction 6 sont ensuite amplifiées et filtrées respectivement par des moyens d'amplification 10 et des moyens de filtration 11 avant qu'un calculateur 12 n'acquiert lesdites informations. Ce calculateur 12 de l'unité électronique détermine donc l'angle rotorique (position angulaire du rotor) à partir des informations issues des capteurs de mesure d'induction 6 et communique en temps réel l'angle rotorique à un système de commande vectorielle 13 lequel commande un convertisseur 14. La communication de l'angle rotorique au système de commande vectorielle 13 est effectuée par l'intermédiaire d'un protocole de type BUS de terrain du genre SSI, PROFIBUS ou autres. En outre, le signe de l'angle rotorique déterminé par le calculateur 12, définit le sens de rotation de la machine synchrone 1 conforme à l'invention. La figure 5 illustre à l'aide d'un schéma fonctionnel, le système de commande vectorielle 13 d'une machine synchrone 1 à aimants permanents 4 et à force électromotrice sinusoïdale. Dans cet exemple de commande vectorielle, la machine synchrone 1 comprend le convertisseur 14 alimenté par une tension électrique. Le système de commande vectorielle 13 permet de commander le convertisseur 14 par l'intermédiaire d'une modulation de largeurs d'impulsions MLI pour générer une tension d'alimentation moyenne sur chacune des phases Pl, P2, P3 de la machine synchrone 1 et par conséquent un courant déterminé dans chacune desdites phases P1, P2, P3. Le convertisseur 14 transforme donc une tension livrée par une source de tension U continue en une tension triphasée d'alimentation de la machine synchrone 1. Cette dernière fonctionne donc en traction et en alternance en générateur de tension triphasé par exemple lorsqu'un véhicule est dans une phase de freinage. Le système de commande vectorielle 13 comprend une unité de commande du convertisseur 14, des capteurs de courant 15, un capteur de tension 16 et le capteur de position angulaire la de la machine synchrone 1. Le système de commande vectorielle 13 reçoit par exemple la consigne de couple C. A partir des informations issues des capteurs de courant 15, du capteur de position angulaire la et à partir de la consigne C, l'unité de commande du convertisseur 14 calcule le vecteur de tension à appliquer au dit convertisseur 14 pour que la machine synchrone 1 atteigne la consigne de couple C. Le système de commande vectorielle 13, en particulier d'une machine synchrone 1 à aimants permanents 4 et à force électromotrice sinusoïdale est connu en tant que tel et ne sera donc pas décrit davantage dans la présente. La machine synchrone 1 conforme à l'invention présente l'avantage remarquable qu'elle comprend un capteur de position angulaire la permettant d'effectuer une mesure directe du champ magnétique produit par les aimants permanents 4 et par conséquent de connaitre l'évolution dudit champ magnétique en fonction du temps. Ceci permet de détecter une détérioration des performances des aimants permanents 4 et par conséquent des performances de la machine synchrone 1 conforme à l'invention. Par ailleurs, le capteur de position angulaire la de la machine synchrone 1 conforme à l'invention permet de détecter une augmentation brutale du champ magnétique induit, résultant d'un court-circuit entre phases. La machine synchrone 1 à aimants permanents 4 et à force électromotrice sinusoïdale, conforme à l'invention, constitue avantageusement un moteur-roue. La machine synchrone conforme à l'invention peut également être utilisée comme moteur de treuils ou comme moteur d'ascenseurs. Il est évident que la présente description ne se limite pas aux exemples explicitement décrits, mais comprend également d'autres modes de réalisation et/ou de mise en oeuvre. Ainsi, une caractéristique technique décrite peut être remplacée par une caractéristique technique équivalente, sans sortir du cadre de la présente invention. REVENDICATIONS1. Machine synchrone (1) comprenant un stator (2) et un rotor (3), ladite machine (1) étant équipée d'au moins un capteur de position angulaire (la) du rotor (3) et caractérisée en ce que : le stator (2) comprend un bobinage prévu pour être alimenté en courant alternatif polyphasé par un dispositif d'électronique de puissance de type onduleur, le rotor (3) comprenant des moyens pour générer une induction magnétique est prévu pour se mouvoir en rotation lorsque le stator (2) est alimenté, le capteur de position angulaire (la) comprend au moins deux capteurs de mesure de l'induction magnétique (6) pour détecter la variation du champ magnétique axial généré par les moyens pour générer une induction magnétique en délivrant une tension, les capteurs de mesure de l'induction (6), solidarisés avec le stator (2), s'étendent au niveau d'une extrémité axiale (3a) du rotor (3), en regard et à proximité immédiate des chants axiaux (4a) des moyens pour générer une induction magnétique, et le capteur de position angulaire (la) comprenant au moins une unité électronique pour recevoir les tensions délivrées par les capteurs de mesure de l'induction magnétique (6), pour en déduire la position angulaire du rotor (3) de manière absolue et pour transmettre une information correspondante, en temps réel, au dispositif d'électronique de puissance. 2. Machine synchrone (1) selon la revendication 1, caractérisée en ce que le rotor (3) s'étend autour du stator (2). 3. Machine synchrone (1) selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que les capteurs de mesure de l'induction magnétique (6) sont fixés et répartis sur un support amovible (7) de manière à s'étendre selon une ligne dont la courbure épouse sensiblement la courbure de la succession des chants axiaux (4a) des moyens pour générer une induction magnétique. 4. Machine synchrone (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce qu'elle comporte deux supports amovibles (7) pourvus chacun de cinq capteurs de mesure de l'induction magnétique (6). 5. Machine synchrone (1) selon la revendication 3 ou 4, caractérisée en ce que le support amovible (7) comporte au moins un circuitélectronique de l'unité électronique. 6. Machine synchrone (1) selon l'une quelconque des revendications 3 à 5, caractérisée en ce que le support amovible (7) comporte un capteur de température (9). 7. Machine synchrone (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que les capteurs de mesure de l'induction magnétique (6) sont des capteurs à effet Hall. 8. Machine synchrone (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que les capteurs de mesure de l'induction magnétique (6) sont des capteurs à magnétorésistance. 9. Machine synchrone (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le dispositif d'électronique de puissance comprend un convertisseur (14) pilotant ladite machine synchrone (1) par une modulation de largeurs d'impulsions. 10. Machine synchrone (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisée en ce que les moyens pour générer une induction magnétique sont des aimants permanents (4). 11. Machine synchrone (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisée en ce que les moyens pour générer une induction magnétique sont constitués de bobinages électriques. 12. Machine synchrone (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle constitue un moteur-roue d'un véhicule.