Brevet FR3023997A1 — publié le 20160122

ARCHITECTURE DE MODULES ELECTRONIQUES DE PUISSANCE INTERCONNECTES POUR UNE MACHINE ELECTRIQUE TOURNANTE HEXAPHASEE ET MACHINE ELECTRIQUE TOURNANTE HEXAPHASEE COMPRENANT UNE TELLE ARCHITECTURE DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION. La présente invention concerne une architecture de modules électroniques de puissance interconnectés pour une machine électrique tournante hexaphasée de type double-triphasée, c'est-à-dire comportant un stator avec deux enroulements 10 triphasés décalés angulairement l'un par rapport à l'autre. L'invention concerne également une machine électrique tournante hexaphasée de type double-triphasée comprenant cette architecture, notamment pour des applications dans des véhicules automobiles. 15 ARRIERE PLAN TECHNOLOGIQUE DE L'INVENTION. Il est connu que les machines électriques tournantes polyphasées présentent des avantages sur les machines triphasées en termes de réduction des oscillations du couple en mode moteur, ou de facilité d'élimination des harmoniques en mode générateur. 20 Le rendement des machines polyphasées est de plus augmenté. Par exemple, les pertes statoriques d'une machine hexaphasée peuvent être de près de 7% inférieures à celles d'une machine triphasée équivalente. Cependant, l'augmentation du nombre de phases entraîne une augmentation du nombre de capteurs de courant nécessaires pour piloter la machine, car un 25 capteur est a priori nécessaire pour mesurer chaque variable de courant indépendante. La somme de toutes les intensités étant nulle, le nombre de capteurs nécessaire est égal au nombre de phases diminué de un, c'est-à-dire cinq capteurs dans le cas d'une machine hexaphasée. Une structure double-triphasée permet de réduire le nombre de capteurs et 30 autorise diverses optimisations d'ordre mécatronique portant sur l'architecture des modules électroniques de puissance reliés au stator de la machine. Notamment, dans l'architecture divulguée dans la demande brevet FR2967845 de la société VALEO EQUIPEMENTS ELECTRIQUES MOTEUR, chaque module électronique de puissance comprend des semi-conducteurs de 35 puissance correspondant à deux branches d'un pont hexaphasé, c'est-à-dire à deux - 2 - phases, ce qui permet une diminution de l'encombrement et facilite l'intégration des modules sur un palier arrière de la machine. En vue d'applications dans le domaine très concurrentiel de l'automobile, le but de la présente invention est d'obtenir une machine électrique tournante ayant 5 les meilleures performances possibles avec des composants électroniques ayant un coût fixe, donc des caractéristiques prédéterminées pour ce coût. L'entité inventive a constaté, lorsque la machine est à l'arrêt, ou en rotation à très faible vitesse, des pointes d'échauffement des modules électroniques de puissance susceptibles d'entraîner un phénomène d'avalanche et de détruire les 10 semi-conducteurs. DESCRIPTION GENERALE DE L'INVENTION. La présente invention vise donc à pallier cet inconvénient sans réduire les performances en limitant les courants de phases ou sans choisir des composants 15 avec des caractéristiques améliorées, qui auraient une incidence sur les coûts. Elle a précisément pour objet une architecture de modules électroniques de puissance interconnectés pour une machine électrique tournante hexaphasée du type de celles comportant trois premiers et trois seconds enroulements de phase formant un premier et un second systèmes triphasés décalés angulairement d'un 20 angle de décalage prédéterminé. Dans ce type de machines, les premiers et seconds enroulements de phase sont parcourus respectivement par des premiers et des seconds courants de phase que les modules électroniques de puissance sont aptes à contrôler. Ces modules électroniques de puissance sont du type de ceux comportant 25 chacun des composants électroniques disposés dans un boîtier et des éléments de connexion extérieurs comprenant des première et seconde bornes de puissance aptes à être reliées électriquement chacune à des premier et second exemplaires des premiers et seconds enroulements de phase. Selon l'invention, afin de pallier l'inconvénient précité, ces modules 30 électroniques de puissance sont interconnectés de manière à équilibrer des pertes des modules électroniques de puissance. Plus particulièrement, les modules électroniques de puissance sont interconnectés de manière à ce qu'un ensemble de chaque décalage de phase entre les premier et second exemplaires des premiers et seconds enroulements de 35 phase minimise une variation d'une puissance électrique instantanée totale en - 3 - fonction d'un angle électrique dans chacun des modules électroniques de puissance. Cette minimisation conduit à une puissance électrique instantanée totale dans chacun des modules électroniques de puissance sensiblement constante en 5 fonction de cet angle électrique. Dans une forme de réalisation particulière de l'architecture de modules électroniques de puissance interconnectés pour une machine électrique tournante hexaphasée selon l'invention, l'angle de décalage vaut 30° et le décalage de phase vaut 90 °. 10 L'invention concerne également une machine électrique tournante hexaphasée de type double-triphasée qui comprend une architecture de modules électroniques de puissance interconnectés telle que décrite ci-dessus. Ces quelques spécifications essentielles auront rendu évidents pour l'homme de métier les avantages apportés par l'architecture de modules électroniques de 15 puissance interconnectés pour une machine électrique tournante hexaphasée de type double-triphasée selon l'invention, ainsi que par la machine électrique tournante de type double-triphasée correspondante, par rapport à l'état de la technique antérieur. Les spécifications détaillées de l'invention sont données dans la description 20 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 sorte une limitation de la portée de l'invention. BREVE DESCRIPTION DES DESSINS. 25 La Figure 1 représente schématiquement une machine électrique tournante double-triphasée et un pont hexaphasé de contrôle des courants de phase. La Figure 2 représente une puissance électrique instantanée totale dans deux enroulements de phase pour plusieurs décalages de phase entre ces enroulements. 30 Les Figures 3a et 3b montrent schématiquement respectivement une architecture de modules électroniques de puissance interconnectés non optimisée et une architecture optimisée selon l'invention. La Figure 4 est une vue d'un palier arrière d'une machine électrique tournante hexaphasée de type double-triphasée comprenant l'architecture de 35 modules électroniques de puissance interconnectés montrée sur la Figure 3b. 3023 99 7 4 DESCRIPTION DU MODE DE REALISATION PREFERE DE L'INVENTION. Comme le montre bien la représentation schématique de la Figure 1, dans le mode de réalisation préféré de l'invention, le stator 1 de la machine électrique tournante double-triphaséee comprend un premier système triphasé en étoile constitué de trois premiers enroulements de phase 2, 3, 4 et un second système triphasé en étoile constitué de trois second enroulements de phase 5, 6, 7 décalé l'un par rapport à l'autre d'un angle de décalage 9 de 30°. Les premiers 2, 3, 4 et seconds 5, 6, 7 enroulements de phase ont chacun 10 une extrémité reliée à un pont hexaphasé 8 et une autre extrémité commune. Des premiers courants de phase U1, V1, W1 circulant dans les premiers enroulements de phase 2, 3, 4 et des seconds courants de phase U2, V2, W2 circulant dans les seconds enroulements de phase 5, 6, 7 sont contrôlés par le pont hexaphasé 8 de manière connue en soi (les premiers et seconds courants de 15 phase sont notés respectivement U1, V1, W1 et U2, V2, W2 successivement dans le sens anti-horaire; par convention U1 et U2 présentent un déphasage égal à l'angle de décalage 9). Le pont hexaphasé 8 est réalisé pratiquement sous la forme de trois modules électroniques de puissance 15, 16, 17 qui intègrent chacun deux branches du pont 20 8 correspondant à deux phases différentes U1, U2; V1, V2; W1, W2, et qui sont disposés sur un palier arrière de la machine électrique tournante. Un module 15, 16, 17 peut contrôler deux courants d'un même système triphasé (déphasés de 120°) ou deux courants de deux systèmes différents (déphasés de 30, 90 ou 150 °). 25 En effet, les première et seconde bornes de puissance 12, 13 de chaque module 15, 16, 17 peuvent être reliées aux premiers et seconds enroulements de phase selon plusieurs configurations différentes. La Figure 3a montre schématiquement une première configuration dans laquelle: 30 - les première et seconde bornes de puissance 12, 13 d'un premier module électronique de puissance 15 sont reliées respectivement à un premier exemplaire U1 des premiers enroulements de phase 2, 3, 4 et à un second exemplaire W1 de ces premiers enroulements de phase 2, 3, 4; - les première et seconde bornes de puissance 12, 13 d'un deuxième module - 5 - électronique de puissance 16 sont reliées respectivement à un autre premier exemplaire V1 des premiers enroulements de phase 2, 3, 4 et à un autre second exemplaire W2 des seconds enroulements de phase 5, 6, 7; - les première et seconde bornes de puissance 12, 13 d'un troisième module 5 électronique de puissance 17 sont reliées respectivement à encore un autre premier exemplaire U2 des seconds enroulements de phase 5, 6, 7 et à encore un autre second exemplaire V2 de ces seconds enroulements de phase 5, 6, 7. Dans cette première configuration, l'ensemble de chaque décalage de phase a entre les premier et second exemplaires des premiers et seconds enroulements 10 2, 3, 4, 5, 6, 7 de phase est le suivant: - al = 120° pour le premier module électronique de puissance 15 intégrant les composants contrôlant les premiers courants de phase U1 et Wl; - a2 = 150° pour le deuxième module électronique de puissance 16 intégrant les composants contrôlant les premier et second courants de phase V1 et W2; 15 - a3 = 120° pour le troisième module électronique de puissance 17 intégrant les composants contrôlant les seconds courants de phase U2 et V2. Dans chaque module électronique de puissance 15, 16, 17, une puissance électrique instantanée totale est proportionnelle à l'expression: P (0) = sin2 0 + sin2 (0 - a ) avec 0= wt 20 w étant la pulsation des courants de phase et t la variable de temps. La Figure 2 représente cette expression pour différentes valeurs du décalage de phase a: - a = 30° (trait pointillé) 18; - a = 120° (trait tireté) 19; 25 - a = 150° (trait mixte) 20. Pour les premiers courants de phase U1 et W1 décalés de 120°, la puissance électrique instantanée totale varie de +/- 50% autour de sa valeur moyenne. Pour les premier et second courants de phase V1 et W2 décalés de 150°, la 30 puissance électrique instantanée totale varie de +/- 86% autour de sa moyenne. Lorsque la machine est en rotation à vitesse élevée, ces courants de phase varient rapidement et une inertie thermique des modules électroniques de puissance 15, 16, 17 filtre des pointes de puissance dissipée: une température correspond alors à une puissance dissipée moyenne. 35 En revanche, lorsque la machine est à l'arrêt, ou en rotation à très faible - 6 - vitesse, l'inertie thermique des modules électroniques de puissance 15, 16, 17 est insuffisante pour éviter leur échauffement sur les pointes de puissance. La Figure 2 montre que pour un décalage de phase a égal à 90° (trait plein 21), la puissance électrique instantanée totale est constante. Dans le mode de réalisation préféré de l'invention, où le décalage angulaire cp entre les premier et second systèmes triphasés vaut 30°, les première et seconde bornes de puissance 12, 13 de chaque module 15, 16, 17 peuvent être reliées aux premier et second exemplaires des premiers et seconds enroulements de phase de manière à réaliser ce décalage de phase a égal à 90°, comme le montre bien la Figure 3b. Pour réaliser cette seconde configuration optimale: - les première et seconde bornes de puissance 12, 13 d'un premier module électronique de puissance 15 sont reliées respectivement à un premier exemplaire W1 des premiers enroulements de phase 2, 3, 4 et à un second exemplaire V2 de 15 ces seconds enroulements de phase 5, 6, 7; - les première et seconde bornes de puissance 12, 13 d'un deuxième module électronique de puissance 16 sont reliées respectivement à un autre premier exemplaire V1 des premiers enroulements de phase 2, 3, 4 et à un autre second exemplaire U2 des seconds enroulements de phase 5, 6, 7; 20 - les première et seconde bornes de puissance 12, 13 d'un troisième module électronique de puissance 17 sont reliées respectivement à encore un autre premier exemplaire U1 des premiers enroulements de phase 2, 3, 4 et à encore un autre second exemplaire W2 de ces seconds enroulements de phase 5, 6, 7. Dans cette seconde configuration, les pertes, notamment les pertes 25 thermiques, dans chaque module électronique de puissance 15, 16, 17 sont indépendantes de l'angle électrique. D'autres associations deux à deux des phases U1, U2; V1, V2; W1, W2. dans les modules électroniques de puissance 15, 16, 17 conduiraient à l'existence de pire cas plus sévères. 30 Par conséquent, cette seconde configuration montrée sur la Figure 3b permet de maximiser un couple moteur disponible en fonctionnement prolongé en rotor bloqué (notamment: fonction de pré-positionnement du vilebrequin, fonction de maintien d'une position...). Un exemple concret de machine électrique tournante hexaphasée 22 de type 35 double-triphasée comprenant une architecture de modules électroniques de - 7 - puissance 15, 16, 17 selon l'invention est montré sur la Figure 4. L'homme de métier reconnaîtra facilement sur le palier arrière présenté les trois modules électroniques de puissance 15, 16, 17. Ces modules électroniques de puissance 15, 16, 17 se présentent comme 5 des boîtiers d'une forme générale de parallélépipède rectangle. Chaque boîtier 15, 16, 17 comporte des éléments de connexion extérieurs comprenant des première et seconde bornes de puissance 12, 13 qui s'étendent perpendiculairement à deux faces opposées. En sortie des modules électroniques de puissance 15, 16, 17, ces première 10 et seconde bornes de puissance 12, 13 comportent chacune un circuit magnétique 23 et un capteur à effet Hall de mesure du courant de phase U1, U2; V1, V2; W1, W2. Le palier arrière présenté sur la Figure 4 est celui d'une machine électrique tournante double-triphasée du mode de réalisation préféré de l'invention, c'est-à15 dire que les premier et second systèmes triphasés sont décalés angulairement de 30°. Les première et seconde bornes de puissance 12, 13 sont donc reliées aux pattes de connexion des premiers et seconds enroulements de phase 2, 3, 4, 5, 6, 7 de manière à réaliser le schéma d'interconnexion montré sur la Figure 3b. 20 De la sorte, la puissance électrique instantanée des couples W1-V2, V1-U2 et U1-W2 des premier et second courants de phase est constante, et les pertes sont réparties uniformément entres les trois modules électroniques de puissance 15, 16, 17. La taille des dissipateurs thermiques 24 des modules électroniques de 25 puissance 15, 16, 17 peut donc être plus réduite que dans une architecture non optimisée comme dans la première configuration montrée sur la Figure 3a. L'homme de métier aura également reconnu sur le palier arrière 22 de la machine électrique tournante selon l'invention présenté sur la Figure 4 d'autres éléments de connexion extérieurs des modules électroniques de puissance 15, 16, 30 17 comme des traces de puissance 25 reliées à un pôle positif B+ de la machine 22 et des connecteurs de signaux 26. Il aura noté la présence de capacités de filtrage 27 ainsi que d'autres composants qui ne seront pas décrits en détail, car ils ne contribuent pas directement à la réalisation du but de l'invention. 35 Comme il va de soi, l'invention ne se limite pas au seul mode de réalisation préférentiel décrit ci-dessus. Une description similaire pourrait être effectuée pour des machine électriques tournantes de type double-triphasée présentant des angles de décalage cp différents de 30°, notamment 15°, 45° ou 60°. Une même analyse conduirait à une architecture de modules électroniques de puissance 15, 16, 17 interconnectés dans lesquels les pertes thermiques seraient équilibrées, sinon totalement, mais autant que possible, en choisissant des associations deux par deux des phases permettant de limiter la variation de la puissance électrique instantanée totale dans chacun des modules électroniques de puissance 15, 16, 17 autour de sa valeur moyenne. Par exemple, dans le cas d'un angle de décalage cp valant 45°, la variation de la puissance électrique instantanée totale autour de sa valeur moyenne est limitée à +/- 26% si l'on opte pour une association des couples U2-V1, V2-W1 et W2-U1 des premier et second courants de phase pour lesquels le décalage de phase a est 75 °. L'invention embrasse donc toutes les variantes possibles de réalisation dans la mesure où ces variantes restent dans le cadre défini par les revendications ci-après. REVENDICATIONS1) Procédé d'interconnexion de modules électroniques de puissance (15, 16, 17) dans une machine électrique tournante hexaphasée (22) du type de celles comportant trois premiers (2, 3, 4) et trois seconds (5, 6, 7) enroulements de phase formant un premier et un second systèmes triphasés décalés angulairement d'un angle de décalage ((p) prédéterminé, lesdits premiers (2, 3, 4) et seconds (5, 6, 7) enroulements de phase étant parcourus respectivement par des premiers (U1, V1, W1) et des seconds (U2, V2, W2) courants de phase, lesdits modules électroniques de puissance (15, 16, 17) étant aptes à contrôler lesdits premiers (U1, V1, W1) et lesdits seconds (U2, V2, W2) courants de phase et étant du type de ceux comportant chacun des composants électroniques disposés dans un boîtier et des éléments de connexion extérieurs (12, 13, 25, 26) comprenant des première et seconde bornes de puissance (12, 13) aptes à être reliées électriquement chacune à des premier et second exemplaires desdits premiers et seconds enroulements de phase (2, 3, 4; 5, 6, 7), caractérisé en ce que lesdites première et seconde bornes de puissance (12, 13) desdits modules électroniques de puissance (15, 16, 17) sont interconnectées électriquement auxdits premier et second exemplaires desdits premiers et seconds enroulements de phase (2, 3, 4; 5, 6, 7) de manière à ce qu'un ensemble de chaque décalage de phase (a) entre lesdits premier et second exemplaires desdits premiers et seconds enroulements de phase minimise une variation d'une puissance électrique instantanée totale en fonction d'un angle électrique dans chacun desdits modules électroniques de puissance (15, 16, 17). 2) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite puissance électrique instantanée totale dans chacun desdits modules électroniques de puissance (15, 16, 17) est sensiblement constante en fonction dudit angle électrique. 3) Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit angle de décalage (y) vaut 30° et ledit décalage de phase (a) vaut 90°. 4) Machine électrique tournante hexaphasée (22) de type double-triphasée, 35 caractérisée en ce qu'elle comprend une architecture de modules électroniques de h 3023997 - 10 - puissance (15, 16, 17) interconnectés selon le procédé de l'une quelconque des revendications 1 à 3 précédentes.