Brevet FR3030938A1 — publié le 20160624

Machine à reluctance synchrone sinus La présente invention se rapporte à une machine électrique à reluctance synchrone sinus. En particulier, l'invention concerne une machine électrique dite à réluctance synchrone sinus et un procédé de pilotage pour une telle machine. Une machine électrique à réluctance synchrone sinus comporte une série de bobinages statoriques définissant des pôles de la machine, et un rotor en matériau ferromagnétique qui a été structuré par exemple par une série d'encoches, afin de faciliter l'établissement d'un champ magnétique à l'intérieur du rotor suivant certaines directions particulières. Les machines à reluctance synchrone sinus sont des machines avantageuses en termes de coût de fabrication, de sûreté de fonctionnement et de faibles émissions acoustiques. On connait notamment le document FR2971377 déposé par la demanderesse, qui décrit une machine à reluctance synchrone sinus et un procédé de commande d'une telle machine. Cependant les modes de commande connus dans l'art antérieur des machines à reluctances synchrone sinus ne permettent pas de disposer d'un surcroit de couple à haute vitesse, et toute augmentation du courant à haute vitesse se traduit par une augmentation de la tension qui fait chuter le couple disponible. En effet, les commandes connues d'une machine à réluctance synchrone sinus sont telles que le couple délivré est limité au couple nominal en zone de couple constant tandis que la puissance chute rapidement au-delà de la vitesse de base. On connait aussi, du document FR 2878 662, déposé par la demanderesse, un procédé de commande pour un fonctionnement en mode courant continu pour une machine à reluctance variable, permettant à la machine de disposer temporairement d'un surcroit de couple à haute vitesse. Cependant ces machines présentent d'importants inconvénients, notamment en termes de nuisances sonores, et ce type de commande n'est pas applicable aux machines à reluctances synchrone sinus connues. Aussi, il existe un besoin pour une machine à reluctance synchrone sinus apte à être commandée pour développer plus de couple à haute vitesse. On propose une machine à reluctance synchrone sinus comprenant des bobinages statoriques alimentés par N phases électriques. La machine à reluctance synchrone sinus est adaptée pour pouvoir fonctionner en mode à courant continu, chaque bobinage statorique définissant un pas d'angle inférieur ou égal à 360°/N. Le pas de chacun des bobinages statoriques est alors plus faible que ceux connus dans l'art antérieur, généralement d'une valeur de 1800. Ainsi on peut éviter que des flux magnétiques ne se superposent et gênent la commande de fonctionnement en mode à courant continu. De cette manière, on peut obtenir une machine synchrone apte à être commandée pour développer plus de couple à haute vitesse. Avantageusement et de manière non limitative, la machine comprend un rotor définissant des pôles, le pas des pôles du rotor étant supérieur ou égal au pas des bobinages statoriques. Ainsi la machine peut être démarrée de manière relativement simple. En particulier, le rotor ne risque pas de rester bloqué à une position d'arrêt au moment du démarrage de la machine. Avantageusement et de manière non limitative, les bobinages statoriques sont des bobinages concentrés. Ainsi le stator peut être relativement simple à fabriquer et peu coûteux à produire. Avantageusement et de manière non limitative, les bobinages statoriques sont alimentés par 3 phases électriques. L'invention concerne aussi un procédé de commande d'une machine à reluctance synchrone sinus telle que décrite précédemment, dans lequel on applique une commande choisie parmi une commande sinusoïdale et une commande vectorielle pure lorsque la machine fonctionne à une vitesse inférieure à sa vitesse de base, aussi appelée faible vitesse de fonctionnement, et en ce qu'on applique une commande de fonctionnement en mode à courant continu lorsque la machine fonctionne à une vitesse supérieure à sa vitesse de base, aussi appelée haute vitesse de fonctionnement. Ainsi on peut optimiser le fonctionnement de la machine en fonction de sa vitesse de fonctionnement. L'invention concerne aussi un système électrique comprenant une machine à reluctance synchrone sinus telle que décrite précédemment, et un onduleur pour alimenter les N phases de ladite machine, ledit onduleur étant conformé pour fournir une tension unipolaire et un courant continu à chacune des N phases. Avantageusement et de manière non limitative, l'onduleur est un onduleur à pont en H, le neutre de l'onduleur étant connecté à une phase parmi les N phases. Avantageusement et de manière non limitative, le système comprend un régulateur adapté pour réguler en boucle fermée ledit courant continu fourni aux phases à une valeur constante. Ainsi, la commande de la composante de courant continu peut être relativement sûre, ce qui améliore la qualité de fonctionnement du moteur. Avantageusement et de manière non limitative, ledit régulateur est adapté pour effectuer une régulation parmi les régulations de type proportionnelle- intégrale-dérivée, à hystérésis ou à mode glissant. L'invention concerne aussi un véhicule automobile comprenant un système électrique tel que décrit précédemment. D'autres particularités et avantages de l'invention ressortiront à la lecture 20 de la description faite ci-après d'un mode de réalisation particulier de l'invention, donné à titre indicatif mais non limitatif, en référence aux dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 est une vue schématique d'un système électrique selon un mode de réalisation de l'invention ; 25 - la figure 2 est un graphique représentant l'inductance de phase et le courant de phase d'un moteur électrique selon le mode de réalisation de la figure 1, en fonction du temps ; - la figure 3 est une vue schématique d'un rotor, en coupe perpendiculaire à son axe de rotation, d'une machine à reluctance synchrone sinus selon le 30 mode de réalisation de la figure 1; - la figure 4a et la figure 4b sont des représentations schématiques d'un onduleur pour un système électrique selon le mode de réalisation de la figure 1 - la figure 5 est une vue schématique d'un onduleur à pont en H adapté pour un système électrique selon un mode de réalisation alternatif de l'invention ; - la figure 6 est une représentation schématique des pas des bobinages statoriques du stator d'une machine à reluctance synchrone sinus selon le mode de réalisation de la figure 1 ; - la figure 7 est un graphique représentant l'évolution selon le mode de commande de l'onduleur, du flux magnétique en fonction du courant dans une phase d'un moteur à reluctance synchrone sinus d'un système électrique selon le mode de réalisation de la figure 1. En référence à la figure 1, une machine à reluctance synchrone sinus 1, aussi appelée selon l'acronyme MRSS 1, comprend un rotor 11 et un stator 10 adapté pour produire un champ électromagnétique. Plus précisément, en référence à la figure 3, le rotor 11 réalisé en matériau ferromagnétique, est entaillée par des entailles 22. Les contours des entailles 22 sont définis par des portions de cylindre centrées sur des axes extérieurs à la circonférence extérieure du rotor 11 et parallèles à l'axe central 26 du rotor. Les entailles 22 sont groupées en rang d'oignon formant un motif reluctant 24. L'extrémité des entailles 22 approche, sans la rejoindre la circonférence extérieure du rotor 11. Les entailles 22 délimitent des directions de moindre réluctance suivant lesquelles un champ magnétique induit à l'intérieur du rotor 11 tend à s'orienter. L'angle 28 dans lequel s'inscrit chaque motif reluctant 24 est appelé pas 28 des pôles du rotor. Le rotor 11 est adapté pour tourner sur lui-même autour de son axe central 26 de manière à pouvoir être entrainé en rotation par le champ électromagnétique produit par le stator 10. Le stator 10 comprend des bobinages 12, aussi appelés bobinages statoriques 12, ici alimentés par 3 phases électriques 20, agencés pour produire le champ électromagnétique. Avantageusement, les bobinages statoriques 12 sont de type concentrés, ce qui est particulièrement simple à fabriquer. Selon une alternative, les bobinages statoriques peuvent être de type répartis, ce qui permet de réduire les ondulations de couple et les vibrations tout en facilitant le fonctionnement avec un pas de rotor proche de celui des bobines du stator. En référence à la figure 6, les bobinages statoriques 12 concentrés du stator définissent des pas 50. Chaque pas 50 d'un bobinage statorique 12 correspond à l'angle entre les brins aller 12a et les brins retour 12b du bobinage statorique 12. Dans ce mode de réalisation, les bobinages statoriques 12 de différentes phases 20 doivent avoir un pas 50 suffisamment important pour éviter tout recouvrement entre les bobinages des phases. Aussi, pour une machine triphasée, les bobinages 12 du stator 10 présentent un pas 50 inférieur ou égal à 1200, avantageusement compris entre 90° et 120°. Pour une machine alimentée par N phases, le pas 50 de chaque bobinage 12 devra être inférieur ou égal à 360°/N. L'absence de recouvrement des bobinages 12 est nécessaire pour que le flux vu par un seul bobinage 12 ne dépende que du courant dans ce bobinage 12 et de la position du rotor 11. Autrement dit, on interdit le recouvrement des bobinages 12 de manière à éviter les perturbations qui seraient sinon induites par la ou les phases recouvrantes. Le pas 28 du rotor 11 devra être supérieur au pas 50 des bobines 12 du stator 10 pour une machine ayant N phases, de manière à pouvoir démarrer la machine à reluctance synchrone sinus sans que le rotor 11 ne soit bloqué à une position d'arrêt. En effet, le nombre de pôles au rotor étant égal à celui du stator, la machine ne peut pas tourner si le pas du rotor est supérieur ou égal au pas des bobines du stator. Lorsque la vitesse de la machine à reluctance synchrone sinus 1 atteint sa vitesse de base, à savoir la vitesse nominale pour laquelle elle est dimensionnée, on peut chercher à obtenir, par exemple sur une courte durée, une vitesse de fonctionnement supérieure. On parle alors de fonctionnement à haute vitesse. A haute vitesse, on commande la MRSS 1 de manière à ce qu'elle fonctionne en mode à courant continu. Autrement dit, on ajoute une composante de courant continue au courant ondulé circulant dans chaque phase 20. Ce mode de commande à courant continu a été initialement développé pour les machines à reluctance commutée, dénommée SRM (« de l'anglais « Switched Reluctance Machine »), ce qui est permis par le fait que le courant est unipolaire dans les phases de la machine, autrement dit il est toujours positif. Selon ce mode de commande, en ajoutant une composante continue de courant dans la phase, le point de départ de l'impulsion de courant se fait dans une zone du plan flux magnétique/courant, qui permet d'obtenir une plus large variation du flux pour un intervalle de courant resté constant. Sans cette composante continue, l'énergie convertie recouvre une surface relativement réduite du plan flux magnétique/courant. Le mode de fonctionnement selon l'invention consiste alors à adapter ce mode de commande à courant continu à la machine à reluctance synchrone sinus, pour laquelle le courant est classiquement bipolaire, de sorte à pouvoir exploiter une plus large plage de la caractéristique flux magnétique/courant à haute vitesse et donc développer plus de couple dans ces conditions. En commandant la MRSS 1 comme illustré à la figure 7 pour fonctionner en mode à courant continu 63, et donc lorsqu'on ajoute une composante de courant continue 62, l'énergie convertie recouvre une surface beaucoup plus importante par rapport à la surface relativement réduite du plan flux magnétique/courant obtenue sans cette composante continue 62. Ce mode de commande à courant continu est adapté à la MRSS de la façon suivant. Afin d'ajouter une composante continue 62, les bobinages 12 du stator 10 sont excités par des courants électriques de phase 20 unipolaires. En référence aux figures 4a et 4b, le courant passant dans chaque phase 20 alimentant un bobinage 12 est généré par un onduleur 2 du type utilisé dans les machine à réluctance commutée. Le courant unipolaire est obtenu en pilotant les transistors pour les phases de croissance du courant. Les diodes s'activent automatiquement lorsque les transistors sont désactivés pour les phases de décroissance du courant. Alternativement, en référence à la figure 5, l'onduleur 2' peut être un onduleur à pont en H 2', dont le point neutre 13 est connecté à l'une des phases 20. Lorsqu'on utilise un onduleur à pont en H 2', le refroidissement doit être adapté afin de refroidir de façon appropriée les transistors supérieurs 41 qui sont plus sollicités que les transistors inférieurs 42. Avantageusement, on peut alterner le sens du courant continu 62 et donc le sens de l'excitation unipolaire : positif pendant quelques secondes, négatif pendant quelques secondes, par exemple pour chaque signe entre 1 et 5 secondes. Cependant, ceci n'est possible que si le courant requis passe par zéro de manière relativement régulière. Avantageusement, le mode de commande à courant continu 63 sera couplé à d'autres méthodes de commande des MRSS 1 connues dans l'art antérieur, de manière à commander à basse vitesse la MRSS 1, soit lorsque la vitesse de fonctionnement est inférieure à la vitesse de base, avec une commande précédemment connue et en mode à courant continu à haute vitesse. On pourra choisir, par exemple par simulation ou par essais à un banc d'essai, les zones dans lesquelles on utilisera de préférence le mode à courant 20 continu 63 ou une autre commande 61 connue de l'homme du métier. Comme illustré à la figure 1, le système électrique 80 comprenant le MRSS 1 et l'onduleur 2, comprend en outre un régulateur 3 adapté pour effectuer une régulation de la composante de courant continu 62, afin de s'assurer que la composante de courant continu 62 ne dérive pas. 25 Ici on commande le régulateur 3 pour effectuer une régulation de type proportionnelle-intégrale-dérivée, dont l'application est bien connue de l'homme du métier. Alternativement, on pourra commander des régulateurs 3 effectuant des régulations par hystérésis ou par mode glissant, en particulier si la commande 30 et l'onduleur 2 sont rapides car ils permettent une commande plus précise du courant. En référence à la figure 2, la commande pour le mode à courant continu 63 fonctionne en pleine onde avec un angle d'allumage variable 70 et un angle d'extinction fixe 71. L'angle d'extinction fixe 71 est fixe afin de prévenir toute composante de 5 couple négatif due à un courant décroissant dans une phase d'inductance croissante 76 ou un courant croissant dans une phase d'inductance décroissante 77. Dans l'onduleur, pour une phase 20 donnée, seul l'angle d'allumage 70 du transistor supérieur 41 est piloté, celui du transistor inférieur 42 étant piloté de 10 manière complémentaire. En avançant l'angle d'allumage 70 pour un angle d'extinction fixe 71, on peut laisser le courant monter suffisamment haut afin qu'il ne retombe pas à zéro en fin de zone d'extinction 73. Lors de la mise en oeuvre du système électrique 80 dans un véhicule 15 automobile électrique, la boucle de retour 82 du régulateur 3 comprend la valeur moyenne du courant de phase 20 comme mesure équivalente à la composante continue 62, la tension maximale applicable étant bornée par la tension maximale de la batterie du véhicule automobile. La composante continue 62 est alors indissociée de la valeur efficace des 20 composantes de courant variable. On pilote donc simultanément les deux par le biais de l'angle d'allumage. REVENDICATIONS1. Machine à reluctance synchrone sinus (1) comprenant des bobinages statoriques (12) alimentés par N phases électriques (20), caractérisée en ce qu'elle est adaptée pour pouvoir fonctionner en mode à courant continu (63), chaque bobinage statorique (12) définissant un pas (50) d'angle inférieur ou égal à 360°/N. 2. Machine à reluctance synchrone sinus (1), selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'elle comprend un rotor définissant des pôles, le pas (28) des pôles du rotor (11) étant supérieur ou égal au pas (50) des bobinages statoriques (12). 3. Machine à reluctance synchrone sinus (1), selon l'une quelconque des revendications 1 à 2, caractérisé en ce que les bobinages statoriques (12) sont des bobinages (12) concentrés. 4. Machine à reluctance synchrone sinus (1), selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que les bobinages statoriques (12) sont alimentés par 3 phases électriques (20). 5. Procédé de commande d'une machine à reluctance synchrone sinus (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'on applique une commande (61) choisie parmi une commande sinusoïdale et une commande vectorielle pure lorsque la machine (1) fonctionne à une vitesse inférieure à sa vitesse de base, et en ce qu'on applique une commande de fonctionnement en mode à courant continu (63) lorsque la machine fonctionne à une vitesse supérieure à sa vitesse de base. 6. Système électrique (80) comprenant une machine à reluctance synchrone sinus (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, et un onduleur (2) pour alimenter les N phases (20) de ladite machine (1), ledit onduleur (2) étantconformé pour fournir une tension unipolaire et un courant continu (62) à chacune des N phases (20). 7. Système électrique (80), selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'onduleur (2) est un onduleur à pont en H (2), le point neutre (13) de l'onduleur (2) étant connecté à une phase (20) parmi les N phases (20). 8. Système électrique (80), selon l'une quelconque des revendications 6 ou 7, caractérisé en ce qu'il comprend un régulateur (3) adapté pour réguler en boucle fermée ledit courant continu (62) fourni aux N phases (20) à une valeur constante. 9. Système électrique (80), selon la revendication 8, caractérisé en ce que ledit régulateur (3) est adapté pour effectuer une régulation parmi les régulations de type proportionnelle-intégrale-dérivée, à hystérésis ou à mode glissant. 10. Véhicule automobile comprenant un système électrique (80) selon l'une quelconque des revendications 6 à 9.20