Brevet FR3060899A1 — publié le 20180622

MACHINE ÉLECTRIQUE TOURNANTE POUR VÉHICULE AUTOMOBILE La présente invention porte sur une machine électrique tournante pour véhicule automobile. L'invention trouve une application particulièrement avantageuse, mais non exclusive, dans le domaine des alternateurs et des machines électriques réversibles pour véhicule automobile. Un alternateur transforme de l'énergie mécanique en énergie électrique. Une machine réversible permet également de transformer de l'énergie électrique en énergie mécanique, notamment pour démarrer le moteur thermique du véhicule. De façon connue en soi, un alternateur comporte un carter et, à l'intérieur de celui-ci, un rotor à griffes monté sur un arbre et un stator qui entoure le rotor avec présence d'un entrefer. Une poulie est fixée sur l'extrémité avant de l'arbre. Le stator comporte un corps en forme de paquet de tôles doté d'encoches pour le montage du bobinage du stator. Le bobinage comporte une pluralité d'enroulements de phase qui sont par exemple des enroulements triphasés connectés en étoile ou en triangle et dont les sorties sont reliées à au moins un module électronique de redressement comportant des éléments redresseurs, tels que des diodes ou des transistors. Par ailleurs, le rotor comporte deux roues polaires ainsi qu'une bobine d'excitation intercalée axialement entre les deux roues polaires. Un module régulateur permet de réguler le courant d'excitation injecté dans la bobine d'excitation du rotor. Les alternateurs ont une puissance maximale dépendant de leur conception électrotechnique. Une catégorie est alors définie pour classer chaque machine en fonction de cette conception électrotechnique. Par exemple le courant nominal fournit par la machine peut être utilisé comme critère de classement desdites machines. Chaque machine électrique tournante est alors entièrement dimensionnée de manière à rentrer dans une catégorie. Ainsi, une machine dimensionnée pour une première catégorie ne peut pas être utilisée pour une 3060899 2 seconde catégorie. De plus, une machine est généralement surdimensionnée par rapport au besoin réel de puissance demandé par le véhicule. Cela entraine un développement complet de la machine en fonction de sa catégorie ainsi qu'une augmentation du coût de la machine. 5 L'invention vise à combler efficacement cet inconvénient en proposant un module régulateur destiné notamment à réguler un courant d'excitation injecté dans une bobine d'excitation d'un rotor de machine électrique tournante, notamment pour véhicule automobile, caractérisé en ce qu'il comporte une fonction de limitation d'une puissance électrique maximale de 10 ladite machine électrique tournante. L'invention permet ainsi de limiter la puissance d'une machine en fonction de la catégorie désirée. Cela permet à la fois de pouvoir utiliser une même base de machine pour différentes catégories en changeant le niveau de puissance maximale et d'adapter ce niveau de puissance maximale en 15 fonction des besoins réels pour le fonctionnement du véhicule. Selon une réalisation, la fonction de limitation est configurée pour limiter un rapport cyclique d'un signal de tension appliqué à la bobine d'excitation du rotor par rapport à un rapport cyclique maximal admissible par ladite machine électrique tournante. 20 Selon une réalisation, la fonction de limitation est configurée pour adapter le rapport cyclique du signal de tension appliqué à la bobine d'excitation du rotor en fonction d'une vitesse de la machine électrique tournante. Selon une réalisation, la fonction de limitation est configurée pour 25 adapter le rapport cyclique du signal de tension appliqué à la bobine d'excitation du rotor en fonction d'une température de la machine électrique tournante. Selon une réalisation, la fonction de limitation est apte à renvoyer un rapport cyclique relatif à destination d'un calculateur moteur. 30 Selon une réalisation, le rapport cyclique relatif correspond à un ratio entre un rapport cyclique réel fourni par le régulateur divisé par un rapport 3060899 3 cyclique maximal admissible par la machine électrique tournante. Selon une réalisation, la fonction de limitation est apte à renvoyer un signal relatif à son état d'activation à destination d'un calculateur moteur. Selon une réalisation, ledit module régulateur comporte une mémoire 5 stockant une cartographie établissant notamment une correspondance entre des vitesses de la machine électrique tournante et des rapports cycliques associés, ladite mémoire pouvant être programmée en fonction de besoins électrotechniques de ladite machine électrique tournante, notamment un débit de courant souhaité. 10 L'invention a également pour objet une machine électrique tournante caractérisée en ce qu'elle comporte un module régulateur tel que précédemment défini. Selon une réalisation, certains composants sont sous-dimensionnés par rapport à une puissance de parties actives de ladite machine électrique 15 tournante. Cela permet à la fois de dimensionner une base comprenant les parties actives standards et de dimensionner les composants qui ne constituent pas les parties actives de ladite machine de manière adaptée à la catégorie de la machine. Certaines contraintes de dimensionnement associées à ces composants, telle que la contrainte thermique, sont réduites 20 puisque lesdits composants sont dimensionnés au plus juste en fonction du besoin réel de puissance. Les coûts des composants qui ne sont plus surdimensionnés et donc de la machine sont réduits. Selon une réalisation, les composants sous-dimensionnés sont au moins un parmi : 25 - des composants électroniques tels que des diodes ou des transistors d'un pont redresseur, - des roulements pour le montage à rotation d'un arbre de ladite machine électrique tournante, - un dispositif d'isolation électrique de ladite machine, 30 - un dispositif de refroidissement de ladite machine, - un vernis d'imprégnation, - un élément magnétique tel qu'un aimant d'un rotor. 3060899 4 Par exemple, le dispositif d'isolation électrique peut être un isolant d'une bobine rotorique et/ou des isolants d'encoches du stator et/ou des cales de fermeture d'encoches du stator et/ou un émail recouvrant les conducteurs électriques de la bobine rotorique et/ou un émail recouvrant les 5 conducteurs électriques de l'enroulement du stator. Par exemple, le dispositif de refroidissement peut être un ventilateur et/ou une chambre comprenant un liquide de refroidissement. Dans le cas d'un ventilateur, le dimensionnement du ventilateur de manière adaptée au besoin de puissance du véhicule permet une réduction du bruit généré par le 10 ventilateur. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit et à l'examen des figures qui l'accompagnent. Ces figures ne sont données qu'à titre illustratif mais nullement limitatif de l'invention. La figure 1 est une vue en coupe longitudinale d'un alternateur selon 15 la présente invention; La figure 2 est un schéma électrique d'un module régulateur selon l'invention intégrant une fonction de limitation de puissance; La figure 3 est une représentation graphique illustrant l'effet de la fonction de limitation de puissance sur le courant débité par la machine 20 électrique tournante à une température ambiante de 25 degrés Celsius; La figure 4 est une représentation de l'évolution du rapport cyclique en fonction de la vitesse pour différents paramétrages d'une même machine électrique tournante; La figure 5 est une représentation graphique de l'évolution du rapport 25 cyclique maximum en fonction de la température pour une vitesse donnée et un rapport cyclique maximum de référence; La figure 6 est un diagramme fonctionnel illustrant les entrées et les sorties de la fonction de limitation de puissance selon la présente invention. Les éléments identiques, similaires, ou analogues conservent la 3060899 5 même référence d'une figure à l'autre. On a représenté sur la figure 1 un alternateur 10 compact et polyphasé, notamment pour véhicule automobile. Cet alternateur 10 transforme de l'énergie mécanique en énergie électrique et peut être 5 réversible. Un tel alternateur 10 réversible, appelé alterno-démarreur, permet de transformer de l'énergie électrique en énergie mécanique notamment pour démarrer le moteur thermique du véhicule. Cet alternateur 10 comporte un carter 11 et, à l'intérieur de celui-ci, un rotor à griffes 12 monté sur un arbre 13 d'axe X, et un stator 16, qui entoure 10 le rotor 12 avec présence d'un entrefer 17. Une poulie 14 est fixée sur l'arbre 13. Cette poulie appartient à un dispositif de transmission de mouvement à courroie entre l'alternateur 10 et le moteur thermique du véhicule automobile. Le stator 16 comporte un corps 19 en forme d'un paquet de tôles doté d'encoches équipées d'isolant d'encoches pour le montage des phases du 15 stator 16. Chaque phase comporte au moins un enroulement traversant les encoches du corps 19 du stator 16 et forme, avec toutes les phases, un chignon avant 20 et un chignon arrière 21 de part et d'autre du corps de stator 19. Les enroulements sont obtenus par exemple à partir d'un fil continu 20 recouvert d'émail ou à partir d'éléments conducteurs en forme de barre, tels que des épingles reliées entre elles par exemple par soudage. Ces enroulements sont par exemple des enroulements triphasés connectés en étoile ou en triangle, dont les sorties sont reliées à au moins un pont redresseur 22 comportant des éléments redresseurs tels que des diodes ou 25 des transistors du type MOSFET, notamment lorsqu'il s'agit d'un alterno- démarreur comme décrit par exemple dans le document FR2745445. Le rotor 12 comporte deux roues polaires 24, 25 présentant chacune un flasque 28 d'orientation transversale pourvu à sa périphérie externe de griffes 29. Les griffes 29 d'une roue 24, 25 sont dirigées axialement vers le 30 flasque 28 de l'autre roue. Chaque griffe 29 d'une roue polaire 24, 25 pénètre dans l'espace existant entre deux griffes 29 voisines de l'autre roue polaire, de sorte que les griffes 29 des roues polaires 24, 25 sont imbriquées les 3060899 6 unes par rapport aux autres. La périphérie externe des griffes 29 définit avec la périphérie interne du corps 19 du stator 16 l'entrefer 17 entre le stator 16 et le rotor 12. Un noyau cylindrique 30 est intercalé axialement entre les flasques 28 5 des roues 24, 25. Ce noyau 30 porte à sa périphérie externe une bobine d'excitation 31 enroulée dans un isolant intercalé radialement entre le noyau 30 et la bobine 31. Par ailleurs, le carter 11 comporte des paliers avant 35 et arrière 36 assemblés ensemble. Les paliers 35, 36 sont de forme creuse et portent 10 chacun centralement un roulement 37, 38 à billes pour le montage à rotation de l'arbre 13 du rotor 12. Le palier arrière 36 porte un porte-balais 40 muni de balais 41 destinés à venir frotter contre des bagues 44 d'un collecteur 45 reliées par des liaisons filaires au bobinage d'excitation 31. Les balais 41 sont reliés électriquement à un module régulateur de tension 47. 15 La figure 2 montre un tel module régulateur 47 comportant un circuit de contrôle 48 du courant du rotor 12. Le circuit 48 applique une commande en commutation de tension sur la bobine d'excitation B du rotor 12. Le courant du rotor 12 moyen est proportionnel au rapport cyclique de la commande. 20 Un étage de puissance 49 est constitué par exemple d'un transistor de pilotage T, typiquement de type MOS, pour la commutation et d'une diode de roue libre D pour permettre la recirculation du courant de la bobine B lors des phases à l'état bloqué du transistor T. En variante, l'étage de puissance 49 pourra consister en un pont en H connu de l'homme du métier. 25 La tension de grille du transistor T est appliquée par un circuit de pilotage 50 qui garantit une tension de grille suffisante pour maintenir le transistor T passant. Un circuit de régulation permet de réguler la tension de sortie de l'alternateur 10. A cet effet, le circuit de régulation comporte une boucle 30 d'asservissement linéaire 52 et un modulateur de largeurs d'impulsions 53 qui transforme la valeur d'erreur corrigée issue de la boucle 3060899 7 d'asservissement 52 en une valeur de rapport cyclique d'un signal appliqué en entrée du circuit de pilotage 50 du transistor T. En l'occurrence, la boucle d'asservissement 52 comporte un comparateur 54 assurant la comparaison entre une tension Vs mesurée en sortie de l'alternateur 10 et une tension de 5 consigne Vcons, ainsi qu'un correcteur 55, par exemple de type Proportionnel-Intégral (PI). Afin d'assurer son fonctionnement, le module régulateur 47 comporte des circuits de fonctionnement primaires, par exemple un circuit d'alimentation 56, un circuit de tensions de référence 57, et un circuit 10 d'horloge 58. Le module régulateur 47 pourra également comporter des systèmes de protection contre les surtensions et les délestages de charge (non représentés). La limitation de la puissance de l'alternateur 10 est effectuée par 15 l'intermédiaire d'une fonction 60 implémentée dans la puce du module régulateur 47. Cette fonction 60 permet de limiter la puissance maximale de la machine au juste nécessaire des besoins du véhicule. Ainsi, comme cela est illustré par la figure 3, la fonction de limitation 60 pourra adapter les performances d'une machine de catégorie 180A (cf. 20 courbe C1) à une machine de catégorie 120A (cf. courbe C2). Cela permet de conserver un débit supérieur au débit demandé par le réseau de bord du véhicule tout en étant au plus près de ce débit demandé (cf. courbe C3). Le fait de brider la puissance électrique de la machine permet de sous-dimensionner certains composants par rapport à une puissance de 25 parties actives constituées par le rotor 12 et le stator 16 de la machine électrique. Les composants sous-dimensionnés pourront par exemple être les composants électroniques tels que les diodes ou les transistors du pont redresseur 22, et/ou les roulements 37, 38 pour le montage à rotation de l'arbre 13, et/ou des cales de fermeture d'encoches du stator 16, et/ou des 30 isolant d'encoche du stator 16, et/ou l'isolant de la bobine du rotor 12, et/ou l'émail des conducteurs électriques du stator et/ou celui de la bobine du rotor, et/ou le vernis d'imprégnation, et/ou les ventilateurs, et/ou le liquide de 3060 899 8 refroidissement, et/ou les éléments magnétiques disposés sur le rotor tel que les aimants. Le porte-balais 40 pourra également être dépourvu de dissipateur thermique. Cette liste de composants sous-dimensionnés n'est pas exhaustive, ainsi l'homme du métier ne sortira pas du cadre de 5 l'invention en sous-dimensionnant d'autres composants non cités ci-dessus qui ne font pas parties des parties actives de la machine électrique tournante. De préférence, afin de limiter le débit de l'alternateur 10, la fonction 60 limite le rapport cyclique du signal de tension appliqué à la bobine 10 d'excitation du rotor 12 par rapport à un rapport cyclique maximal admissible par l'alternateur 10. Cette fonction 60 est paramétrable sur la ligne d'assemblage du module régulateur 47 via la programmation de ce dernier. Ces paramètres de limitation définis plus en détails ci-après sont figés dans la mémoire 61 du module régulateur 47 et ne sont pas modifiables pendant 15 la durée de vie du produit. Chaque alternateur 10 est ainsi protégé par la fonction de limitation 60 qui permet de garantir la robustesse du produit. La limitation de la puissance de l'alternateur 10 pourra être adaptée par la définition de plusieurs seuils de vitesse V_1, V_n associés à un rapport cyclique Df 1-Df_n correspondant à la puissance maximale désirée. 20 Par exemple, comme cela est illustré par la figure 4, pour un alternateur 10 donné paramétré à 150A, on définit un rapport cyclique Df_1 de 91% associé à un seuil V_1 basse vitesse de 1900 tours/min et un rapport cyclique Df_2 de 80% associé à un seuil V_2 haute vitesse de 5500 tours/min (cf. courbe C4). On définit également une pente P_1 entre ces 25 deux seuils V_1 et V_2. Pour ce même alternateur 10 paramétré à 120A, on définit un rapport cyclique Df_3 de 70% associé au seuil V_1 basse vitesse et un rapport cyclique Df_4 de 63% associé au seuil V_2 haute vitesse (cf. courbe C5). On définit également une pente P_2 entre ces deux seuils S1, S2. 30 Il sera possible également de définir des rapports cycliques qui augmentent en fonction de la vitesse de l'alternateur, comme cela est illustré par les seuils V_1, V_3 et la pente correspondante P_3 de la courbe C6. 3060899 9 Par ailleurs, il est possible de faire varier le rapport cyclique maximal appliqué en fonction de la température de l'alternateur 10 qui pourra être mesurée ou calculée. Cette température pourra être représentée par la température de la puce du module régulateur 47 et/ou la température 5 ambiante. Il sera ainsi possible d'augmenter ou diminuer la puissance maximale de l'alternateur 10 en fonction de la température et de la zone de fonctionnement de ses composants. Comme cela est illustré par la figure 5, par rapport à un rapport cyclique de référence Df_ref par exemple de l'ordre de 70% à une 10 température donnée Temp_1, Temp_2, le rapport cyclique maximum pourra augmenter lorsque la température diminue sur la plage K1 et augmenter avec la température sur la plage K2 (cf. courbe C7). Suivant une autre loi de commande, le rapport cyclique maximum pourra diminuer progressivement lorsque la température diminue sur la plage K1 et augmenter 15 progressivement sur la plage K2 (cf. courbe C8). La figure 6 illustre les différentes entrées et sorties de la fonction de limitation 60 embarquées dans la mémoire 61 du module régulateur 47. Le rapport cyclique réel Df_r est une donnée interne du module régulateur 47. Des données de seuil de vitesse V_1, V_2, V_n, de températures 20 Temp_1, Temp_2, ...Temp_n, de pentes P_1, P_2, P_n et de rapport cycliques Df 1, DF_2, DF_n sont des données programmées dans la mémoire 61 du module régulateur 47. Une cartographie stockée dans cette mémoire 61 pourra établir une correspondante entre ces vitesses V_1_V_n, ces températures Temp_125 Temp_n, ces pentes P_1-P_n et des rapports cycliques Df_1-Df n associés. Chaque seuil V_1-V_n, Df_1-Df n, Temp_1-Temp_n, P_1-P_n, est ajustable en fonction de la définition électrotechnique de la machine et des besoins du véhicule automobile. Autrement dit, la mémoire 61 du module régulateur 47 pourra être programmée en fonction de besoins 30 électrotechniques de l'alternateur 10, notamment d'un débit de courant souhaité. 3060899 10 Afin de renseigner le véhicule sur la puissance réellement disponible de la machine 10 lorsque la limitation est appliquée par la fonction 60, un "rapport cyclique relatif" (DF_Rel) pourra être envoyé au calculateur moteur. Ce rapport DF_Rel est égal au ratio entre le rapport cyclique réel 5 fourni par le régulateur DF_r divisé par le rapport cyclique maximal DF_max admissible par l'alternateur 10, le tout étant multiplié par 100, soit DF_rel=(DF_r/DF_max)x100. Il sera également possible de prévoir la transmission un signal S_act relatif à l'état d'activation de la fonction de limitation 60 par le régulateur vers 10 le calculateur moteur du véhicule automobile. En fonction des besoins du véhicule et des possibilités d'utilisation de l'alternateur 10, il sera possible d'inhiber temporairement la fonction de limitation 60 des performances de l'alternateur 10. A cet effet, le calculateur moteur pourra commander l'activation et la désactivation de la fonction de limitation 60. 15 Bien entendu, la description qui précède a été donnée à titre d'exemple uniquement et ne limite pas le domaine de l'invention dont on ne sortirait pas en remplaçant les différents éléments par tous autres équivalents. En outre, les différentes caractéristiques, variantes, et/ou formes de 20 réalisation de la présente invention peuvent être associées les unes avec les autres selon diverses combinaisons, dans la mesure où elles ne sont pas incompatibles ou exclusives les unes des autres. REVENDICATIONS1. Module régulateur (47) destiné notamment à réguler un courant d'excitation injecté dans une bobine d'excitation (B) d'un rotor (12) de machine électrique tournante, notamment pour véhicule automobile, caractérisé en ce qu'il comporte une fonction de limitation (60) d'une puissance électrique maximale de ladite machine électrique tournante (10). 2. Module régulateur (47) selon la revendication 1, caractérisé en ce que la fonction de limitation (60) est configurée pour limiter un rapport cyclique (Df 1-Df_n) d'un signal de tension appliqué à la bobine d'excitation (B) du rotor (12) par rapport à un rapport cyclique maximal (Df_max) admissible par ladite machine électrique tournante (10). 3. Module régulateur (47) selon la revendication 2, caractérisé en ce que la fonction de limitation (60) est configurée pour adapter le rapport cyclique (Df 1-Df_n) du signal de tension appliqué à la bobine d'excitation (B) du rotor (12) en fonction d'une vitesse (V_1-V_n) de la machine électrique tournante. 4. Module régulateur (47) selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que la fonction de limitation (60) est configurée pour adapter le rapport cyclique (Df 1-Df_n) du signal de tension appliqué à la bobine d'excitation (B) du rotor (12) en fonction d'une température (Temp_1-Temp_n) de la machine électrique tournante (10). 5. Module régulateur (47) selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la fonction de limitation (60) est apte à renvoyer un rapport cyclique relatif à destination d'un calculateur moteur. 6. Module régulateur (47) selon la revendication 5, caractérisé en ce que le rapport cyclique relatif correspond à un ratio entre un rapport cyclique réel fourni par le régulateur (DF_r) divisé par un rapport cyclique maximal (DF_max) admissible par la machine électrique tournante (10). 3060899 12 7. Module régulateur (47) selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce la fonction de limitation (60) est apte à renvoyer un signal (S_act) relatif à son état d'activation à destination d'un calculateur moteur. 5 8. Module régulateur (47) selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comporte une mémoire (61) stockant une cartographie établissant notamment une correspondance entre des vitesses (V_1-V_n) de la machine électrique tournante et des rapports cycliques (Df_1-Df_n) associés, ladite mémoire (61) pouvant être programmée en fonction de besoins 10 électrotechniques de ladite machine électrique tournante (10), notamment un débit de courant souhaité. 9. Machine électrique tournante (10) caractérisée en ce qu'elle comporte un module régulateur (47) tel que défini selon l'une quelconque des revendications précédentes. 15 10. Machine électrique tournante (10) selon la revendication 9, caractérisée en ce que certains composants (22, 37, 38) sont sous-dimensionnés par rapport à une puissance de parties actives (12, 16) de ladite machine électrique tournante (10). 11. Machine électrique tournante (10) selon la revendication 10, 20 caractérisée en ce que les composants sous-dimensionnés sont au moins un parmi : - des composants électroniques tels que des diodes ou des transistors d'un pont redresseur (22), - des roulements (37, 38) pour le montage à rotation d'un arbre (13) 25 de ladite machine électrique tournante (10), - un dispositif d'isolation électrique de ladite machine électrique tournante (10), - un dispositif de refroidissement de ladite machine électrique tournante (10)' 30 - un vernis d'imprégnation, - un élément magnétique tel qu'un aimant d'un rotor (12).