Brevet FR3059168A1 — publié le 20180525

MACHINE ÉLECTRIQUE TOURNANTE À RENDEMENT AMÉLIORÉ L'invention porte sur un rotor de machine électrique tournante à rendement amélioré. De façon connue en soi, les machines électriques tournantes comportent un stator et un rotor solidaire d'un arbre. Le rotor peut être solidaire d'un arbre menant et/ou mené et peut appartenir à une machine électrique tournante sous la forme d'un alternateur, d'un moteur électrique, ou d'une machine réversible pouvant fonctionner dans les deux modes. Le stator est monté dans un carter configuré pour porter à rotation l'arbre par exemple par l'intermédiaire de roulements. Le stator comporte un corps constitué par un empilage de tôles minces formant une couronne, dont la face intérieure est pourvue d'encoches ouvertes vers l'intérieur pour recevoir des enroulements de phase. Dans un bobinage de type ondulé réparti, les enroulements sont obtenus par exemple à partir d'un fil continu recouvert d'émail ou à partir d'éléments conducteurs en forme d'épingles reliées entre elles par soudage. Alternativement, dans un bobinage de type "concentrique", les enroulements de phase sont constitués par des bobines fermées sur elles-mêmes qui sont enroulées autour des dents du stator. Ces enroulements sont des enroulements polyphasés connectés en étoile ou en triangle ou encore en étoile triangle dont les sorties sont reliées à une électronique de commande. Le système peut être en double triphasé. Par ailleurs, le rotor comporte un corps formé par un empilage de feuilles de tôles maintenues sous forme de paquet au moyen d'un système de fixation adapté. Le rotor comporte des pôles formés par des aimants permanents logés dans des cavités ménagées dans le corps de rotor. On connaît des machines électriques tournantes accouplées à un arbre d'un compresseur électrique. Ce compresseur électrique permet de compenser au moins en partie la perte de puissance des moteurs thermiques de cylindrée réduite utilisés sur de nombreux véhicules automobiles pour en diminuer la consommation et les émissions de particules polluantes (principe dit de "downsizing" an anglais). 3059168 2 A cet effet, le turbocompresseur électrique, disposé sur le conduit d'admission en amont du moteur thermique, comprend une turbine pour permettre de comprimer l'air afin d'optimiser le remplissage des cylindres du moteur thermique. La machine électrique est activée pour entraîner la turbine 5 à très haute vitesse afin de minimiser le temps de réponse en couple, notamment lors des phases transitoires à l'accélération, ou en phase de redémarrage automatique du moteur thermique après une mise en veille (fonctionnement "stop and start" en anglais). On rappelle que la saillance électromagnétique d'une machine électrique 10 tournante est définie par la relation qui existe entre l'inductance dans l'axe direct (Ld) et l'inductance dans l'axe en quadrature (Lq). Afin de générer un couple électromagnétique optimal, il est connu que du courant positif doit être injecté dans l'induit, suivant l'axe en quadrature (axe Q) de sorte à produire un courant en quadrature par rapport au flux magnétique généré par 15 l'inducteur. Dans le cas d'une machine électrique tournante à aimants permanents tournant à une vitesse de rotation élevée notamment supérieure à 10 000 tours par minute comme cela est le cas pour le turbocompresseur, le flux magnétique généré par les aimants permanents du rotor suivant l'axe direct 20 (axe D) crée une force contre-électromotrice dans l'axe en quadrature (axe Q), ce qui empêche d'envoyer efficacement du courant positif suivant l'axe en quadrature pour créer le couple optimal. La présente invention vise à remédier efficacement à ce besoin en proposant une machine électrique tournante agencée pour fonctionner au moins en 25 mode moteur, notamment pour un turbo-compresseur électrique de véhicule automobile, comportant: - un stator comportant un bobinage muni d'une pluralité de phases électriques, - un rotor à aimants permanents, 30 - ladite machine électrique tournante présentant un coefficient de saillance égal à une inductance dans un axe en quadrature divisé par une inductance dans un axe direct, 3059168 3 - un onduleur pour commander électriquement ladite machine électrique tournante, caractérisée en ce que - ladite machine électrique tournante est configurée pour que le coefficient de 5 saillance soit supérieur à 1,2, notamment supérieur ou égal à 1,5, par exemple compris entre 1,5 et 3, - l'onduleur étant configuré pour générer un courant négatif dans l'axe direct dans les phases électriques du stator pour diminuer le flux magnétique dans l'axe direct, de manière à créer un couple réluctant positif. 10 L'invention permet ainsi d'augmenter l'inductance dans l'axe en quadrature, ce qui permet d'augmenter le flux magnétique dans l'axe en quadrature tout en renforçant le couple généré par la machine électrique. L'invention permet donc de défluxer la machine électrique sans dégrader le rendement de celle-ci à haute vitesse. 15 Selon une réalisation, les aimants permanents sont à aimantation radiale, deux faces parallèles l'une par rapport à l'autre d'un aimant permanent donné ayant une orientation orthoradiale étant magnétisées de manière à pouvoir générer un flux magnétique suivant une orientation radiale par rapport à un axe de la machine électrique tournante. 20 Selon une réalisation, l'onduleur est configuré pour réaliser une commande du type pleine onde présentant un angle d'ouverture variable. Ceci permet de diminuer le champ magnétique dans l'axe direct et de réduire le bruit acoustique généré par la composante radiale du flux magnétique sans réduire le couple développé par la machine. 25 Selon une réalisation, l'angle d'ouverture est compris entre 70 et 150 degrés. Selon une réalisation, ladite machine électrique tournante est configurée pour adapter un angle d'avance à l'ouverture de la commande pleine onde en fonction d'une vitesse de la machine électrique. Cela permet d'obtenir un courant négatif dans l'axe direct adapté en fonction de la vitesse de la 30 machine qui réduit le bruit magnétique tout en conservant un rendement optimal peu ou pas dégradé. 3059168 4 Selon une réalisation, l'angle d'avance à l'ouverture est compris entre 60 degrés et 100 degrés. L'angle d'avance est défini par l'angle électrique entre la force électromotrice à vide d'une phase et la tension appliquée à ses bornes. 5 Selon une réalisation, le stator comporte au moins trois phases électriques. En variante, le stator comporte un bobinage de type double triphasé, ou plus généralement de type polyphasé avec un nombre N quelconque de phases. Selon une réalisation, les trois phases électriques sont couplées en triangle. Le couplage triangle permet d'utiliser un diamètre de fil plus petit et un 10 nombre de spires plus élevé plus facile à ajuster en basse tension. En variante, le couplage pourra être un couplage de type étoile. Selon une réalisation, les aimants permanents sont du type enterrés. Selon une réalisation, le rotor comporte une pluralité de cavités logeant chacune au moins un aimant permanent, deux cavités voisines étant 15 séparées par un bras appartenant au corps de rotor, le bras ayant notamment une épaisseur supérieure ou égale à 2mm. Par exemple, l'épaisseur d'un bras est comprise entre 2 et 3.6mm. Selon une réalisation, un ratio entre une épaisseur d'un bras divisée par une épaisseur d'un aimant permanent est compris entre 0.5 et 1.2. Ceci permet 20 d'obtenir une machine dont le coefficient de saillance est optimisé pour la présente application. Selon une réalisation, le rotor est à aimants surfaciques, et comporte des espaces interpolaires entre deux aimants adjacents réalisés en matériau magnétique. 25 Selon une réalisation, la machine est configurée pour tourner à des vitesses maximales comprises entre 10000 et 100000 tours par minute. Selon une réalisation, un diamètre externe du rotor est compris entre 20 et 35 mm, et vaut de préférence de l'ordre de 30mm. 3059168 5 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 d'un turbocompresseur comportant une 5 machine électrique tournante selon la présente invention; Les figures 2a et 2b sont respectivement des vues en perspective et en coupe transversale du rotor de la machine électrique tournante selon l'invention; La figure 3 est une vue en perspective du stator de la machine électrique 10 tournante selon la présente invention; La figure 4 est une représentation schématique de l'onduleur commandant les phases de la machine électrique tournante selon l'invention; La figure 5 est un diagramme de l'état des éléments de commutation de l'onduleur ainsi que des tensions de phase pour une commande de type 15 pleine onde en fonction de l'angle de rotation du rotor; La figure 6 est un diagramme illustrant notamment la configuration des courants dans le repère formé par un axe direct et un axe en quadrature; La figure 7 est un diagramme temporel illustrant l'angle d'avance entre la force électromotrice à vide d'une phase et la tension appliquée à ses bornes. 20 Les éléments identiques, similaires, ou analogues conservent la même référence d'une figure à l'autre. La figure 1 montre un compresseur électrique 1, comportant une turbine 2 munie d'ailettes 3 apte à aspirer, via une entrée 4, de l'air non-comprimé issu d'une source d'air (non représentée) et à refouler de l'air comprimé via la 25 sortie 5 après passage dans une volute référencée 6. La sortie 5 pourra être reliée à un répartiteur d'admission (non représenté) afin d'optimiser le remplissage des cylindres du moteur thermique. En l'occurrence, l'aspiration de l'air est réalisée suivant une direction axiale, c'est-à-dire suivant l'axe de la turbine 2, et le refoulement est réalisé suivant 3059168 6 une direction radiale perpendiculaire à l'axe de la turbine 2. En variante, l'aspiration est radiale tandis que le refoulement est axial. Alternativement, l'aspiration et le refoulement sont réalisés suivant une même direction par rapport à l'axe de la turbine (axiale ou radiale). 5 A cet effet, la turbine 2 est entraînée par une machine électrique 7 montée à l'intérieur du carter 8. Cette machine électrique 7 comporte un stator 9, qui pourra être polyphasé, entourant un rotor 10 avec présence d'un entrefer. Ce stator 9 est monté dans le carter 8 configuré pour porter à rotation un arbre 11 par l'intermédiaire de roulements 14. L'arbre 11 est lié en rotation avec la 10 turbine 2 ainsi qu'avec le rotor 10. Le stator 9 est de préférence monté dans le carter 8 par frettage. La machine électrique 7 présente un temps de réponse court inférieur à 300ms pour passer de 0 à 70000 tours/min. De préférence, la tension d'utilisation est de 12 V ou 48 V et un courant en régime permanent est de 15 l'ordre de 150 A jusqu'à 260A. De préférence, la machine électrique 7 est apte à fournir un pic de courant, c'est-à-dire un courant délivré sur une durée continue inférieure à 3 secondes, compris entre 150 A et 800 A, notamment entre 180 A et 220 A. Plus précisément, comme cela est montré sur la figure 2a, le rotor 10 d'axe 20 de rotation X correspondant à l'axe de la machine est à aimants permanents. Le corps de rotor 17 est un paquet de tôles formé par un empilement axial de tôles les unes sur les autres. Ce corps de rotor 17 est réalisé en matière ferromagnétique. Les tôles sont maintenues par des moyens de fixation, par exemple des rivets 18, traversant axialement de part en part le corps de rotor 25 17. Le corps de rotor 17 peut être lié en rotation à l'arbre 11 de différentes manières, par exemple par emmanchement en force de l'arbre 11 cannelé à l'intérieur de l'ouverture centrale 20 du corps de rotor 17 ou à l'aide d'un dispositif à clavette. Le corps de rotor 17 présente un diamètre interne D1 par exemple de l'ordre 30 de 10mm, et un diamètre externe D2 compris entre 20 mm et 35 mm, et de préférence de l'ordre de 30mm. Par ailleurs, un diamètre externe du stator 9 est compris entre 35mm et 80mm, notamment entre 45mm et 55mm, par exemple entre 48mm et 52mm. 3059168 7 Le rotor 10 de type à "aimants enterrés" comporte une pluralité de cavités 22 destinées à recevoir chacune au moins un aimant permanent 23. Deux cavités 22 voisines sont séparées par un bras 26 appartenant au corps du rotor 10. Tel que cela est montré sur la figure 2b, chaque bras 26 a une 5 épaisseur E mesurée, suivant une direction orthoradiale par rapport à l'axe X, supérieure ou égale à 2mm. Par exemple, l'épaisseur E d'un bras 26 est comprise entre 2 et 3.6mm. De préférence, un ratio entre une épaisseur E d'un bras 26 divisée par une épaisseur d'un aimant 23 est compris entre 0.5 et 1.2. Ceci permet d'obtenir 10 une machine dont le coefficient de saillance est optimisé pour la présente application. Dans le cas présent, on empile axialement deux aimants 23 par cavité 22. Les aimants permanents 23 ont une forme de parallélépipède rectangle dont les angles pourront être biseautés. Les aimants 23 sont à aimantation 15 radiale, c'est-à-dire que les deux faces parallèles l'une par rapport à l'autre ayant une orientation orthoradiale sont magnétisées de manière à pouvoir générer un flux magnétique suivant une orientation radiale par rapport à l'axe X. Comme cela est bien visible sur la figure 2b où les lettres N et S 20 correspondent respectivement aux pôles Nord et Sud, les aimants 23 qui seront situés dans deux cavités 22 consécutives sont de polarités alternées. Les aimants 23 sont de préférence réalisés en terre rare afin de maximiser la puissance magnétique de la machine. En variante, ils pourront toutefois être réalisés en ferrite selon les applications et la puissance recherchée de la 25 machine électrique. Un aimant 23 pourra présenter une épaisseur comprise notamment entre 3 et 4 mm. Le nombre de cavités 22 est de préférence égal à quatre. Il est toutefois possible d'augmenter le nombre de cavités 22 et d'aimants 23 correspondants en fonction de l'application. Le corps de rotor 17 pourra également comporter deux flasques de maintien 30 (non représentés) plaqués de part et d'autre du rotor 10 sur ses faces d'extrémité axiale. Ces flasques de maintien assurent une retenue axiale des aimants 23 à l'intérieur des cavités 22 et servent également à équilibrer le 3059168 8 rotor 10. Les flasques sont en matière amagnétique, par exemple en aluminium. Par ailleurs, comme on peut le voir sur la figure 3, le stator 9 comporte un corps 29 et un bobinage 30. Le corps de stator 29 a une forme cylindrique 5 annulaire d'axe Y destiné à être confondu avec l'axe X lorsque le stator 9 est monté à l'intérieur de la machine électrique 7. Le corps de stator 29 consiste en un empilement axial de tôles planes maintenues au moyen de rivets 33. Plus précisément, le corps 29 comporte des dents 35 réparties angulairement de manière régulière sur une circonférence interne d'une 10 culasse 36. Ces dents 35 délimitent des encoches 37, de telle façon que chaque encoche 37 est délimitée par deux dents 35 successives. La culasse 36 correspond ainsi à la portion annulaire externe pleine du corps 29 qui s'étend entre le fond des encoches 37 et la périphérie externe du corps de stator 29. Les encoches 37 débouchent axialement dans les faces 15 d'extrémité axiales du corps 29. Les encoches 37 sont également ouvertes radialement dans la face cylindrique interne du corps 29. Pour former le bobinage 30 du stator 9, plusieurs bobines 40 sont enroulées autour des dents 35 du stator 9, ici au nombre de six. La protection entre le corps de stator 29 et le fil des bobines 40 est assurée soit par un isolant 41 20 de type papier, soit par du plastique par surmoulage ou au moyen d'une pièce rapportée. Le bobinage 30 étant de type triphasé, chaque phase est formée par deux bobines 40. Comme cela est illustré par la figure 4, les phases PH1, PH2, PH3 de la machine électrique 7 sont connectées en triangle. Les sorties de phase u, y, 25 w correspondant à un noeud entre deux phases PH1, PH2, PH3 sont reliées à un onduleur 44. L'onduleur 44 présente des bras B1, B2, B3. Chaque bras B1, B2, B3 comporte un premier élément de commutation K1, K2, K3 reliant une sortie de phase u, y, w à la tension d'alimentation B+ (élément dit "high sicle") 30 quand il est passant, et un second élément de commutation K1', K2', K3' reliant cette sortie de phase u, y, w à une masse M (élément dit "low sicle") quand il est passant. Les éléments de commutations K1, K2, K3, K1', K2', 3059168 9 K3' prennent généralement la forme de transistors de puissance de puissance de type MOSFET. La Figure 5 illustre une génération de commande pleine onde par l'onduleur 44 lors d'un fonctionnement en mode moteur de la machine électrique 5 tournante. Suivant cette commande, l'unité de contrôle commande alternativement les transistors "high K1, K2, K3 et "low sicle" K1', K2', K3' d'un bras B1, B2, B3 de l'onduleur 44 pour connecter une sortie de phase u, y, w soit à la tension d'alimentation B+, soit à la masse M, quand la position angulaire franchit un premier seuil angulaire de commutation valant 10 0 (modulo 360°), ou un second seuil angulaire de commutation valant 120°. Autrement dit, l'angle d'ouverture AO des transistors K1, K2, K3, K1', K2', K3' est de 120 degrés mais pourra en variante être différent, comme expliqué ci-après. Les tensions de phase correspondantes obtenues sont référencées UPh1 pour la tension mesurée entre les potentiels U et V, UPH2 pour la 15 tension mesurée entre les potentiels V et W, et UPh3 pour la tension mesurée entre les potentiels W et U. Comme cela est illustré par la figure 6, la machine électrique tournante 7 présente un coefficient de saillance égal à une inductance dans l'axe en quadrature Lq divisé par une inductance dans l'axe direct Ld. La machine 20 électrique 7 est configurée pour que le coefficient de saillance soit supérieur à 1,2, notamment supérieur ou égal à 1,5, par exemple compris entre 1,5 et 3. L'onduleur 44 est configuré pour générer un courant négatif dans l'axe direct ID dans les phases électriques PH1; PH2, PH3 du stator 9 pour diminuer le 25 flux magnétique dans l'axe direct (pD, de manière à créer un couple réluctant positif. A cet effet, l'onduleur 44 est configuré pour réaliser une commande du type pleine onde présentant un angle d'ouverture AO variable, compris entre 70 et 150 degrés. En outre, un angle d'avance à l'ouverture AA de la commande pleine onde 30 est adapté en fonction de la vitesse de la machine électrique. Cet angle d'avance AA est défini par l'angle électrique entre la force électromotrice (fem) à vide d'une phase et la tension appliquée à ses bornes. Sur la figure 7, on a représenté à titre d'exemple l'angle d'avance AA entre la force 3059168 10 électromotrice à vide de la phase PH1 référencée FemPH1 et la tension UPH1 mesurée entre les potentiels U et V. Cet angle d'avance AA est compris entre 60 degrés et 100 degrés. Ainsi, à 10000 tours/min, un angle d'avance AA de l'ordre de 60° suffit mais au-delà 5 de 40000tours/m in, l'angle d'avance AA passe à 80 degrés et à 100° pour un régime de 70000rpm. Au-delà d'un angle d'avance AA de 100°, le rendement se dégrade fortement. Cela permet d'obtenir un courant négatif dans l'axe D adapté en fonction de la vitesse de la machine qui réduit le bruit magnétique tout en conservant un rendement optimal peu ou pas dégradé. 10 En variante, le rotor 10 est à aimants 23 surfaciques, et comporte des espaces interpolaires entre deux aimants 23 adjacents réalisés en matériau magnétique. En variante, les phases PH1, PH2, PH3 pourront être connectées en étoile. En variante, le stator 9 comporte un bobinage 30 de type double triphasé. 15 En variante, le bobinage 30 pourra être de type ondulé réparti, les enroulements étant obtenus par exemple à partir d'un fil continu recouvert d'émail ou à partir d'éléments conducteurs en forme d'épingles en forme de U dont les extrémités libres sont reliées entre elles par soudage. Bien entendu, la description qui précède a été donnée à titre d'exemple 20 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 réalisation de la présente invention peuvent être associées les unes avec les autres selon diverses combinaisons, dans la mesure où elles ne sont pas 25 incompatibles ou exclusives les unes des autres. REVENDICATIONS1. Machine électrique tournante (7) agencée pour fonctionner au moins en mode moteur, notamment pour un turbo-compresseur électrique (1) de véhicule automobile, comportant: - un stator (9) comportant un bobinage (30) muni d'une pluralité de phases électriques (PH1, PH2, PH3), - un rotor (10) à aimants permanents (23), - ladite machine électrique tournante (7) présentant un coefficient de saillance égal à une inductance dans un axe en quadrature (Lq) divisé par une inductance dans un axe direct (Ld), - un onduleur (44) pour commander électriquement ladite machine électrique tournante (7), caractérisée en ce que - ladite machine électrique tournante (7) est configurée pour que le coefficient de saillance soit supérieur à 1,2, notamment supérieur ou égal à 1,5, par exemple compris entre 1,5 et 3, - l'onduleur (44) étant configuré pour générer un courant négatif dans l'axe direct (ID) dans les phases électriques (PH1, PH2, PH3) du stator (9) pour diminuer le flux magnétique dans l'axe direct ((pD), de manière à créer un couple réluctant positif. 2. Machine électrique tournante selon la revendication 1, caractérisée en ce que les aimants permanents (23) sont à aimantation radiale, deux faces parallèles l'une par rapport à l'autre d'un aimant permanent (23) donné ayant une orientation orthoradiale étant magnétisées de manière à pouvoir générer un flux magnétique suivant une orientation radiale par rapport à un axe (X) de la machine électrique tournante (7). 3. Machine électrique tournante selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que l'onduleur (44) est configuré pour réaliser une commande du type pleine onde présentant un angle d'ouverture (AO) variable. 4. Machine électrique tournante selon la revendication 3, caractérisée en ce que l'angle d'ouverture (AO) est compris entre 70 et 150 degrés. 3059168 12 5. Machine électrique tournante selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle est configurée pour adapter un angle d'avance à l'ouverture (AA) de la commande pleine onde en fonction d'une vitesse de la machine électrique. 5 6. Machine électrique tournante selon la revendication 5, caractérisée en ce que l'angle d'avance à l'ouverture (AA) est compris entre 60 degrés et 100 degrés. 7. Machine électrique tournante selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le stator (9) comporte au moins trois 10 phases électriques (PH1, PH2, PH3). 8. Machine électrique tournante selon la revendication 7, caractérisée en ce que les trois phases électriques (PH1, PH2, PH3) sont couplées en triangle. 9. Machine électrique tournante selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que les aimants permanents (23) sont du 15 type enterrés. 10. Machine électrique tournante selon la revendication 9, caractérisée en ce que le rotor (10) comporte une pluralité de cavités (22) logeant chacune au moins un aimant permanent (23), deux cavités (22) voisines étant séparées par un bras (26) appartenant au corps de rotor (17), le bras (26) ayant 20 notamment une épaisseur (E) supérieure ou égale à 2mm. 11. Machine électrique tournante selon la revendication 10, caractérisée en ce qu'un ratio entre une épaisseur (E) d'un bras (26) divisée par une épaisseur d'un aimant permanent (23) est compris entre 0.5 et 1.2. 12. Machine électrique tournante selon l'une quelconque des revendications 25 précédentes, caractérisée en ce que le rotor (10) est à aimants (23) surfaciques, et comporte des espaces interpolaires entre deux aimants (23) adjacents réalisés en matériau magnétique. 13. Machine électrique tournante selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'un diamètre externe (D2) du rotor (10) 30 est compris entre 20 et 35 mm, et vaut de préférence de l'ordre de 30mm.