Brevet FR3073344A1 — publié le 20190510

PROCEDE DE REGULATION D'UN COURANT ELECTRIQUE DELIVRE PAR UNE MACHINE ELECTRIQUE TOURNANTE DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION L'invention concerne un procédé de régulation d'un courant électrique délivré par une machine électrique tournante équipant un véhicule automobile à moteur thermique. ARRIERE-PLAN TECHNOLOGIQUE DE L'INVENTION Un véhicule automobile à moteur thermique est équipé d'un alternateur qui a pour fonction de transformer l'énergie mécanique provenant du moteur en énergie électrique dans le but notamment de recharger la batterie du véhicule et d'alimenter le réseau de bord du véhicule. L'alternateur comporte une pluralité de sous- ensembles dont un rotor comprenant un bobinage d'excitation alimenté par un courant électrique d'excitation. Le courant électrique délivré par l'alternateur dépend de la vitesse de rotation de l'alternateur et du courant d'excitation. Chaque sous-ensemble présente une température limite de fonctionnement au-delà de laquelle le sous-ensemble est susceptible d'être endommagé ou de défaillir. En fonctionnement, la température des sous-ensembles dépend essentiellement de l'intensité du courant délivré par l'alternateur et de la vitesse de rotation de l'alternateur. L'alternateur présente un maximum de température dans une plage de vitesses dite « critique », s'étendant par exemple de 2000 à 4000 tours par minute. Cela s'explique par le fait que lorsque la vitesse de rotation est faible, l'échauffement dû aux frottements est faible. De plus, l'alternateur délivre peu de courant et donc chauffe peu. D'un autre côté, lorsque la vitesse de rotation est élevée, il y a plus de frottements et l'alternateur fournit plus de courant mais la ventilation due à la rotation permet de refroidir l'alternateur. Actuellement, l'alternateur est dimensionné de manière à ce que la température de chaque sous-ensemble n'excède pas sa valeur limite. En 2 conséquence, le courant d'excitation alimentant le rotor présente une valeur maximale qui dépend de la vitesse de rotation de l'alternateur. Un inconvénient à cette façon de concevoir l'alternateur est que lorsqu'il ne se 5 trouve pas dans la plage de vitesses critiques, l'alternateur pourrait fournir davantage de courant sans pour autant que ses sous-ensembles atteignent leurs températures limites. En d'autres termes, cela revient à perdre de la puissance de part et d'autre de la plage de vitesses critiques. 10 RESUME DE L'INVENTION La présente invention vise à résoudre le problème qui vient d'être mentionné. Selon un premier aspect de l'invention, ce but est atteint en prévoyant un procédé de régulation d'un courant électrique délivré par une machine électrique tournante comprenant un rotor muni d'un bobinage d'excitation alimenté par un courant 15 électrique d'excitation, le procédé comportant les étapes suivantes : (a) déterminer la température d'un élément de la machine électrique tournante ; (b) comparer la température de l'élément à une valeur prédéterminée ; (c) limiter le courant d'excitation alimentant le bobinage d'excitation pour 20 réguler le courant délivré par la machine électrique tournante lorsque la température de l'élément atteint la température limite de sorte que la température de l'élément ne dépasse pas la température limite. Grâce à l'invention, lorsque l'élément de l'alternateur 25 Selon un mode de mise en oeuvre, la température de l'élément est déterminée par une mesure effectuée au moyen d'un capteur de température disposé en contact avec l'élément. 30 Selon un mode de mise en oeuvre, la température de l'élément, dit « premier élément », est liée à la température d'un élément de référence via une relation mathématique prédéfinie, le procédé comportant une étape de mesure de la température de l'élément de référence effectuée au moyen d'un capteur de température disposé en contact avec l'élément de référence, la température du 3 premier élément étant déterminée à partir de la relation mathématique et de la mesure de la température de l'élément de référence. Selon un mode de mise en oeuvre, la relation mathématique est une relation 5 linéaire. Selon un mode de mise en oeuvre, le premier élément et l'élément de référence appartiennent à un premier groupe d'éléments, la machine électrique tournante présentant une vitesse de rotation, la relation linéaire étant définie par un 10 premier ensemble de coefficients lorsque la vitesse de rotation appartient à une première plage de vitesses de rotation, et par un deuxième ensemble de coefficients lorsque la vitesse de rotation appartient à une deuxième plage de vitesses de rotation. 15 Selon un mode de mise en oeuvre, la relation mathématique est une relation polynomiale. Selon un mode de mise en oeuvre, le premier élément et l'élément de référence appartiennent à un deuxième groupe d'éléments, la machine électrique 20 tournante présentant une vitesse de rotation, la relation mathématique étant définie pour une plage de vitesses de rotation supérieures à une vitesse seuil. Selon un mode de mise en oeuvre, les étapes (a) et (b) sont répétées pour un nombre prédéterminé d'éléments, la température de chaque élément étant comparée 25 une valeur prédéterminée respective, le courant d'excitation étant limité lorsque la température de l'un des éléments atteint la valeur prédéterminée correspondante. Un deuxième aspect de l'invention concerne une machine électrique tournante comportant un rotor muni d'un bobinage d'excitation alimenté par un courant 30 électrique d'excitation, caractérisée en ce qu'elle comporte des moyens de détermination de la température d'un élément de la machine électrique tournante, des moyens de comparaison de la température de l'élément à une première température limite prédéterminée, des moyens de limitation du courant d'excitation alimentant le bobinage d'excitation pour réguler un courant électrique délivré par la 4 machine électrique tournante lorsque la température de l'élément atteint la température limite de sorte que la température de l'élément ne dépasse pas la température limite. 5 BREVE DESCRIPTION DES FIGURES L'invention et ses différentes applications seront mieux comprises à la lecture de la description qui suit et à l'examen des figures qui l'accompagnent, parmi lesquelles : 10 - la figure 1 représente des courbes de variation de la température du rotor, du roulement arrière et du roulement avant en fonction de la vitesse de rotation de l'alternateur ; - la figure 2 est une courbe représentant la température du roulement arrière en fonction de la température du rotor ; 15 - la figure 3 est une courbe de variation de la différence de température entre le rotor et le régulateur de tension en fonction de la vitesse de rotation de l'alternateur ; - la figure 4 représente des courbes de variation de la température du stator et d'un dispositif de redressement à diodes en fonction de la vitesse de rotation de l'alternateur ; 20 - la figure 5 est une courbe représentant la température du dispositif de redressement à diodes en fonction de la température du stator ; - la figure 6 représente des courbes de variation de la température du stator et d'un dispositif de redressement à transistors en fonction de la vitesse de rotation de l'alternateur ; 25 - la figure 7 est une courbe de variation de la différence de température entre le stator et le dispositif de redressement à transistors en fonction de la vitesse de rotation de l'alternateur ; - la figure 8 représente, pour différentes valeurs maximales du courant d'excitation, des courbes de variation de la température de l'alternateur et du courant 30 délivré par l'alternateur. Les figures ne sont présentées qu'à titre indicatif et nullement limitatif de l'invention. Pour plus de clarté, les éléments identiques ou similaires sont repérés par des signes de référence identiques sur toutes les figures. 5 DESCRIPTION DETAILLEE DE MODES DE MISE EN OEUVRE DE L'INVENTION Un véhicule automobile à moteur thermique est équipé d'une machine 5 électrique tournante, telle qu'un alternateur ou un alterno-démarreur, configurée pour transformer l'énergie mécanique provenant du moteur thermique du véhicule automobile en énergie électrique dans le but notamment de recharger la batterie du véhicule et d'alimenter électriquement le réseau de bord du véhicule. 10 L'alternateur comporte un rotor monté solidaire en rotation sur un arbre entraîné en rotation par le moteur via un dispositif de transmission de mouvement. L'alternateur comporte également un stator entourant le rotor. Le stator est porté par un carter comprenant un palier avant et un palier arrière traversés par l'arbre du rotor. Le carter est monté à rotation sur l'arbre au moyen de roulements équipant les 15 paliers. Le rotor comporte un bobinage d'excitation alimenté par un courant électrique, dit « courant d'excitation », et le stator comporte un bobinage d'induit. Sous l'effet de la rotation du rotor, un champ magnétique se crée et un courant électrique alternatif 20 est généré dans le bobinage d'induit du stator. L'alternateur comporte en outre un dispositif de redressement du courant alternatif en un courant continu approprié pour recharger la batterie et alimenter le réseau de bord du véhicule automobile. Le courant d'excitation est fourni par un régulateur de tension, par exemple 25 disposé sur le palier arrière de l'alternateur. Le courant délivré par l'alternateur dépend de la vitesse de rotation de l'alternateur et du courant d'excitation alimentant le rotor. La vitesse de rotation de l'alternateur étant directement liée à celle du moteur, il n'est pas possible d'agir dessus. Par conséquent, le régulateur de tension adapte le courant d'excitation de manière à maintenir la tension du réseau de bord et 30 de la batterie à une tension de consigne, notamment pour ne pas détériorer les équipements du réseau de bord et la batterie. Le rotor, le stator, le dispositif de redressement, le régulateur de tension et les roulements avant et arrière sont des éléments constitutifs de l'alternateur. Chaque 6 élément de l'alternateur présente une température limite de fonctionnement. Lorsque la température d'un élément atteint ou dépasse sa valeur limite, l'élément risque d'être endommagé ou de subir une défaillance. La température des éléments dépend essentiellement de la vitesse de rotation de l'alternateur et du courant délivré par 5 l'alternateur, et donc du courant d'excitation alimentant le rotor. La présente invention propose un procédé de régulation du courant délivré par l'alternateur de manière à maintenir la température des éléments sous leur température limite de fonctionnement respective. Pour ce faire, le procédé selon 10 l'invention comporte une étape de détermination de la température d'un élément de l'alternateur. La température de l'élément est ensuite comparée une valeur prédéterminée qui peut être la température limite de fonctionnement de l'élément ou une température fixée arbitrairement, de préférence inférieure à la température limite de fonctionnement de l'élément. 15 En fonction du résultat de cette comparaison, le courant d'excitation alimentant le rotor est limité ou non. Lorsque la température de l'élément atteint la valeur prédéterminée, le courant d'excitation est réduit de sorte que l'alternateur délivre moins de courant, ce qui diminue de manière globale la température de 20 l'alternateur, et en particulier celle de l'élément concerné. La température de l'élément peut être directement obtenue par une mesure, effectuée par exemple au moyen d'un capteur de température disposé en contact avec l'élément. Par exemple, le régulateur de tension comporte une puce 25 électronique équipée d'un capteur de température. Alternativement, la température de l'élément peut être liée à la température d'un élément de référence par une relation mathématique. La température de l'élément peut donc être déterminée à partir de la température de l'élément de référence, cette dernière étant de préférence mesurée. 30 La figure 1 montre trois courbes représentant les variations de la température Trotor du rotor, de la température TRAR du roulement arrière et de la température TRAv du roulement avant en fonction de la vitesse de rotation V de l'alternateur. 7 Sur l'ensemble des figures, les températures sont exprimées en degrés Celsius (°C) et la vitesse de rotation de l'alternateur est exprimée en tours par minute (tr/min). 5 Ces courbes montrent que la température de chacun des roulements peut être liée à la température du rotor par une relation linéaire comme illustré à la figure 2 qui représente la température du roulement arrière en fonction de la température du rotor. Il est donc possible de calculer la température d'un roulement à partir de la relation linéaire correspondante et de la température du rotor. Les températures des 10 roulements varient de manière linéaire avec la température du rotor car les roulements sont en contact avec l'arbre du rotor. La température Trotor du rotor peut être obtenue à partir de la température Tchip de la puce du régulateur de tension. La figure 3 est une courbe représentant la 15 différence de température 4T1 = Trotor Tchip entre ces deux éléments en fonction de la vitesse de rotation V de l'alternateur. La température Trotor du rotor est une fonction linéaire de la température T1 de la puce et de la vitesse de rotation V. Sur une première plage de vitesse, dans cet exemple comprise entre 1500 et 20 2300 tr/min, la fonction linéaire est définie par un premier ensemble de coefficient. En l'occurrence, le premier ensemble de coefficient est tel que Trotor = Tchip + 0,02*V + 20. Sur une deuxième plage de vitesse, dans cet exemple comprise entre 2300 et 25 2500 tr/min, la fonction linéaire est définie par un deuxième ensemble de coefficient. En l'occurrence, le deuxième ensemble de coefficient est tel que Trotor = Tchip - 0,06*V + 80. Avantageusement, le régulateur de tension, le rotor et les roulements forment 30 un premier groupe d'élément pour lequel la mesure de la température de l'un des éléments, de préférence celle du régulateur de tension, permet de déterminer la température des autres éléments. 8 Le stator et le dispositif de redressement peuvent quant à eux être affectés à un deuxième groupe d'éléments. Dans ce deuxième groupe, on mesure de préférence la température du dispositif de redressement, par exemple au moyen d'un capteur de température disposé en contact avec le dispositif de redressement. 5 Le comportement thermique du dispositif de redressement diffère selon qu'il comporte des diodes ou des transistors à effet de champ. La figure 4 montre deux courbes représentant les variations de la température Tstator du stator et de la température Tdiode d'un dispositif de redressement à diodes en fonction de la vitesse 10 de rotation V de l'alternateur. La figure 4 montre également une courbe représentant la différence de température 4T2 = Tstator Tdiode entre le stator et le dispositif de redressement à diodes en fonction de la vitesse de rotation V. Il ressort de la figure 4 que pour une vitesse de rotation supérieure à une vitesse seuil, par exemple égale à 2500 tr/min, la température du stator varie linéairement avec la température du 15 dispositif de redressement à diodes comme illustré à la figure 5. La figure 6 montre deux courbes représentant les variations de la température Tstator du stator et de la température TFET d'un dispositif de redressement à transistors en fonction de la vitesse de rotation V de l'alternateur. La figure 6 montre également 20 une courbe représentant la différence de température 4T2' = Tstator - TFET entre le stator et le dispositif de redressement à transistors en fonction de la vitesse de rotation V. Dans le cas du dispositif de redressement à transistors, lorsque la vitesse de rotation est supérieure à une vitesse seuil ici aussi égale à 2500 tr/min, la température du stator est liée à la température du dispositif de redressement et à la 25 vitesse de rotation par une équation de type polynomiale, comme illustré à la figure 7. Les courbes des figures 1 à 7 sont par exemple obtenues par une caractérisation préalable de l'alternateur sur un banc d'essai. Cette caractérisation 30 permet de définir les relations mathématiques reliant entre elles les températures des différents éléments. Avantageusement, on utilise les coefficients de ces relations mathématiques pour calculer la température des éléments à partir de la température d'un élément de référence qui elle est mesurée. Ainsi, l'alternateur peut comporter 9 seulement un capteur de température pour chaque groupe d'éléments, ce qui réduit les coûts de production de l'alternateur. La figure 8 met en évidence l'efficacité du procédé de l'invention. La figure 8 5 montre des courbes représentant les variations du courant lait délivré par l'alternateur et de la température T du stator de l'alternateur en fonction de la vitesse de rotation V de l'alternateur. Chaque courbe correspond à une valeur maximale du courant d'excitation. 10 Pour une première valeur maximale lexc_maxl telle que définie dans l'art antérieur, la température de l'alternateur reste inférieure à la valeur de température prédéterminée T'in, sans limitation du courant d'excitation. Dans ce cas, le courant lait délivré par l'alternateur n'est pas régulé. 15 Par contre, pour une deuxième valeur maximale lexc_max2 et une troisième valeur maximale lexc_max3 supérieures à la première valeur maximale lexc_maxl , le courant lait délivré par l'alternateur est régulé pour maintenir la température de l'alternateur inférieure à la valeur de température prédéterminée T'in,. Pour ce faire, le courant d'excitation est limité à une valeur inférieure à sa valeur maximale. Il est à 20 noter que plus la valeur maximale du courant d'excitation est élevée, plus le courant lait délivré par l'alternateur est régulé sur une large plage de vitesses de rotation. Grâce au procédé de l'invention, l'alternateur peut être configuré de manière à avoir un courant d'excitation maximal plus important que dans l'art antérieur. Il en 25 résulte un gain en puissance électrique, c'est-à-dire un courant délivré plus élevé, lorsque la température des éléments de l'alternateur le permet. Le procédé selon l'invention est par exemple mis en oeuvre sous la forme d'une boucle d'asservissement. Une règle de contrôle pour être implémentée pour 30 chaque élément. Dans ce cas, pour chaque règle, on détermine la température de l'élément concerné et on compare cette température à une valeur prédéterminée qui peut être identique pour tous les éléments ou spécifique à chaque élément. 10 Le procédé selon l'invention est par exemple mis en oeuvre par le régulateur de tension. Le régulateur de tension comporte des ressources matérielles, notamment un microprocesseur et de la mémoire, un connecteur multivoies, et des ressources logicielles, notamment un ou plusieurs algorithmes pour exécuter sa 5 fonction, à savoir réguler le courant d'excitation alimentant le bobinage d'excitation du rotor. Alternativement, cette fonction peut être réalisée au moyen d'un circuit intégré à application spécifique, également appelé ASIC pour « Application-Specific Integrated Circuit » en anglais, ou de manière générale au moyen de logique câblée. 10 Naturellement, l'invention n'est pas limitée aux modes de mise en oeuvre décrits en référence aux figures et des variantes pourraient être envisagées sans sortir du cadre de l'invention. Par exemple, on ne sortira pas du cadre de l'invention en l'implémentant REVENDICATIONS1. Procédé de régulation d'un courant électrique délivré par une machine électrique tournante comprenant un rotor muni d'un bobinage d'excitation alimenté par un courant électrique d'excitation, le procédé étant caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes : - (a) déterminer la température d'un élément de la machine électrique tournante ; - (b) comparer la température de l'élément à une valeur prédéterminée ; - (c) limiter le courant d'excitation alimentant le bobinage d'excitation pour réguler le courant délivré par la machine électrique tournante lorsque la température de l'élément atteint la température limite de sorte que la température de l'élément ne dépasse pas la température limite. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la température de l'élément est déterminée par une mesure effectuée au moyen d'un capteur de température disposé en contact avec l'élément. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la température de l'élément, dit « premier élément », est liée à la température d'un élément de référence via une relation mathématique prédéfinie, le procédé comportant une étape de mesure de la température de l'élément de référence effectuée au moyen d'un capteur de température disposé en contact avec l'élément de référence, la température du premier élément étant déterminée à partir de la relation mathématique et de la mesure de la température de l'élément de référence. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que la relation mathématique est une relation linéaire. 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que le premier élément et l'élément de référence appartiennent à un premier groupe d'éléments, la machine électrique tournante présentant une vitesse de rotation, la relation linéaire étant définie par un premier ensemble de coefficients lorsque la vitesse de rotation appartient à une première plage de vitesses de rotation, et par un deuxième 12 ensemble de coefficients lorsque la vitesse de rotation appartient à une deuxième plage de vitesses de rotation. 6. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que la relation 5 mathématique est une relation polynomiale. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 4 et 6, caractérisé en ce que le premier élément et l'élément de référence appartiennent à un deuxième groupe d'éléments, la machine électrique tournante présentant une vitesse de 10 rotation, la relation mathématique étant définie pour une plage de vitesses de rotation supérieures à une vitesse seuil. 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les étapes (a) et (b) sont répétées pour un nombre prédéterminé d'éléments, la 15 température de chaque élément étant comparée une valeur prédéterminée respective, le courant d'excitation étant limité lorsque la température de l'un des éléments atteint la valeur prédéterminée correspondante. 9. Machine électrique tournante comportant un rotor muni d'un bobinage 20 d'excitation alimenté par un courant électrique d'excitation, caractérisée en ce qu'elle comporte des moyens de détermination de la température d'un élément de la machine électrique tournante, des moyens de comparaison de la température de l'élément à une première température limite prédéterminée, des moyens de limitation du courant d'excitation alimentant le bobinage d'excitation pour réguler un courant 25 électrique délivré par la machine électrique tournante lorsque la température de l'élément atteint la température limite de sorte que la température de l'élément ne dépasse pas la température limite.