Brevet FR3084793A1 — publié le 20200207

MACHINE ÉLECTRIQUE TOURNANTE MUNIE D'UN BOBINAGE À CONFIGURATION OPTIMISÉE L'invention porte sur une machine électrique tournante munie d'un bobinage à configuration optimisée. L'invention trouve une application particulièrement avantageuse, mais non exclusive, avec les machines électriques tournantes utilisées dans les véhicules automobiles notamment de type électrique ou hybride pour lesquels un rendement optimal est recherché sur une grande plage de vitesses de rotation. De façon connue en soi, les machines électriques tournantes comportent un io stator et un rotor solidaire d'un arbre. Le rotor pourra être solidaire d'un arbre menant et/ou mené et pourra 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. Dans le cas d'une machine électrique de type synchrone, le rotor comporte 15 un corps formé par un empilage de feuilles de tôles ainsi que des pôles formés par des aimants permanents. Par ailleurs, le stator est monté dans un carter configuré pour porter à rotation l'arbre de rotor par exemple par l'intermédiaire de roulements. Le stator comporte un corps muni d'une pluralité de dents définissant des 20 encoches, et un bobinage inséré dans les encoches présentant une pluralité de phases. Les machines électriques tournantes à aimants permanents présentent l'avantage de disposer d'une densité de couple élevée, d'un rendement élevé, d'un facteur de puissance élevé et d'une structure compacte, en 25 particulier lorsqu'on utilise des aimants permanents de terres rares générant un champ magnétique intense. Toutefois, le champ magnétique produit par les aimants permanents est constant, en sorte qu'un courant de défluxage est nécessaire pour faire fonctionner la machine électrique au-delà de sa vitesse nominale. Cela réduit 30 l'efficacité et le facteur de puissance dans des zones de fonctionnement à grande vitesse de rotation. 2 La présence des aimants permanents, d'un bobinage à excitation continue permettant de générer le courant de défluxage, et d'un bobinage à excitation alternative rend la topologie de la machine électrique assez complexe. En outre, la fabrication et l'assemblage sont généralement difficiles et longs à s réaliser, ce qui a limité les applications industrielles de ce type de machine électrique tournante. L'invention vise à proposer une nouvelle configuration de machine électrique tournante ayant une structure simple permettant de maintenir un haut niveau de couple sur une grande plage de vitesses de rotation. io Plus précisément, l'invention a pour objet une machine électrique tournante notamment pour véhicule automobile, comportant: - un rotor à aimants permanents, - un stator muni d'un bobinage comportant une pluralité de phases formées chacune par des enroulements, 15 caractérisée en ce que ladite machine électrique tournante comporte en outre: - un premier onduleur de puissance comportant une pluralité de bras de pont, - un deuxième onduleur de puissance comportant une pluralité de bras de pont, zo - et en ce qu'au moins un groupe de deux enroulements d'une phase présente une extrémité connectée à un bras de pont du premier onduleur de puissance et une extrémité connectée à un bras de pont du deuxième onduleur de puissance. L'invention permet ainsi d'appliquer simultanément une excitation alternative 25 et une excitation continue au bobinage de façon à sélectivement augmenter le flux pour maximiser le couple de la machine électrique au démarrage, ou réduire le flux de la machine électrique afin de défluxer le rotor à haute vitesse. En outre, les ouvertures d'encoches du stator peuvent être augmentées, ce qui facilite le procédé de bobinage du stator. 30 Selon une réalisation, un nombre de dents du stator est égal à 6 fois k, k étant un nombre entier. 3 Selon une réalisation, un nombre de pôles du rotor est différent de 3 fois k, k étant un nombre entier. Selon une réalisation, le rotor est à flux radial. Selon une réalisation, le rotor est à aimants surfaciques. s Selon une réalisation, le rotor est à aimants enterrés. Selon une réalisation, le rotor comporte deux couches radiales d'aimants permanents. Selon une réalisation, un pôle du rotor est formé par au moins deux aimants permanents formant un angle non nul entre eux. Selon une réalisation, un entrefer s'étendant entre une périphérie externe du rotor et une périphérie interne du stator est variable. Selon une réalisation, une périphérie externe des aimants permanents présente une forme bombée. Selon une réalisation, une périphérie externe de portions du rotor s'étendant entre les aimants permanents présente une forme bombée. Selon une réalisation, le bobinage est de type concentré. Selon une réalisation, le bobinage est formé à partir de bobines de fil continu enroulées autour de dents du stator. 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 transversale d'une machine électrique tournante selon l'invention; La figure 2 est une représentation schématique de la connexion électrique du 25 bobinage de la machine électrique selon l'invention à des onduleurs de puissance; 4 Les figures 3 à 5 sont des vues en coupe transversale illustrant des variantes de réalisation de rotors de machines électriques tournantes selon la présente invention; Les figures 6a à 6c sont des représentations de la répartition du flux s magnétique respectivement pour un courant d'excitation continu nul, un courant d'excitation continu positif, et un courant d'excitation continu négatif; La figure 7a montre des représentations graphiques de la force contre-électromotrice en fonction de la position du rotor pour différentes excitations en courant continu du bobinage; 10 La figure 7b montre les spectres correspondant aux différentes courbes de la figure 7a; La figure 8 est une représentation graphique de l'évolution de l'amplitude de la fréquence fondamentale de la force contre-électromotrice en fonction d'une densité du courant d'excitation continu; 15 La figure 9a montre des représentations graphiques du couple électromagnétique en fonction de la position du rotor pour différentes excitations en courant continu; La figure 9b montre les spectres correspondant aux différentes courbes de la figure 9a; 20 La figure 10 est une représentation graphique du couple moyen en fonction de pertes cuivre pour différentes excitations en courant continu; La figure 11 montre une représentation graphique en 3D du couple moyen en fonction des pertes cuivre totales et d'un rapport des pertes cuivre en courant continu divisées par les pertes totales; La figure 12 est une représentation graphique du couple moyen par rapport aux pertes totales de cuivre respectivement sans excitation continue et avec une excitation continue optimale; Les figures 13a et 13b sont des représentations graphiques de variantes de réalisation d'un rotor à entrefer variable. 5 Les éléments identiques, similaires ou analogues conservent la même référence d'une figure à l'autre. La figure 1 montre une machine électrique tournante 10 comportant un stator bobiné 11 de type polyphasé, entourant co-axialement un rotor 12 ayant un axe de rotation X correspondant à l'axe de la machine. Le stator 11 et le rotor 12 sont séparés entre eux par un entrefer 13 s'étendant entre la périphérie externe du rotor 12 et la périphérie interne du stator 11. Par ailleurs, le stator 11 comporte un corps 15 et un bobinage 16. Le corps de stator 15 est constitué par un empilement axial de tôles planes. Le corps 10 15 comporte des dents 18 issues d'une culasse 20 qui sont réparties angulairement de manière régulière. Ces dents 18 délimitent des encoches 21, de telle façon que chaque encoche 21 est délimitée par deux dents 18 successives. Les encoches 21 débouchent axialement dans les faces d'extrémité axiales du corps de stator 15 et sont également ouvertes 15 radialement vers l'intérieur du corps de stator 15. Le bobinage 16 est avantageusement de type concentré en étant formé à partir de bobines 23 de fil continu enroulées autour de dents 18 du stator 11. Le fil de bobine est par exemple réalisé en cuivre et recouvert d'une couche de matériau isolant, tel que de l'émail. Le bobinage 16 comporte une pluralité 20 de phases formées par des enroulements. Par exemple, le bobinage 16 comporte un système triphasé formé par les enroulements A1-A2 pour la phase A, B1-B2 pour la phase B, et C1-C2 pour la phase C. Bien entendu, le nombre de phases pourra être adapté en fonction de l'application. Comme on peut le voir sur la figure 2, un premier onduleur de puissance 25 24.1 comporte une pluralité de bras de pont BP1, BP2, BP3 et un deuxième onduleur de puissance 24.2 comporte une pluralité de bras de pont BP1', BP2', BP3'. Un groupe de deux enroulements d'une même phase, respectivement A1-A2, B1-B2, et C1-C2, présente une extrémité connectée à un bras de pont BP1-BP3 du premier onduleur de puissance 24.1 et une extrémité connectée à un bras de pont correspondant BP1'-BP3' du deuxième onduleur de 6 puissance 24.2. Les connexions sont effectuées entre les éléments de commutation des bras de pont BP1-BP3; BP1'-BP3'. Un bras de pont BP1-BP3; BP1'-BP3' est formé de deux éléments de commutation commandés, à savoir un élément de commutation IHS (dit s "High side" en anglais) et un élément de commutation ILS (dit "Low side" en anglais) pour connecter sélectivement une extrémité d'un groupe d'enroulements au potentiel positif B+ d'alimentation de la machine 10 ou à la masse. Les bras de pont BP1-BP3; BP1'-BP3' connectés aux différentes phases de la machine électrique sont commandés par un module de 10 contrôle. Chaque élément de commutation IHS et ILS pourra être constitué par un transistor de puissance, par exemple de type MOS, associé de préférence à une diode de roue libre. Comme on peut le voir sur la figure 1, le rotor 12 de type à pôles saillants pourra comporter un corps 26 formé par un empilement axial de tôles planes 15 afin de diminuer les courants de Foucault ainsi que des pôles formés par des aimants permanents 27, notamment en ferrite ou en terres rares. Avantageusement, un nombre de dents Ns du stator 11 est égal à 6 fois k, k étant un nombre entier, soit Ns=6k. En outre, un nombre de pôles du rotor 12 Nr est différent de 3 fois k, soit Ns#3. 20 Le rotor 12 pourra présenter une configuration à flux radial, c'est-à-dire que les aimants permanents 27 pourront être orientés orthoradialement de façon à générer un flux magnétique d'orientation radiale par rapport à l'axe X de la machine électrique 10. Dans le mode de réalisation de la figure 1, le rotor 12 est à aimants 25 surfaciques, c'est-à-dire qu'il comporte des aimants permanents 27 disposés dans des logements 28 ouverts en périphérie externe ou fixés sur une périphérie externe du corps de rotor 26. Dans le mode de réalisation de la figure 3, le rotor 12 est à aimants enterrés, c'est-à-dire qu'il comporte des aimants permanents 27 disposés dans des 30 logements 28 fermés suivant toutes leurs faces, y compris à leur périphérie externe. Une telle configuration permet de maintenir efficacement les 7 aimants permanents 27 à l'intérieur des logements 28, même à hautes vitesses. Dans le mode de réalisation de la figure 4, le rotor 12 comporte deux couches radiales d'aimants permanents 27. Les aimants 27 d'une couche donnée sont disposés suivant un même diamètre. Dans le mode de réalisation de la figure 5, le rotor 12 comporte des pôles formés par des aimants permanents 27 qui définissent une forme en V. Ces aimants 27 sont disposés à l'intérieur de logements 28 correspondants fermés, suivant toutes leurs faces. Par "forme en V", on entend le fait qu'en 10 coupe transversale, les axes longitudinaux X1 d'au moins un ensemble de deux aimants 15 d'un pôle forment un angle non nul entre eux. Les logements 28 associés à un pôle sont en l'occurrence distincts l'un de l'autre. En variante, les logements 28 pourraient se rejoindre au niveau de la pointe du V. 15 Les aimants permanents 27 pourront être réalisés en ferrite ou en terre rare selon les applications et la puissance recherchée de la machine. En variante, les aimants permanents 27 peuvent être de nuance différente pour réduire les coûts. On fournit ci-après un exemple de réalisation non limitatif de la machine 20 électrique 10 selon l'invention présentant les paramètres énumérés dans le tableau ci-dessous. Cette machine électrique 10 a été optimisée de façon à maximiser le couple pour des pertes cuivre AC fixes. Paramètre Notation Unité Valeur Rayon externe du stator R' mm 45 Longeur du corps de rotor Lsk mm 25 Longueur de g mm 0.5 l'entrefer Split Ratio Sr 0.65 Epaisseur de la Hb mm 4 8 culasse du stator Largeur de dent mm 6.5 du stator Hauteur d'un HPM mm 5 aimant permanent Remanence d'un Br T 0.415 aimant permanent Coercivité d'un H, kA/m 255 aimant permanent Nombre de spires Nc 106 par bobine Diamètre de fil D, mm 0.63 Facteur de kp 0.4 remplissage La distribution de flux magnétique pour différentes excitations en courant continu est montrée en figures 6a à 6c respectivement pour une excitation en courant continu nulle (cf. figure 6a avec une densité de courant d'excitation Jc=0), une excitation en courant continu positive (cf. figure 6b), et une 5 excitation en courant continu négative (cf. figure 6c). En cas d'excitation en courant continu positive, en l'occurrence pour une densité du courant d'excitation valant Jdc=5A/mm2, le flux magnétique traversant la phase A est augmenté. En cas d'excitation en courant continu négative, en l'occurrence pour une 10 densité du courant d'excitation valant Jdc=-5A/mm2, le flux traversant la phase A est réduit. Ainsi, on observe que le flux magnétique peut être régulé par des excitations en courant continu de valeurs différentes. La figure 7a montre, pour une vitesse de rotation de 400 tours/min, des 15 représentations graphiques de la force contre-électromotrice B_EMF en fonction de la position du rotor Pos_rot exprimée en angle électrique pour différentes excitations en courant continu. 9 La courbe C_1 a été obtenue pour une excitation en courant continu nulle. La courbe C_2 obtenue pour une excitation en courant continu positive présente une force contre-électromotrice augmentée. La courbe C_3 obtenue pour une excitation en courant continu négative présente une force contre- s électromotrice réduite. La figure 7b montre les spectres correspondant aux différentes courbes C_1, C_2, C_3 en fonction de l'ordre de l'harmonique. On observe ainsi que la force contre-électromotrice peut être régulée par des excitations en courant continu de différentes valeurs. La figure 8 montre l'évolution de l'amplitude de la fréquence fondamentale de la force contre-électromotrice Fond_EMF en fonction de la densité du courant d'excitation continu Dens_lexc_DC. On observe que l'augmentation de flux est plus importante que la réduction du flux pour une même valeur de densité de courant Dens_lexc_DC. En outre, lorsque le courant d'excitation 15 Dens_lexc_DC est trop important, le champ magnétique est saturé, en sorte que l'amplitude de la fréquence fondamentale Fond_EMF a tendance à diminuer. La figure 9a montre, pour des pertes cuivre AC valant Pac=20W, des représentations graphiques du couple électromagnétique C_em en fonction 20 de la position du rotor Pos_rot exprimée en angle électrique pour différentes excitations en courant continu. La courbe C_1' a été obtenue pour une excitation en courant continu nulle. La courbe C_2' obtenue pour une excitation en courant continu positive présente un niveau de couple électromagnétique C_em aumenté. La courbe 25 C_3' obtenue pour une excitation en courant continu négative présente un niveau de couple électromagnétique C_em réduit. On observe ainsi que le couple électromagnétique C_em peut être régulée par des excitations en courant continu de différentes valeurs. La figure 9b montre les spectres correspondant aux différentes courbes en 30 fonction de l'ordre de l'harmonique. On observe une composante de couple significative du troisième ordre qui est causée par l'harmonique du deuxième ordre de la force contre-électromotrice B_EMF comme le montre la figure 7b. 10 La figure 10 représente l'évolution du couple moyen C_moy en fonction des pertes cuivre Pcu respectivement sans courant continu (cf. courbe C_1"), avec une excitation en courant continu positive augmentant le flux magnétique (cf. courbe C_2"), et avec une excitation en courant continu s négative réduisant le flux magnétique (cf. courbe C_3"). La figure 11 montre une représentation graphique du couple moyen en fonction des pertes cuivre totales (Pdc+Pac) et d'un rapport des pertes cuivre en courant continu Pdc divisées par les pertes totales AC et DC soit (Pdc/(Pdc+Pac)). 10 La figure 12 est une représentation graphique du couple moyen C_moy en fonction des pertes cuivre totales respectivement sans excitation continue (cf. courbe C_4) et avec une excitation continue optimale (cf. courbe C_5). Le ratio d'amélioration du couple pour l'excitation hybride est défini de la façon suivante: (Topt -Tnon) / Tnon, 15 - Topt étant le couple obtenu avec une excitation continue optimale et - Tnon étant le couple obtenu sans excitation continue. On observe qu'avec l'augmentation des pertes cuivre, le rapport d'amélioration du couple augmente. Pertes cuivre Ratio d'amélioration du couple [(Topt - Lon) / Tnon] 1*pcu 10.2% 2 * pco 18.2% 3 * Pou 21.3% 4 * Pcu 24.0% 5*Pcu 25.2% 20 Par ailleurs, afin de limiter les variations de couple, un entrefer 13 s'étendant entre une périphérie externe du rotor 12 et une périphérie interne du stator 11 pourra être variable, en particulier suivant son épaisseur radiale par rapport à l'axe X de la machine. 11 Dans le mode de réalisation de la figure 13a, une périphérie externe des aimants permanents 27 présente une forme bombée, notamment suivant une direction radiale. Dans le mode de réalisation de la figure 13b, une périphérie externe de s portions du rotor 30 s'étendant entre les aimants permanents 27 présente une forme bombée, notamment suivant une direction radiale. 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. lo 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, REVENDICATIONS1. Machine électrique tournante (10) notamment pour véhicule automobile, comportant: - un rotor (12) à aimants permanents (27), - un stator (11) muni d'un bobinage (16) comportant une pluralité de phases (A, B, C) formées chacune par des enroulements (A1-A2, B1-B2, C1-02), caractérisée en ce que ladite machine électrique tournante (10) comporte en outre: - un premier onduleur de puissance (24.1) comportant une pluralité de bras de pont (BP1-BP3), - un deuxième onduleur de puissance (24.2) comportant une pluralité de bras de pont (BP1'-BP3'), - et en ce qu'au moins un groupe de deux enroulements (A1-A2, 61- B2, C1-02) d'une phase présente une extrémité connectée à un bras de pont (BP1-BP3) du premier onduleur de puissance (24.1) et une extrémité connectée à un bras de pont (BP1'-BP3') du deuxième onduleur de puissance (24.2). 2. Machine électrique tournante (10) selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'un nombre de dents (Ns) du stator (11) est égal à 6 fois k, k étant un nombre entier. 3. Machine électrique tournante (10) selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce qu'un nombre de pôles du rotor (Nr) est différent de 3 fois k, k étant un nombre entier. 4. Machine électrique tournante (10) selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que le rotor (12) est à flux radial. 5. Machine électrique tournante (10) selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que le rotor (12) est à aimants surfaciques. 6. Machine électrique tournante (10) selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que le rotor (12) est 13 aimants enterrés. 7. Machine électrique tournante (10) selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que le rotor (12) comporte deux couches radiales d'aimants permanents (27). 5 8. Machine électrique tournante (10) selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce qu'un pôle du rotor (12) est formé par au moins deux aimants permanents (27) formant un angle non nul entre eux. 9. Machine électrique tournante (10) selon l'une quelconque des 10 revendications 1 à 8, caractérisée en ce qu'un entrefer (13) s'étendant entre une périphérie externe du rotor (12) et une périphérie interne du stator (11) est variable. 10. Machine électrique tournante (10) selon la revendication 9, caractérisée en ce qu'une périphérie externe des aimants permanents (27) 15 présente une forme bombée. 11. Machine électrique tournante (10) selon la revendication 9 ou 10, caractérisée en ce qu'une périphérie externe de portions du rotor (30) s'étendant entre les aimants permanents (27) présente une forme bombée. 12. Machine électrique tournante (10) selon l'une quelconque des 20 revendications 1 à 11, caractérisée en ce que le bobinage (16) est de type concentré. 13. Machine électrique tournante (10) selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisée en ce que le bobinage (16) est formé à partir de bobines (23) de fil continu enroulées autour de dents (18) 25 du stator (11).