Brevet FR3089363A1 — publié le 20200605

Description Titre de l'invention : COMPRESSEUR ELECTRIQUE [0001] La présente invention concerne le domaine des compresseurs électriques, et plus par- ticulièrement un compresseur électrique de suralimentation comportant un dispositif de rigidification de l'arbre. [0002] Dans le cadre de l'invention, un compresseur électrique est un dispositif, utilisé pour suralimenter un moteur thermique, fonctionnant avec un moteur électrique comportant un rotor et un stator piloté par un ensemble électronique. Le compresseur comporte une roue de compresseur entrainée par un moteur électrique via un arbre. [0003] Le compresseur électrique est placé sur la ligne d'admission d'air d'un moteur à combustion interne, en complément par exemple d'un turbocompresseur. Le compresseur électrique joue le même rôle que le turbocompresseur, à savoir augmenter la pression d'admission des gaz frais dans le moteur, mais est utilisé notamment lors des phases transitoires pour pallier les problèmes de temps de réponse du turbocompresseur. [0004] Ce type de compresseur peut comporter un moteur à reluctance ou un moteur à aimant permanent. [0005] Dans le cas d'un compresseur avec moteur à aimant, et par exemple à aimants permanents, il est parfois nécessaire, pour piloter le moteur d'avoir un ou plusieurs capteurs. Ces capteurs permettent de connaitre à chaque instant la position relative du rotor par rapport au stator. [0006] 11 est courant pour ce type de moteur d'utiliser un capteur à effet Hall comportant une sonde à effet Hall et un aimant. Plus précisément, la sonde à effet Hall est rigidement couplé au stator et l'aimant rigidement couplé au rotor. [0007] Le rotor du moteur électrique est déjà équipé de puissants aimants. D'autre part, le stator génère des champs magnétique et électrique. Afin de ne pas perturber le champ magnétique de l'aimant du capteur de position, une distance minimale doit être respectée entre eux. La distance minimale imposée entre les éléments du moteur et l'aimant de position, pour éviter les perturbations de champ magnétique, induit une répartition des niasses non homogène le long de l'arbre. La vitesse critique de l'arbre, et donc du compresseur, étant influencé par la rigidité et par la niasse de l'arbre, il est important de rigidifier l'arbre en limitant l'augmentation de sa masse. En effet, plus l'arbre est rigide, plus la vitesse critique est élevée, et plus la masse est élevée, plus la vitesse critique est basse. Ainsi, unc solution qui consisterait à augmenter le diamètre de l'arbre, et qui augmenterait trop sa masse, n'est pas envisageable. [0008] Lc même type de problème se rencontre, même en l'absence d'aimant, dès que la longueur de l'arbre est suffisamment importante pour influencer sa rigidité. 2 [0009] La présente invention a donc pour objet de pallier un ou plusieurs des inconvénients des dispositifs de l'art antérieur en proposant un compresseur électrique configure pour maintenir la distance nécessaire entre les aimants de position et du moteur électrique, tout en préservant la rigidité de l'arbre et en limitant le nombre de pièces nécessaires à ce maintien. [0010] Pour cela la présente invention propose une machine électrique comportant un arbre cntrainé en rotation par un moteur électrique par l'intermédiaire d'au moins un roulement, le rotor du moteur électrique étant maintenu dans un tube anticentrifugation, et comportant un capteur à effet hall, formé par un aimant et un support, disposé entre le roulement et le rotor, la machine comportant un dispositif de rigidification de l'arbre formé par le prolongement du tube anti-centrifugation jusqu'à l'aimant du capteur à effet Hall ou son support. [0011] Selon un mode de réalisation de l'invention, le dispositif de rigidification entoure le rotor et se prolonge jusqu'au jusqu'à l'aimant du capteur à effet Hall ou son support. [0012] Selon un mode de réalisation de l'invention, le dispositif de rigidification est disposé entre un élément arrière du compresseur, disposé à l'opposé du capteur par rapport au moteur électrique, et le capteur à effet hall. [0013] Selon un mode de réalisation de l'invention, l'élément arrière est le disque d'équilibrage. [0014] Selon un mode de réalisation de une première extrémité du dispositif de rigidification est en contact axial avec l'élément arrière. [0015] Selon un mode de réalisation de l'invention, une deuxième extrémité du dispositif de rigidification prend appuie radialement sur le support d'aimant avec un jeu axial. [0016] Selon un mode de réalisation de l'invention, le dispositif de rigidification est un tube. [0017] Selon un mode de réalisation de l'invention, le dispositif de rigidification est en acier inoxydable amagnétique, en carbone ou en titane. [0018] Selon un mode de réalisation de l'invention, le dispositif de rigidification est en fibre de carbone, les fibres étant orientées dans une direction non perpendiculaire aux contraintes de flexion du tube. [0019] Selon un mode de réalisation de l'invention, le moteur est un moteur électrique à re- luctance variable ou à aimants permanents. [0020] D'autres buts, caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris et ap- paraîtront plus clairement à la lecture de la description faite, ci-après, en se référant aux figures annexées, données à titre d'exemple et dans lesquelles: [0021] - [fig.1] est une représentation schématique d'une vue en coupe d'un compresseur intégrant un dispositif selon un mode de réalisation de l'invention, [0022] - [fig.2] est une représentation schématique d'une vue en coupe d'une partie com- presseur intégrant un dispositif selon un mode de réalisation de l'invention, 3 [0023] - [fig.3] est une représentation schématique du dispositif selon l'invention, [0024] - [fig.4] est une représentation schématique du dispositif selon un mode de réalisation de l'invention, [0025] - [fig.5] est une représentation schématique du dispositif selon un autre mode de réa- lisation de l'invention. [0026] La présente invention concerne une machine électrique équipée d'un dispositif de ri- gidification de l'arbre. Selon un mode de réalisation de l'invention, la machine électrique est un compresseur électrique. [0027] Dans le cadre de l'invention, on entend par compresseur électrique, un compresseur d'air, volumétrique ou non et par exemple centrifuge ou radial, entraîné par un moteur électrique, dans le but de suralimenter un moteur thermique ou pile à comhustihle. Selon un mode de réalisation de l'invention, le moteur électrique est un moteur asynchrone à courant continu ou alternatif. [0028] Plus précisément, selon un mode de réalisation de l'invention, le moteur électrique est un moteur à reluctance variable (également appelée machine SRM pour Switched Reluctance Motor selon la terminologie anglaise). Selon un mode de réalisation de l'invention, le moteur électrique est un moteur à aimants permanents. Selon un mode de réalisation de l'invention, le compresseur est un compresseur électrique de suralimentation de moteur thermique ou à pile à comhustihle. [0029] Le compresseur électrique 1, illustré figure 1, comprend un moteur électrique 5, comportant un rotor 51 et un stator 52, disposé dans le corps 4 du compresseur, et au moins un roulement 72, 71 disposé circulairement autour de l'arbre 6. [0030] Dans le cadre de l'invention, le rotor 51 est maintenu dans un tube 2 anti- centrifugation. Plus précisément, ce tube entoure le rotor 51, et permet de maintenir les aimants du rotor 51. [0031] Selon un mode de réalisation de l'invention, le compresseur 1 comporte deux roulements 71, 72 dont au moins un, appelé dans la suite de la description roulement 72 avant, est disposé entre le moteur électrique et une roue 3 de compresseur. Le roulement 71 arrière est disposé à l'opposé du roulement 72 avant par rapport au moteur électrique 5. Selon un mode de réalisation de l'invention, au moins un disque d'équilibrage 73 est disposé entre le roulement arrière 71 et le moteur électrique 5. Le moteur électrique permet la mise en rotation de l'arbre 6 du compresseur électrique via au moins un roulement 72, 71. L'arbre 6 entraine ainsi en rotation la roue 3 du compresseur 1, disposée à une extrémité de l'arbre 6. Plus précisément une extrémité de l'arbre 6 est entrainée en rotation par le moteur électrique, et une autre extrémité de l'arbre 6 entraine en rotation la roue 3 du compresseur. Le compresseur comporte une volute 12 dans laquelle est disposée la roue 3, et permettant le passage de l'air du compresseur 1. [0032] Selon un mode de réalisation de l'invention, le compresseur 1 comporte un ensemble 9 électronique permettant de commander le compresseur 1 électrique. Selon un mode de réalisation de l'invention, au moins une partie de l'ensemble 9 électronique est disposée à l'arrière de la roue 3, entre la roue 3 et le moteur 5 électrique, illustré figure 1. [0033] Selon un mode de réalisation de l'invention, au moins une partie de l'ensemble élec- tronique 9 est disposée à une extrémité de l'arbre 6 opposée à l'extrémité ou est située la roue 3, non illustré. [0034] Le compresseur 1 comprend un capteur à effet Hall 8 comportant une sonde à effet Hall 81 et un aimant 82. Selon un mode de réalisation de l'invention, la sonde à effet Hall 81 est positionnée au niveau de l'ensemble électronique 9. La sonde à effet hall 81 est fixe par rapport au corps 4 du compresseur 1. [0035] Selon un mode de réalisation de l'invention, l'aimant 82 est fixé autour de l'arbre 6, comme illustré figure 1. L'aimant 82 comprend ainsi un orifice central traversé par l'arbre 6. L'aimant 82 est positionné en regard de la sonde à effet Hall 81. L'aimant 82 est un aimant permanent comprenant plusieurs pôles magnétiques. [0036] La rotation de l'aimant 82 entraîne une variation de flux magnétique autour de la sonde à effet Hall 81, laquelle est une image de la position angulaire du rotor 51 du compresseur de suralimentation électrique 1. [0037] Selon un mode de réalisation de l'invention, l'aimant 82 présente une forme cy- lindrique avec une section rectangulaire. Il entoure entièrement l'arbre 6. Selon un mode de réalisation de l'invention, l'aimant 82 est monobloc. Selon un mode de réalisation de l'invention, l'aimant 82 est composé de plusieurs aimants juxtaposés. Selon un mode de réalisation de l'invention, l'aimant a toutes formes compatibles avec le fonctionnement de la machine électrique. [0038] Selon un mode de réalisation de l'invention, l'aimant est disposé dans un support 83, visible figure 2. [0039] Dans le cadre de l'invention, la sonde à effet hall 81 et l'aimant 82 sont disposés entre le roulement 72 avant et le moteur électrique 5, et suffisamment loin du moteur 5 pour ne pas perturber le signal par les champs magnétiques et électriques générés par ledit moteur. Il sont par exemple disposés à au moins 20 mm des bobines du stator 52. Afin de respecter cette distance, la longueur de l'arbre 6 est augmentée, ce qui augmente l'écartement des roulements 71, 72. [0040] La rigidité de l'arbre entre les roulements 71, 72 n'est ainsi pas homogène. Il existe une partie 61 intermédiaire de l'arbre 6, située entre l'aimant 82 et le rotor 51, non emmanchée dans une autre pièce. Il existe une autre partie 62 intermédiaire de l'arbre 6, située au niveau du rotor 51. La rigidité en flexion de la partie 61 est moins importante que celle de la partie 62, du fait du gain de rigidité apporté par le rotor 51 dans lequel la partie 62 est emmanchée. [0041] De plus, la répartition des masses le long de l'arbre 6, entre les roulements 71, 72 n'est pas homogène. La partie 62 est ainsi plus lourde que la partie 61. Cependant, les efforts centrifuges induits par la rotation du moteur sont supportés par les deux parties 61, 62 de l'arbre. La partie 61 est ainsi plus sollicitée que la partie 62. Ceci peut engendrer une flèche importante à haute vitesse visible figure 3, et abaisser le seuil de vitesse critique de l'arbre. [0042] L'invention prévoit donc de renforcer la partie 61 intermédiaire de l'arbre 6 par un dispositif 2 de rigidification. [0043] Selon un mode de réalisation de l'invention, le dispositif 2 de rigidification est formé par le prolongement du tube anti-centrifugation. Plus précisément, le dispositif 2 de rigidification entoure le rotor 51 du moteur électrique 5 et se prolonge jusqu'à l'aimant 82 du capteur à effet Hall 8 ou son support 83. [0044] Selon un mode de réalisation de l'invention, le dispositif 2 de rigidification est disposé entre un élément arrière 73 du compresseur et l'aimant 82 du capteur à effet hall 8 ou son support 83. L'élément arrière est le disque d'équilibrage 73 [0045] Selon une première variante de l'invention, une première extrémité 21 du dispositif 2 de rigidification est en contact 211 axial avec l'élément arrière 73, c'est-à-dire que l'extrémité du tube est en butée sur l'élément arrière et qu'il n'y a pas de jeu entre l'élément arrière et le dispositif 2 de rigidification. Selon un mode de réalisation de l'invention, le contact est direct, c'est-à-dire qu'il n'y a pas de pièce intermédiaire entre l'élément arrière 73 et le dispositif 2 de rigidification. [0046] Une deuxième extrémité 22 du dispositif 2 de rigidification prend appui radialement sur le support 83 d'aimant avec un jeu 221 axial. Plus précisément, la deuxième extrémité 22 du dispositif 2 de rigidification est emmanchée avec interférence et/ou collée sur le support 83 d'aimant. [0047] Cette configuration permet de transmettre des contre-efforts pour résister à la flexion, dans toutes les configurations de tolérances, avec un positionnement axial précis de l'aimant 82 et du rotor 51. [0048] Selon une deuxième variante de l'invention, une première extrémité 21 du dispositif 2 de rigidification est en contact 211 axial avec l'élément arrière 73, c'est-à-dire que l'extrémité du tube est en butée sur l'élément arrière et qu'il n'y a pas de jeu entre l'élément arrière et le dispositif 2 de rigidification. Selon un mode de réalisation de l'invention, le contact est direct, c'est-à-dire qu'il n'y a pas de pièce intermédiaire entre l'élément arrière 73 et le dispositif 2 de rigidification. Une deuxième extrémité 22 du dispositif 2 de rigidification est en contact axial (non illustré) le support 83 d'aimant. Selon un mode de réalisation de l'invention, le contact est direct, c'est-à-dire qu'il n'y a pas de pièce intermédiaire entre le dispositif 2 de rigidification et l'élément arrière 73 6 et/ou le support 83 d'aimant. [0049] Selon une troisième variante de l'invention non illustrée, une première extrémité du dispositif de rigidification prend appui radialement sur l'élément arrière. Une deuxième extrémité du dispositif de rigidification prend appui radialement sur le support d'aimant. Selon un mode de réalisation au moins une extrémité prend appui radialement avec un jeu axial. [0050] L'ensemble des combinaisons position axiale et radiale avec et sous jeu axial est possible dans le cadre de l'invention. [0051] Dans le cadre de l'invention, le dispositif 2 de rigidification est un tube 2. Selon un mode de réalisation de l'invention, le tube 2 est en acier inoxydable amagnétique, en carbone ou en titane afin de ne pas perturber le champ des aimants du rotor 51 ou du capteur 8. Lorsque le tube est en fibre de carbone, celles-ci doivent être orientées croisées, afin de résister à la flexion. En effet pour obtenir une fonction anticentrifugation seule, des fibres orientées tangentiellement, c'est-à-dire simplement enroulées autour du rotor 51, sont suffisante car les contraintes sont uniquement dans cette direction. Pour obtenir une fonction de rigidification, il est nécessaire de résister à des contraintes de flexion se traduisant par de la compression d'un côté du tube et de la traction à l'opposé illustrée figure 3. Il est donc nécessaire d'avoir des fibres orientées dans une direction non perpendiculaire à ces contraintes, comme illustrées par exemple figures 4 et 5. [0052] Un tel dispositif 2 de rigidification, en augmentant le diamètre de l'arbre, augmente sa rigidité en flexion. De plus, un tel dispositif 2 de rigidification est creux. Son diamètre interne est supérieur au diamètre externe de l'arbre 6. Ainsi, une fois assemblé sur l'arbre 6, il existe une poche d'air 23 entre l'arbre6 et le dispositif 2 de rigidification. Ceci présente l'avantage d'augmenter la rigidité de l'ensemble en limitant l'augmentation de la masse par une faible épaisseur du tube. [0053] Selon un mode de réalisation de l'invention, les diamètres interne et externe du dispositif de 2 de rigidification sont déterminés de façon à avoir une vitesse critique maximum, tout en limitant la masse et l'inertie pour limiter l'augmentation du temps de réponse du compresseur. [0054] Le compresseur selon l'invention, est ainsi configuré de façon à protéger l'arbre, réduire ses déformations, et augmenter la vitesse critique du compresseur. [0055] L'invention s'applique également à tous les compresseurs dont l'arbre doit être rigidifié lorsque deux éléments disposés autour de l'arbre sont suffisamment éloignés pour abaisser la rigidité de l'arbre dans des proportions critiques en regard des vitesses de rotation. Le tube 2 est alors disposé entre ces deux éléments. [0056] L'invention concerne également l'utilisation d'un tel compresseur de suralimentation électrique dans un véhicule automobile. L'invention concerne également un com- 7 presseur électrique équipé d'un moteur à reluctance variable ou à aimant permanent selon l'invention. [0057] La portée de la présente invention ne se limite pas aux détails donnés ci-dessus et permet des modes de réalisation sous de nombreuses autres formes spécifiques sans s'éloigner du domaine d'application de l'invention. Par conséquent, les présents modes de réalisation doivent être considérés à titre d'illustration, et peuvent être modifiés sans toutefois sortir de la portée définie par les revendications. 8