Brevet FR3101737A1 — publié le 20210409

L’invention concerne un système d’entraînement comportant : - un onduleur (6) comportant N bras, chaque bras comprenant un demi-bras supérieur et un demi-bras inférieur comportant chacun au moins un module de commutation ; - une machine tournante (8) connectée à l’onduleur, dont le rotor comprend au moins un élément magnétique réalisé dans un matériau à aimantation modulable ; et - un dispositif de commande (12) configuré pour, au cours d’une étape de magnétisation, commander l’onduleur pour, simultanément : • pour chacun parmi m bras, placer chaque module de commutation du demi-bras supérieur dans l’état passant, et chaque module de commutation du demi-bras inférieur dans l’état bloqué ; • pour chacun parmi k autres bras, placer chaque module de commutation du demi-bras supérieur dans l’état bloqué, et chaque module de commutation du demi-bras inférieur dans l’état passant ; et • pour chacun des bras restants, placer chaque module de commutation dans l’état bloqué. Figure pour l’abrégé : Figure 1 Système d’entraînement d’un dispositif de compression de fluide et procédé d’alimentation électrique associé La présente invention concerne un système d’entraînement comportant un onduleur, une machine tournante électrique et un dispositif de commande, l’onduleur comportant une première entrée, une deuxième entrée, N bras connectés en parallèle entre la première entrée et la deuxième entrée, N étant un entier naturel supérieur ou égal à 2, chaque bras comprenant un demi-bras supérieur et un demi-bras inférieur en série, le demi-bras supérieur étant connecté à la première entrée, le demi-bras inférieur étant connecté à la deuxième entrée, le demi-bras supérieur et le demi-bras inférieur de chaque bras étant reliés entre eux en une sortie correspondante de l’onduleur, chaque demi-bras supérieur et chaque demi-bras inférieur comprenant au moins un module de commutation propre à commuter entre un état passant et un état bloqué, chacune de la première entrée et de la deuxième entrée étant destinée à être connectée à une borne respective d’une source de courant continu, chaque sortie étant associée à une phase électrique respective, la machine tournante comprenant un stator et un rotor mobile en rotation, relativement au stator, autour d’un axe de rotation, le stator comprenant N enroulements, chaque enroulement comportant une entrée et une sortie, l’entrée de chaque enroulement étant connectée à une sortie correspondante de l’onduleur, les sorties des enroulements du stator étant connectées en un point commun. L’invention concerne également un procédé d’alimentation mis en œuvre par un tel système, ainsi qu’un ensemble de compression comprenant un tel système. L’invention s’applique au domaine des machines tournantes électriques, en particulier pour une application aux turbomachines, en particulier à un compresseur ou turbocompresseur pour une application embarquée à bord d’un véhicule. Un procédé classique de fabrication d’une machine tournante comprend la fixation, sur un corps de rotor, d’aimants permanents déjà magnétisés, le rotor étant ensuite disposé dans une cavité d’un stator correspondant. Toutefois, un tel procédé présente de nombreux inconvénients. En particulier, lors de l’étape d’assemblage du rotor avec le stator, le rotor (qui comprend les aimants permanents déjà magnétisés) génère des forces magnétiques susceptibles d’entraîner des difficultés d’assemblage avec le stator, ainsi qu’un risque accru de chocs rotor/stator menant à un endommagement. Pour surmonter de tels désagréments, il a été proposé de réaliser une machine tournante électrique en agençant, dans une cavité d’un stator, un rotor comprenant des éléments (dits « éléments magnétiques ») réalisés dans un matériau magnétique non magnétisé. En l’absence d’aimantation, le processus d’assemblage de la machine électrique est simplifié. Une fois ce montage réalisé, un champ magnétique est généré dans la cavité, au moyen d’enroulements dédiés montés dans le stator, pour magnétiser les éléments magnétiques du rotor. Néanmoins, un tel procédé de fabrication ne donne pas entière satisfaction. En effet, un tel procédé de fabrication requiert une structure dédiée à l’aimantation des éléments magnétiques du rotor, ce qui a un impact négatif sur l’encombrement et le coût de fabrication de la machine tournante. En outre, la machine tournante obtenue par un tel procédé de fabrication n’est pas optimale dans le cadre d’une utilisation pour l’entraînement d’une turbomachine, en particulier d’un turbocompresseur pour véhicule. En effet, dans une telle application embarquée, la machine tournante n’est utilisée que de façon ponctuelle. Dans ce cas, lorsqu’elle n’est pas alimentée, la machine tournante génère un couple résistant à la rotation, ce qui entraîne des pertes à vide. Un but de l’invention est donc de proposer un système d’entraînement qui soit plus simple et plus économique à réaliser, tout en générant moins de pertes lorsque la machine tournante qu’il comporte n’est pas sollicitée. A cet effet, l’invention a pour objet un système d’entraînement du type précité, dans lequel le rotor comprend au moins un élément magnétique réalisé dans un matériau à aimantation modulable, le dispositif de commande étant configuré pour, au cours d’une étape de magnétisation de chaque élément magnétique du rotor, commander l’onduleur de façon à, simultanément, pendant un intervalle temporel de magnétisation prédéterminé : - pour chacun parmi m bras de l’onduleur, formant chacun un bras d’injection de courant, m étant un entier naturel compris entre 1 et N-1, commander chaque module de commutation du demi-bras supérieur correspondant pour qu’il se trouve dans l’état passant, et commander chaque module de commutation du demi-bras inférieur correspondant pour qu’il se trouve dans l’état bloqué ; - pour chacun parmi k bras de l’onduleur, pris au sein des N-m autres bras de l’onduleur, et formant chacun un bras de sortie de courant, commander chaque module de commutation du demi-bras supérieur correspondant pour qu’il se trouve dans l’état bloqué, et commander chaque module de commutation du demi-bras inférieur correspondant pour qu’il se trouve dans l’état passant ; et - pour chacun des N-m-k autres bras, commander chaque module de commutation correspondant pour qu’il se trouve dans l’état bloqué. En effet, dans un tel système d’entraînement, lors de l’étape de magnétisation, l’onduleur est commandé de sorte que le champ magnétique destiné à aimanter les éléments magnétiques soit généré par les enroulements du stator qui sont usuellement utilisés pour mettre le rotor en mouvement. La magnétisation des éléments magnétiques est donc rendue possible sans structure dédiée additionnelle, ce qui confère un avantage en poids et en coût de fabrication par rapport aux systèmes de l’état de la technique. En outre, aucune connexion n’est requise entre l’onduleur et le point neutre de la machine tournante. Ceci est avantageux, dans la mesure où ledit point neutre est susceptible d’être inaccessible. En outre, un tel système d’entraînement confère la faculté de modifier l’amplitude et/ou la direction de l’aimantation des éléments magnétiques du rotor en fonction des conditions opérationnelles. Plus précisément, dans le système d’entraînement selon l’invention, la direction et l’amplitude du champ magnétique généré par le stator dépendent du choix des sorties de magnétisation de l’onduleur. Or, un tel champ magnétique statorique a une influence sur l’aimantation des éléments magnétiques du rotor. En particulier, lorsque le fonctionnement de la machine tournante électrique n’est plus requis pour entraîner le dispositif de compression de fluide, le système d’entraînement selon l’invention autorise avantageusement, grâce à un choix judicieux des sorties de magnétisation, l’application aux éléments magnétiques d’un champ magnétique ayant pour effet de modifier, notamment réduire sensiblement, voire d’annuler, l’aimantation desdits éléments magnétiques. De tels éléments magnétiques sont ainsi dits « à aimantation modulable ». Il en résulte que la machine tournante, qui est mécaniquement couplée au dispositif de compression de fluide et est entraînée par celui-ci même lorsqu’elle n’est pas électriquement sollicitée, génère une force de freinage bien moindre qu’avec un système d’entraînement de l’état de la technique dépourvu d’onduleur configuré pour modifier l’aimantation des éléments magnétiques en fonction des conditions opérationnelles. L’aimantation modulable est pertinente sur un turbocompresseur électrifié, dont le fonctionnement et les appels de puissance électriques en modes moteur et générateur sont transitoires (mode de fonctionnement impulsionnel). Le rotor rendu magnétiquement inerte lorsque le fonctionnement de la machine électrique tournante n’est plus requis limite donc les pertes du système d’entraînement lorsque ce dernier n’est pas utilisé, par rapport à un système d’entraînement classique. Suivant d’autres aspects avantageux de l’invention, le système d’entraînement comporte une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prise(s) isolément ou suivant toutes les combinaisons techniquement possibles : - le dispositif de commande comporte un organe de détection d’un champ magnétique généré par le rotor, le dispositif de commande étant, en outre, configuré pour, au cours de l’étape de magnétisation : • détecter le champ magnétique généré par le rotor ; • choisir chacun des m bras d’injection de courant et des k bras de sortie de courant en fonction du champ magnétique détecté ; - le système d’entraînement comprend, en outre, un premier organe de commutation, un deuxième organe de commutation et une charge, le premier organe de commutation étant connecté en série entre chaque bras et la deuxième entrée de l’onduleur, le deuxième organe de commutation et la charge étant reliés en série, et connectés en parallèle du premier organe de commutation, le dispositif de commande étant configuré pour, au cours de l’étape de magnétisation, commander le premier organe de commutation pour qu’il se trouve dans un état bloqué, et commander le deuxième organe de commutation pour qu’il se trouve dans un état passant ; - le dispositif de commande est, en outre, configuré pour mettre en œuvre une étape d’excitation de la machine tournante, postérieure à l’étape de magnétisation, le dispositif de commande étant configuré pour, lors de l’étape d’excitation, commander l’onduleur selon une loi de commande d’onduleur prédéterminée pour connecter, successivement au cours du temps, chaque sortie de l’onduleur à la première entrée et/ou la deuxième entrée de l’onduleur afin d’entraîner le rotor en rotation autour d’un axe de rotation correspondant ; - la durée de l’intervalle temporel de magnétisation dépend du matériau à aimantation modulable et/ou des m bras d’injection de courant et des k bras de sortie de courant ; - la durée de l’intervalle temporel de magnétisation dépend, en outre, d’une impédance de la charge. En outre, l’invention a pour objet un procédé d’alimentation d’une machine tournante électrique au moyen d’un onduleur, l’onduleur comportant une première entrée, une deuxième entrée, N bras connectés en parallèle entre la première entrée et la deuxième entrée, N étant un entier naturel supérieur ou égal à 2, chaque bras comprenant un demi-bras supérieur et un demi-bras inférieur en série, le demi-bras supérieur étant connecté à la première entrée, le demi-bras inférieur étant connecté à la deuxième entrée, le demi- bras supérieur et le demi-bras inférieur de chaque bras étant reliés entre eux en une sortie correspondante de l’onduleur, chacun du demi-bras supérieur et du demi-bras inférieur comprenant au moins un module de commutation propre à commuter entre un état passant et un état bloqué, chacune de la première entrée et de la deuxième entrée étant destinée à être connectée à une borne respective d’une source de courant continu, chaque sortie étant associée à une phase électrique respective, la machine tournante comprenant un stator et un rotor mobile en rotation, relativement au stator, autour d’un axe de rotation, le stator comprenant N enroulements, chaque enroulement comportant une entrée et une sortie, l’entrée de chaque enroulement étant connectée à une sortie correspondante de l’onduleur, les sorties des enroulements du stator étant connectées en un point commun, le rotor comprend au moins un élément magnétique réalisé dans un matériau à aimantation modulable, le procédé d’alimentation comprenant une étape de magnétisation de chaque élément magnétique du rotor comportant : - la connexion de chacune de la première entrée et de la deuxième entrée à une borne respective d’une source de courant continu ; et - simultanément, pendant un intervalle temporel de magnétisation prédéterminé : • pour chacun parmi m bras de l’onduleur, formant chacun un bras d’injection de courant, m étant un entier naturel compris entre 1 et N-1, la commande de chaque module de commutation du demi-bras supérieur correspondant pour qu’il se trouve dans l’état passant, et la commande de chaque module de commutation du demi-bras inférieur correspondant pour qu’il se trouve dans l’état bloqué ; • pour chacun parmi k bras, pris au sein des N-m autres bras de l’onduleur, et formant chacun un bras de sortie de courant, la commande de chaque module de commutation du demi-bras supérieur correspondant pour qu’il se trouve dans un état bloqué, et la commande de chaque module de commutation du demi-bras inférieur correspondant pour qu’il se trouve dans un état passant ; et • pour chacun des N-m-k autres bras, la commande de chaque module de commutation correspondant pour qu’il se trouve dans l’état bloqué, de façon à injecter simultanément, dans chaque enroulement, un courant électrique pour générer, dans la cavité du stator, un champ magnétique non nul destiné à magnétiser chaque élément magnétique. Suivant d’autres aspects avantageux de l’invention, le procédé d’alimentation comporte la ou les caractéristique(s) suivante(s), prise(s) isolément ou en combinaison : - le procédé d’alimentation comporte, en outre, lors de l’étape de magnétisation : • la détection d’un champ magnétique généré par le rotor ; et • le choix de chacun des m bras d’injection de courant et des k bras de sortie de courant en fonction du champ magnétique détecté ; - le procédé d’alimentation comporte, en outre, une étape d’excitation de la machine tournante ultérieure à l’étape de magnétisation, et comprenant la commande de l’onduleur selon une loi de commande d’onduleur prédéterminée pour connecter, successivement au cours du temps, chaque sortie de l’onduleur à la première entrée et/ou la deuxième entrée de l’onduleur, de façon à injecter du courant électrique dans les enroulements du stator pour générer, dans la cavité du stator, un champ magnétique tournant destiné à entraîner le rotor en rotation autour de l’axe de rotation. En outre, l’invention a pour objet un ensemble de compression comprenant un dispositif de compression de fluide et un système d’entraînement tel que défini ci-dessus, le dispositif de compression de fluide étant couplé au stator de la machine tournante du système d’entraînement pour son entraînement. Suivant un aspect avantageux de l’invention, le système d’entraînement comporte la caractéristique : le dispositif de compression de fluide est un turbocompresseur associant une turbine et un compresseur, notamment pour un moteur à combustion interne, ou une microturbine. L’invention sera mieux comprise à l’aide de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d’exemple non limitatif et faite en se référant aux dessins annexés sur lesquels : la figure 1 est une représentation schématique d’un ensemble comprenant un système d’entraînement selon l’invention, associé à une source de courant continu ; la figure 2 est une vue schématique en section d’une machine tournante du système d’entraînement de la figure 1, selon un plan transversal de la machine tournante selon un mode de réalisation de l’invention ; la figure 3 est un schéma illustrant le circuit électrique de l’ensemble de la figure 1, pendant une étape de magnétisation durant laquelle du courant électrique est injecté dans un seul enroulement d’un stator de la machine tournante de la figure 2 ; la figure 4 est une vue schématique en section du stator de la machine tournante de la figure 2, selon un plan transversal de la machine tournante, pendant l’étape de magnétisation de la figure 3 ; et la figure 5 est similaire à la figure 4, un champ magnétique total régnant dans une cavité du stator étant représenté. Système d’entraînement (2) comportant un onduleur (6), une machine tournante (8) électrique et un dispositif de commande (12), l’onduleur (6) comportant une première entrée (14), une deuxième entrée (16), N bras connectés en parallèle entre la première entrée (14) et la deuxième entrée (16), N étant un entier naturel supérieur ou égal à 2, chaque bras (18) comprenant un demi-bras supérieur (20) et un demi-bras inférieur (21) en série, le demi-bras supérieur (20) étant connecté à la première entrée (14), le demi-bras inférieur (21) étant connecté à la deuxième entrée (16), le demi-bras supérieur (20) et le demi-bras inférieur (21) de chaque bras (18) étant reliés entre eux en une sortie (22) correspondante de l’onduleur (6), chaque demi-bras supérieur (20) et chaque demi-bras inférieur (21) comprenant au moins un module de commutation (26) propre à commuter entre un état passant et un état bloqué, chacune de la première entrée (14) et de la deuxième entrée (16) étant destinée à être connectée à une borne respective d’une source (4) de courant continu, chaque sortie (22) étant associée à une phase électrique respective, la machine tournante (8) comprenant un stator (30) et un rotor (32) mobile en rotation, relativement au stator (30), autour d’un axe de rotation (X-X), le stator (30) comprenant N enroulements (38), chaque enroulement (38) comportant une entrée (40) et une sortie (42), l’entrée (40) de chaque enroulement (38) étant connectée à une sortie (22) correspondante de l’onduleur (6), les sorties (42) des enroulements (38) du stator (30) étant connectées en un point commun (44), le système d’entraînement (2) étant caractérisé en ce que le rotor (32) comprend au moins un élément magnétique (48) réalisé dans un matériau à aimantation modulable, le dispositif de commande (12) étant configuré pour, au cours d’une étape de magnétisation de chaque élément magnétique (48) du rotor (32), commander l’onduleur (6) de façon à, simultanément, pendant un intervalle temporel de magnétisation prédéterminé : - pour chacun parmi m bras (18) de l’onduleur (6), formant chacun un bras d’injection de courant, m étant un entier naturel compris entre 1 et N-1, commander chaque module de commutation du demi-bras supérieur correspondant pour qu’il se trouve dans l’état passant, et commander chaque module de commutation du demi-bras inférieur correspondant pour qu’il se trouve dans l’état bloqué ; - pour chacun parmi k bras (18) de l’onduleur (6), pris au sein des N-m autres bras (18) de l’onduleur, et formant chacun un bras de sortie de courant, commander chaque module de commutation du demi-bras supérieur (20) correspondant pour qu’il se trouve dans l’état bloqué, et commander chaque module de commutation du demi-bras inférieur (21) correspondant pour qu’il se trouve dans l’état passant ; et - pour chacun des N-m-k autres bras (18), commander chaque module de commutation (26) correspondant pour qu’il se trouve dans l’état bloqué. Système d’entraînement (2) selon la revendication 1, dans lequel le dispositif de commande (12) comporte un organe de détection d’un champ magnétique généré par le rotor (32), le dispositif de commande (12) étant, en outre, configuré pour, au cours de l’étape de magnétisation : - détecter le champ magnétique généré par le rotor (32) ; - choisir chacun des m bras d’injection de courant et des k bras de sortie de courant en fonction du champ magnétique détecté. Système d’entraînement (2) selon la revendication 1 ou 2, comprenant, en outre, un premier organe de commutation (50), un deuxième organe de commutation (52) et une charge (54), le premier organe de commutation (50) étant connecté en série entre chaque bras (18) et la deuxième entrée (16) de l’onduleur (6), le deuxième organe de commutation (52) et la charge (54) étant reliés en série, et connectés en parallèle du premier organe de commutation, le dispositif de commande (12) étant configuré pour, au cours de l’étape de magnétisation, commander le premier organe de commutation (50) pour qu’il se trouve dans un état bloqué, et commander le deuxième organe de commutation (52) pour qu’il se trouve dans un état passant. Système d’entraînement (2) selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel le dispositif de commande (12) est, en outre, configuré pour mettre en œuvre une étape d’excitation de la machine tournante, postérieure à l’étape de magnétisation, le dispositif de commande (12) étant configuré pour, lors de l’étape d’excitation, commander l’onduleur (6) selon une loi de commande d’onduleur prédéterminée pour connecter, successivement au cours du temps, chaque sortie (22) de l’onduleur (6) à la première entrée (14) et/ou la deuxième entrée (16) de l’onduleur (6) afin d’entraîner le rotor (32) en rotation autour d’un axe de rotation (X-X) correspondant. Système d’entraînement (2) selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel la durée de l’intervalle temporel de magnétisation dépend du matériau à aimantation modulable et/ou des m bras d’injection de courant et des k bras de sortie de courant. Système d’entraînement (2) selon la revendication 5 lorsqu’elle dépend de la revendication 3, dans lequel la durée de l’intervalle temporel de magnétisation dépend, en outre, d’une impédance de la charge (52). Procédé d’alimentation d’une machine tournante (8) électrique au moyen d’un onduleur (6), l’onduleur (6) comportant une première entrée (14), une deuxième entrée (16), N bras connectés en parallèle entre la première entrée (14) et la deuxième entrée (16), N étant un entier naturel supérieur ou égal à 2, chaque bras (18) comprenant un demi-bras supérieur et un demi-bras inférieur en série, le demi-bras supérieur étant connecté à la première entrée (14), le demi-bras inférieur étant connecté à la deuxième entrée (16), le demi- bras supérieur et le demi-bras inférieur de chaque bras étant reliés entre eux en une sortie (22) correspondante de l’onduleur (6), chacun du demi-bras supérieur et du demi-bras inférieur comprenant au moins un module de commutation propre à commuter entre un état passant et un état bloqué, chacune de la première entrée (14) et de la deuxième entrée (16) étant destinée à être connectée à une borne respective d’une source (4) de courant continu, chaque sortie (22) étant associée à une phase électrique respective, la machine tournante (8) comprenant un stator (30) et un rotor (32) mobile en rotation, relativement au stator (30), autour d’un axe de rotation (X-X), le stator (30) comprenant N enroulements (38), chaque enroulement (38) comportant une entrée (40) et une sortie (42), l’entrée (40) de chaque enroulement (38) étant connectée à une sortie (22) correspondante de l’onduleur (6), les sorties (42) des enroulements (38) du stator (30) étant connectées en un point commun (44), le rotor (32) comprend au moins un élément magnétique (48) réalisé dans un matériau à aimantation modulable, le procédé d’alimentation comprenant une étape de magnétisation de chaque élément magnétique (48) du rotor (32) comportant : - la connexion de chacune de la première entrée (14) et de la deuxième entrée (16) à une borne respective d’une source (4) de courant continu ; et - simultanément, pendant un intervalle temporel de magnétisation prédéterminé : • pour chacun parmi m bras (18) de l’onduleur (6), formant chacun un bras d’injection de courant, m étant un entier naturel compris entre 1 et N-1, la commande de chaque module de commutation du demi-bras supérieur correspondant pour qu’il se trouve dans l’état passant, et la commande de chaque module de commutation du demi-bras inférieur correspondant pour qu’il se trouve dans l’état bloqué ; • pour chacun parmi k bras (18), pris au sein des N-m autres bras de l’onduleur (6), et formant chacun un bras de sortie de courant, la commande de chaque module de commutation du demi-bras supérieur correspondant pour qu’il se trouve dans un état bloqué, et la commande de chaque module de commutation du demi-bras inférieur correspondant pour qu’il se trouve dans un état passant ; et • pour chacun des N-m-k autres bras (18), la commande de chaque module de commutation (26) correspondant pour qu’il se trouve dans l’état bloqué, de façon à injecter simultanément, dans chaque enroulement (38), un courant électrique pour générer, dans la cavité (34) du stator (30), un champ magnétique non nul destiné à magnétiser chaque élément magnétique (48). Procédé d’alimentation selon la revendication 7, comportant, en outre, lors de l’étape de magnétisation : - la détection d’un champ magnétique généré par le rotor (32) ; et - le choix de chacun des m bras d’injection de courant et des k bras de sortie de courant en fonction du champ magnétique détecté. Procédé d’alimentation selon la revendication 7 ou 8, comportant, en outre, une étape d’excitation de la machine tournante ultérieure à l’étape de magnétisation, et comprenant la commande de l’onduleur (6) selon une loi de commande d’onduleur prédéterminée pour connecter, successivement au cours du temps, chaque sortie (22) de l’onduleur (6) à la première entrée (14) et/ou la deuxième entrée (16) de l’onduleur (6), de façon à injecter du courant électrique dans les enroulements (38) du stator (30) pour générer, dans la cavité (34) du stator (30), un champ magnétique tournant destiné à entraîner le rotor (32) en rotation autour de l’axe de rotation (X-X). Ensemble de compression comprenant un dispositif de compression de fluide et un système d’entraînement selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, le dispositif de compression de fluide étant couplé au stator de la machine tournante (8) du système d’entraînement (2) pour son entraînement. Ensemble de compression selon la revendication 10, dans lequel ledit dispositif de compression de fluide est un turbocompresseur associant une turbine et un compresseur, notamment pour un moteur à combustion interne, ou une microturbine.