Brevet FR3101738A1 — publié le 20210409

L’invention concerne un système d’entraînement (2) comportant : - un onduleur (6) comprenant une première entrée (14), une deuxième entrée (16) et N sorties (18) ; - une machine tournante (8) comportant un stator dont les enroulements sont reliés en sortie en un point commun (44), et un rotor (32) comprenant au moins un élément magnétique (48) réalisé dans un matériau à aimantation modulable ; - un organe de commutation de sortie (10) connecté entre le point commun (44) et la deuxième entrée (16) ; et - un dispositif de commande (12) configuré pour, simultanément, au cours d’une étape de magnétisation : • commander l’organe de commutation de sortie (10) pour qu’il se trouve dans un état passant pendant un intervalle temporel de magnétisation prédéterminé ; et • commander l’onduleur (6) pour, pendant l’intervalle temporel de magnétisation, connecter la première entrée (14) à au moins une et au plus N-1 sortie(s) (18). 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 et N sorties, 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, N étant un entier naturel supérieur ou égal à deux, 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, et 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. Il existe donc une nécessité de pouvoir moduler la valeur du flux des éléments magnétiques, et notamment réduire, voire annuler le flux, dans les phases pendant lesquelles la machine n’est pas alimentée. 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, et comportant, en outre, un organe de commutation de sortie connecté entre le point commun et la deuxième entrée de l’onduleur, le rotor comprenant au moins un élément magnétique réalisé dans un matériau à aimantation modulable, le dispositif de commande étant configuré pour, simultanément, au cours d’une étape de magnétisation de chaque élément magnétique du rotor : - commander l’organe de commutation de sortie pour qu’il se trouve dans un état passant pendant un intervalle temporel de magnétisation prédéterminé ; et - commander l’onduleur pour, pendant l’intervalle temporel de magnétisation, connecter la première entrée de l’onduleur à au moins une et au plus N-1 sortie(s) de l’onduleur, formant chacune une sortie de magnétisation, et déconnecter la deuxième entrée de l’onduleur de chaque sortie de magnétisation. 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, 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 de l’état de la technique. 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 système d’entraînement comprend, en outre, une charge connectée en série entre l’organe de commutation de sortie et la deuxième entrée de l’onduleur ; - la durée de l’intervalle temporel de magnétisation dépend du matériau à aimantation modulable et/ou du nombre de sorties de magnétisation ; - la durée de l’intervalle temporel de magnétisation dépend, en outre, de l’impédance de la charge ; - le dispositif de commande est, en outre, configuré pour, lors de l’étape de magnétisation : • détecter un champ magnétique généré par le rotor ; • choisir chaque sortie de magnétisation en fonction du champ magnétique détecté ; - le dispositif de commande est, en outre, configuré pour mettre en œuvre l’étape de magnétisation préalablement à une étape d’excitation de la machine tournante, le dispositif de commande étant configuré pour, lors de l’étape d’excitation, simultanément : • commander l’organe de commutation de sortie pour qu’il se trouve dans un état bloqué ; et • 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. 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 et N sorties, chaque sortie étant associée à une phase électrique respective, N étant un entier naturel supérieur ou égal à deux, la machine tournante comprenant un stator et un rotor agencé dans une cavité du stator et 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 étant connectées en un point commun, le rotor comprenant au moins un élément magnétique réalisé dans un matériau à aimantation modulable, un organe de commutation de sortie étant connecté entre le point commun et la deuxième entrée de l’onduleur, 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 ; - la commande de l’organe de commutation de sortie pour qu’il se trouve dans un état passant pendant un intervalle temporel de magnétisation prédéterminé ; et - la commande de l’onduleur pour, pendant l’intervalle temporel de magnétisation, connecter la première entrée de l’onduleur à au moins une et au plus N-1 sortie(s) de l’onduleur, formant chacune une sortie de magnétisation, et déconnecter la deuxième entrée de l’onduleur de chaque sortie de magnétisation, de façon à injecter simultanément, dans chaque enroulement connecté à une sortie de magnétisation respective, un courant électrique pour générer, dans la cavité du stator, un champ magnétique destiné à magnétiser chaque un élément magnétique. Suivant un autre aspect avantageux de l’invention, le procédé d’alimentation comporte une 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 chaque sortie de magnétisation 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 simultanément : • la commande de l’organe de commutation de sortie pour qu’il se trouve dans un état bloqué ; et • 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 autre aspect avantageux de l’invention, l’ensemble de compression comporte la caractéristique suivante : 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 ; la figure 5 est similaire à la figure 3, du courant électrique étant injecté dans deux enroulements du stator ; la figure 6 est similaire à la figure 4, le stator étant illustré pendant l’étape de magnétisation de la figure 5. 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) et N sorties (18), 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 (18) étant associée à une phase électrique respective, N étant un entier naturel supérieur ou égal à deux, 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 (18) 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 qu’il comporte, en outre, un organe de commutation de sortie (10) connecté entre le point commun (44) et la deuxième entrée (16) de l’onduleur (6), le rotor (32) comprenant au moins un élément magnétique (48) réalisé dans un matériau à aimantation modulable, le dispositif de commande (12) étant configuré pour, simultanément, au cours d’une étape de magnétisation de chaque élément magnétique (48) du rotor (32) : - commander l’organe de commutation de sortie (10) pour qu’il se trouve dans un état passant pendant un intervalle temporel de magnétisation prédéterminé ; et - commander l’onduleur (6) pour, pendant l’intervalle temporel de magnétisation, connecter la première entrée (14) de l’onduleur (6) à au moins une et au plus N-1 sortie(s) (18) de l’onduleur (6), formant chacune une sortie de magnétisation, et déconnecter la deuxième entrée (16) de l’onduleur de chaque sortie de magnétisation (18). Système d’entraînement (2) selon la revendication 1, comprenant, en outre, une charge (52) connectée en série entre l’organe de commutation de sortie (10) et la deuxième entrée (16) de l’onduleur (6). Système d’entraînement (2) selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la durée de l’intervalle temporel de magnétisation dépend du matériau à aimantation modulable et/ou du nombre de sorties (18) de magnétisation. Système d’entraînement (2) selon la revendication 3 lorsqu’elle dépend de la revendication 2, dans lequel la durée de l’intervalle temporel de magnétisation dépend, en outre, de l’impédance de la charge (52). Système d’entraînement (2) selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel le dispositif de commande (12) est, en outre, configuré pour, lors de l’étape de magnétisation : - détecter un champ magnétique généré par le rotor (32) ; - choisir chaque sortie de magnétisation en fonction du champ magnétique détecté. Système d’entraînement (2) selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel le dispositif de commande (12) est, en outre, configuré pour mettre en œuvre l’étape de magnétisation préalablement à une étape d’excitation de la machine tournante, le dispositif de commande (12) étant configuré pour, lors de l’étape d’excitation, simultanément : - commander l’organe de commutation de sortie (10) pour qu’il se trouve dans un état bloqué ; et - commander l’onduleur (6) selon une loi de commande d’onduleur prédéterminée pour connecter, successivement au cours du temps, chaque sortie (18) de l’onduleur (6) à la première entrée (14) et/ou la deuxième entrée (16) de l’onduleur (6). 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) et N sorties (18), chaque sortie (18) étant associée à une phase électrique respective, N étant un entier naturel supérieur ou égal à deux, la machine tournante (8) comprenant un stator (30) et un rotor (32) agencé dans une cavité (34) du stator (30) et 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 (18) correspondante de l’onduleur (6), les sorties (42) des enroulements (38) étant connectées en un point commun (44), le rotor (32) comprenant au moins un élément magnétique (48) réalisé dans un matériau à aimantation modulable, un organe de commutation de sortie (10) étant connecté entre le point commun (44) et la deuxième entrée (16) de l’onduleur (6), 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 ; - la commande de l’organe de commutation de sortie (10) pour qu’il se trouve dans un état passant pendant un intervalle temporel de magnétisation prédéterminé ; et - la commande de l’onduleur (6) pour, pendant l’intervalle temporel de magnétisation, connecter la première entrée (14) de l’onduleur à au moins une et au plus N-1 sortie(s) (18) de l’onduleur (6), formant chacune une sortie de magnétisation, et déconnecter la deuxième entrée (16) de l’onduleur (6) de chaque sortie de magnétisation, de façon à injecter simultanément, dans chaque enroulement (38) connecté à une sortie de magnétisation respective, un courant électrique pour générer, dans la cavité (34) du stator (30), un champ magnétique destiné à magnétiser chaque un 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 chaque sortie de magnétisation 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 simultanément : - la commande de l’organe de commutation de sortie (10) pour qu’il se trouve dans un état bloqué ; et - la commande de l’onduleur (6) selon une loi de commande d’onduleur prédéterminée pour connecter, successivement au cours du temps, chaque sortie (18) 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.