Brevet FR3109679A1 — publié le 20211029

Machine électrique (2) de propulsion d’un véhicule, comprenant : - un rotor (6) mobile en rotation autour d’un axe (X), et - un stator (7), le rotor (6) présentant une vitesse de rotation maximale et un nombre de paires de pôles choisis de manière à ce que le rapport entre cette vitesse en tr/min et ce nombre de paires de pôles soit supérieur à 5000. Figure d’abrégé: Fig 1 Machine électrique La présente invention concerne une machine électrique tournante pour véhicule. La machine électrique est par exemple un alternateur ou un alterno-démarreur ou un moteur électrique, alimenté par une tension nominale de 12V ou de 48V, voire plus. Cette machine électrique peut être intégrée à un véhicule à propulsion hybride ou purement électrique, par exemple une automobile. Il existe un besoin pour améliorer encore les propriétés de ces machines électriques, notamment en termes de performance ou d’encombrement. L’invention vise à répondre à ce besoin et elle y parvient, selon l’un de ses aspects, à l’aide d’une machine électrique de propulsion d’un véhicule, comprenant : - un rotor mobile en rotation autour d’un axe, et - un stator, le rotor présentant une vitesse de rotation maximale et un nombre de paires de pôles choisis de manière à ce que le rapport entre cette vitesse en tr/min et ce nombre de paires de pôles soit supérieur à 5000. L’invention consiste ainsi à réaliser des machines électriques dont la vitesse maximale est très élevée, ce qui permet, pour un encombrement constant par rapport à l’art antérieur, d’augmenter la puissance mécanique disponible pour entraîner en tout ou partie le véhicule. A même puissance que selon l’art antérieur, on peut réduire les dimensions de la machine électrique du fait de cette vitesse maximale plus élevée, ce qui permet des gains en place et en poids, et donc en consommation du véhicule. Par ailleurs, un faible nombre de paires de pôles au rotor de la machine a un effet positif sur le comportement thermique de la machine électrique. Selon l’invention, le fait d’associer à cette vitesse maximale très élevée un nombre de paires de pôles plus faible au rotor de la machine électrique permet que la fréquence du courant circulant dans l’enroulement électrique du stator de cette machine soit du même ordre que lorsque la machine électrique a une vitesse maximale plus réduite et un rotor avec un nombre de paires de pôles plus important. Ainsi, une machine électrique selon un exemple de mise en œuvre de l’invention avec une vitesse maximale de 40 000 tr/min et un rotor à 4 paires de pôles présente une fréquence électrique de l’ordre de 17 kHz dans son enroulement électrique de stator alors qu’une machine électrique selon l’art antérieur avec une vitesse maximale de 18 000 tr/min et un rotor à 8 paires de pôle présente une fréquence électrique de l’ordre de 15 kHz dans son enroulement électrique de stator. On peut ainsi, pour alimenter électriquement une machine électrique selon l’invention depuis une unité de stockage d’énergie embarquée sur le véhicule, associer cette machine électrique à un convertisseur de tension utilisé avec une machine selon l’art antérieur de vitesse maximale plus faible et à rotor de nombre de paires de pôles plus élevé. Similairement, les lois de commande utilisées avec une machine électrique selon l’art antérieur peuvent aussi être utilisées en association avec la machine électrique selon l’invention. En combinaison ou non avec ce qui précède, on peut associer la machine électrique selon l’invention à des capteurs de position du rotor, tels que des capteurs à effet Hall, déjà utilisés avec des machines électriques selon l’art antérieur. Le convertisseur et/ou les lois de commande et/ou les capteurs de position du rotor déjà utilisés avec des machines électriques selon l’art antérieur peuvent ainsi être réutilisés avec la machine électrique selon l’invention. La machine électrique selon l’invention présente par exemple : - une vitesse maximale de 30 000 tr/min et un nombre de paires de pôles au rotor de 3, ou - une vitesse maximale de 30 000 tr/min et un nombre de paires de pôles au rotor de 4, ou - une vitesse maximale de 30 000 tr/min et un nombre de paires de pôles au rotor de 5, ou - une vitesse maximale de 30 000 tr/min et un nombre de paires de pôles au rotor de 6, ou - une vitesse maximale de 40 000 tr/min et un nombre de paires de pôles au rotor de 3, ou - une vitesse maximale de 40 000 tr/min et un nombre de paires de pôles au rotor de 4, ou - une vitesse maximale de 40 000 tr/min et un nombre de paires de pôles au rotor de 5, ou - une vitesse maximale de 40 000 tr/min et un nombre de paires de pôles au rotor de 6. Le rapport entre la vitesse maximale du rotor en tr/min et le nombre de paires de pôles du rotor de la machine peut être supérieur à 7000, étant notamment supérieur ou égal à 10 000. La vitesse maximale du rotor peut être comprise entre 30 000 tr/min et 40 000 tr/min, et le nombre de paires de pôles du rotor peut être égal à 3, à 4 ou à 5. Au sens de la présente demande : - « axialement » signifie « parallèlement à l’axe de rotation de l’arbre », - « radialement » signifie « dans un plan perpendiculaire à l’axe de rotation de l’arbre et le long d’une droite coupant cet axe de rotation », - « circonférentiellement » signifie « dans un plan perpendiculaire à l’axe de rotation de l’arbre et en se déplaçant autour de cet axe ». La machine électrique peut être une machine synchrone. Il peut s’agir d’une machine à rotor bobiné, ou à rotor à aimants permanents, ou à rotor bobiné avec aimants permanents. Dans tout ce qui précède, le rotor peut être un rotor à griffes. Ce rotor comprend alors une première et une deuxième roues polaires imbriquées, la première roue polaire définissant une série de griffes de forme globalement trapézoïdale, chaque griffe s'étendant axialement en direction de la deuxième roue polaire, la deuxième roue polaire définissant une série de griffes de forme globalement trapézoïdale, chaque griffe s'étendant axialement en direction de la première roue polaire. Un aimant permanent peut être reçu entre deux griffes consécutives circonférentiellement parlant pour le rotor. En variante, le rotor peut être autre qu’un rotor à griffes, comprenant par exemple un paquet de tôles. Dans tout ce qui précède, la machine électrique tournante peut avoir un stator ayant un enroulement électrique polyphasé, par exemple formé par des fils ou par des barres conductrices reliées les unes les autres. Dans tout ce qui précède, la machine électrique peut comprendre un circuit de refroidissement du stator dans lequel circule du fluide tel que de l’air ou du liquide. Ce liquide peut être de l’eau ou de l’huile. Le rotor peut être refroidi par ce même circuit de refroidissement ou par un autre circuit de refroidissement dans lequel circule de l’air, ou du liquide tel que de l’eau ou de l’huile. L’invention a encore pour objet, selon un autre de ses aspects, un ensemble de propulsion électrique, comprenant : - une machine électrique telle que définie ci-dessus, - une unité de stockage d’énergie électrique présentant une tension nominale dont la valeur est de 48V ou une valeur supérieure à 300V, et - un convertisseur de tension interposé entre l’unité de stockage d’énergie électrique et l’enroulement électrique du stator de la machine électrique. Comme mentionné précédemment le choix ci-dessus pour le rapport entre la vitesse maximale de la machine et le nombre de paires de pôles de son rotor peut permettre d’utiliser un convertisseur de tension qui est déjà utilisé pour des machines électriques dont la vitesse maximale est plus faible et dont le rotor présente un nombre de paires de pôles plus élevé. Ce convertisseur de tension peut mettre en œuvre des interrupteurs électroniques commandables tels que des transistors en nitrure de galium (GaN), en carbure de silicium (SiC), ou en silicium. Dans les exemples considérés, ce convertisseur de tension est un onduleur/redresseur. L’invention a encore pour objet un groupe motopropulseur de véhicule hybride, comprenant : - l’ensemble de propulsion électrique ci-dessus, - un moteur thermique, - une boîte de vitesses, - un essieu avant, et - un essieu arrière. Dans un tel groupe motopropulseur de véhicule hybride, le rotor de la machine électrique peut être relié, par une courroie ou tout autre moyen, au vilebrequin du moteur thermique, ou à l’entrée de la boîte de vitesses du point de vue du couple transitant vers les essieux du véhicule, ou en sortie de la boîte de vitesses du point de vue du couple transitant vers les essieux du véhicule, ou au niveau de la boîte de vitesses, ou encore sur l’essieu avant ou l’essieu arrière de ce groupe motopropulseur. Le cas échéant, chacun de l’essieu arrière et de l’essieu avant peut porter une machine électrique propre, celle-ci étant selon l’invention. L’invention a encore pour objet, selon encore un autre de ses aspects, un groupe motopropulseur de véhicule électrique, comprenant : - l’ensemble de propulsion électrique ci-dessus, - un essieu avant, et - un essieu arrière. L’un et/ou l’autre de l’essieu avant et de l’essieu arrière porte par exemple une machine électrique selon l’invention. L’invention a encore pour objet, selon encore un autre de ses aspects, un procédé de commande d’une machine électrique pour véhicule, cette machine électrique étant alimentée par une unité de stockage d’énergie électrique, notamment une unité de stockage d’énergie électrique ayant une tension nominale de 48V ou de valeur supérieure à 300 V, via un convertisseur de tension, et cette machine électrique ayant un rotor avec un nombre de paires de pôle donné, procédé selon lequel on commande le convertisseur de tension de manière à ce que le rotor tourne à une vitesse maximale telle que le rapport entre cette vitesse maximale en tr/min et le nombre de paires de pôles du rotor de la machine soit supérieur à 5000. Tout ou partie de ce qui a été mentionné précédemment s’applique encore à cet autre aspect de l’invention. Lors de cette commande de la machine électrique, on peut appliquer une commande pleine onde au convertisseur de tension lorsque le rotor de la machine électrique tourne à une vitesse supérieure à sa vitesse de base, cette vitesse de base étant définie comme la vitesse de rotation du rotor pour laquelle l’amplitude de la force électromotrice de la machine est supérieure à la tension d’alimentation fournie par le convertisseur de tension. Toujours lors de cette commande, lorsque le rotor de la machine électrique tourne à une vitesse inférieure à la vitesse de base, on peut appliquer une commande par modulation de largeur d’impulsion (MLI) au convertisseur de tension. La fréquence de cette commande par modulation de larguer d’impulsion est par exemple comprise entre 5 kHz et 20 kHz. La machine électrique tournante n’est pas nécessairement une machine synchrone, pouvant être une machine asynchrone ou toute autre type de machine électrique. La machine électrique peut présenter une puissance électrique nominale supérieure ou égale à 5 kW, à 15 kW, à 25 kW, à 50 kW, à 100kW ou à 300 kW. L’invention pourra être mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre d’un exemple non limitatif de mise en œuvre de celle-ci et à l’examen du dessin annexé sur lequel : représente de façon schématique et en coupe axiale une machine électrique selon un exemple de mise en œuvre de l’invention, et représente en élévation un autre type de rotor que celui de la machine électrique de la figure 1. On a représenté sur la Figure 1 une machine électrique tournante 2 de propulsion d’un véhicule. La machine électrique tournante 2 peut former un alternateur ou un alterno-démarreur du véhicule ou encore un moteur électrique. Cette machine électrique tournante peut être alimentée via un convertisseur de tension 20 formant dans l’exemple décrit un onduleur/redresseur par une batterie dont la tension nominale est de 48V ou d’une valeur supérieure à 300V, par exemple. La machine électrique tournante 2 comporte un carter 4. A l'intérieur de ce carter 4, elle comporte, en outre, un arbre 5, un rotor 6 solidaire en rotation de l’arbre 5 et un stator 7 entourant le rotor 6. Le mouvement de rotation du rotor 6 se fait autour d’un axe X. Le carter 4 comporte par exemple un palier avant 8 et un palier arrière 9 qui sont assemblés ensemble. Ces paliers 8, 9 sont de forme creuse et portent, chacun, centralement un roulement à billes 10, 11 respectif pour le montage à rotation de l'arbre 5. Une poulie 12 est dans l’exemple considéré fixée sur une extrémité avant de l’arbre 5, au niveau du palier avant 8, par exemple à l’aide d’un écrou en appui sur le fond de la cavité de cette poulie. Cette poulie 12 permet de transmettre le mouvement de rotation à l’arbre 5 et elle peut être reliée via une courroie au vilebrequin du moteur thermique du véhicule lorsque la machine électrique 2 est intégrée à un groupe motopropulseur hybride. Dans des variantes non décrites, la machine électrique est intégrée à un groupe motopropulseur électrique. L’extrémité arrière de l’arbre 5 porte, ici, des bagues collectrices appartenant à un collecteur et reliées par des liaisons filaires au bobinage. Des balais appartenant à un porte-balais sont disposés de façon à frotter sur les bagues collectrices. Dans cet exemple de réalisation, le stator 7 comporte une carcasse 15 en forme d'un paquet de tôles doté d'encoches, par exemple du type semi fermée ou ouverte, équipées d’isolant d’encoches pour le montage de l’enroulement électrique polyphasé du stator. Chaque phase comporte un enroulement 16 traversant les encoches de la carcasse 15 et formant, avec toutes les phases, un chignon avant et un chignon arrière de part et d'autre du corps du stator. Les enroulements 16 sont par exemple obtenus à partir d’un fil continu recouvert d’émail ou à partir d’éléments conducteurs en forme de barre tels que des épingles reliées entre elles. L’enroulement électrique du stator est par exemple triphasé, mettant alors en œuvre un montage en étoile ou en triangle dont les sorties sont reliées au convertisseur de tension 20. Dans l’exemple de la figure 1, le rotor 6 est un rotor à griffe. Il comporte deux roues polaires 17. La première roue polaire 17 est tournée vers le convertisseur de tension 20 tandis que la deuxième roue polaire 17 est tournée vers la poulie 12. Chacune des roues polaires 17 comprend un fond 18 s’étendant radialement de part et d’autre de l’axe X, la roue définissant une série de griffes 19 de forme globalement trapézoïdale. Chaque griffe d’une roue polaire 17 s'étend axialement en direction de l’autre roue polaire depuis une base disposée sur la périphérie radialement extérieure du fond 18. L’invention n’est pas limitée à un rotor à griffes. Le rotor 6 est par exemple tel que représenté sur la figure 2. Il peut s’agir d’un rotor mettant en œuvre un empilement de tôles, par exemple. Selon l’invention, la machine électrique 2 est conçue de manière à présenter une vitesse maximale de rotation élevée, par exemple comprise entre 30 000 tr/min et 40 000 tr/min, tandis que le nombre de paires de pôles du rotor de la machine est plus réduit, étant par exemple compris entre 3 et 5. Un exemple de machine électrique selon l’invention est réalisé comme suit : - couple nominal sur l’arbre 5 de 30 Nm, - puissance mécanique nominale sur l’arbre 5 de 14 kW, - puissance électrique nominale de la machine de 15 kW - refroidissement du stator à l’eau, - diamètre intérieur du stator de 110 mm, - dimension axiale du paquet de tôles du rotor de 70 mm, - aimants du rotor en terre rare, - enroulement électrique de stator double triphasé - couplage de l’enroulement électrique de stator en étoile, - nombre de paires de pôles du rotor égal à 4, - nombre d’encoches dans la carcasse du stator égal à 48, - enroulement électrique du stator formé par des barres conductrices reliées les unes les autres, 4 barres conductrices étant reçues dans chaque encoche, - valeur efficace du courant de phase en court-circuit de 126 Arms entre 20000 tr/min et 40000 tr/min, - vitesse maximale du rotor de 40 000 tr/min. Le convertisseur de tension 20 peut être commandé comme suit pour alimenter la machine électrique 2 jusqu’à sa vitesse de rotation nominale : - application d’une commande MLI à une fréquence comprise entre 5 kHz et 20 kHz tant que la vitesse de rotation de la machine est inférieure à sa vitesse de base, et - application d’une commande pleine onde au-delà de cette vitesse de base. Pour réaliser cette commande, des capteurs de position du rotor tels que des capteurs à effet Hall sont par exemple utilisés. On peut également utiliser des capteurs inductifs ou un résolveur ou un une commande sans capteur de positon L’intérêt de l’invention peut par exemple être montré en considérant une machine selon l’art antérieur de vitesse de rotation nominale de 18 000 tr/min et avec un rotor à 8 paires de pôles. Alimentée depuis une unité de stockage d’énergie électrique de tension nominale de 48V, cette machine électrique aura un diamètre extérieur stator de 153 mm et un poids de 13 kg pour fournir une puissance électrique de 15 kW. Dans les mêmes conditions d’alimentation électrique et de puissance à fournir, une machine électrique selon l’invention de vitesse maximale de 40 000 tr/min et avec rotor à 4 paires de pôles aura un diamètre extérieur stator de 100 mm et un poids de 10 kg, soit une réduction significative d’encombrement et de poids à performance constante. L’invention n’est pas limitée aux exemples qui viennent d’être décrits. Machine électrique (2) de propulsion d’un véhicule, comprenant : - un rotor (6) mobile en rotation autour d’un axe (X), et - un stator (7), le rotor (6) présentant une vitesse de rotation nominale et un nombre de paires de pôles choisis de manière à ce que le rapport entre cette vitesse en tr/min et ce nombre de paires de pôles soit supérieur à 5000. Machine électrique selon la revendication 1, le rapport entre la vitesse maximale du rotor (6) en tr/min et le nombre de paires de pôles du rotor de la machine étant supérieur à 7000, étant notamment supérieur ou égal à 10 000. Machine électrique selon la revendication 1 ou 2, la vitesse maximale du rotor (6) étant comprise entre 30 000 tr/min et 40 000 tr/min, et le nombre de paires de pôles du rotor étant égal à 3, à 4 ou à 5. Machine électrique selon l’une quelconque des revendications précédentes, étant une machine synchrone à aimants permanents. Machine électrique selon l’une quelconque des revendications précédentes, comprenant un circuit de refroidissement du stator dans lequel circule un liquide, notamment de l’eau. Ensemble de propulsion électrique, comprenant : - une machine électrique selon l’une quelconque des revendications précédentes, - une unité de stockage d’énergie électrique présentant une tension nominale dont la valeur est de 48V ou une valeur supérieure à 300V, et - un convertisseur de tension (20) interposé entre l’unité de stockage d’énergie électrique et l’enroulement électrique du stator de la machine électrique. Groupe motopropulseur de véhicule hybride, comprenant : - l’ensemble de propulsion électrique selon la revendication 6, - un moteur thermique, - une boîte de vitesses, - un essieu avant, et - un essieu arrière. Groupe motopropulseur selon la revendication 7, le rotor de la machine électrique étant relié au vilebrequin du moteur thermique, ou à l’entrée de la boîte de vitesses du point de vue du couple transitant vers les essieux du véhicule, ou en sortie de la boîte de vitesses du point de vue du couple transitant vers les essieux du véhicule, ou au niveau de la boîte de vitesses, ou encore sur l’essieu avant ou l’essieu arrière de ce groupe motopropulseur. Groupe motopropulseur de véhicule électrique, comprenant : - l’ensemble de propulsion électrique selon la revendication 6, - un essieu avant, et - un essieu arrière. l’un et/ou l’autre de l’essieu avant et de l’essieu arrière portant notamment une machine électrique selon la revendication 1. Procédé de commande d’une machine électrique (2) pour véhicule, cette machine électrique étant alimentée par une unité de stockage d’énergie électrique, notamment une unité de stockage d’énergie électrique ayant une tension nominale de 48V ou de valeur supérieure à 300 V, via un convertisseur de tension (20), et cette machine électrique (2) ayant un rotor avec un nombre de paires de pôle donné, procédé selon lequel on commande le convertisseur de tension (20) de manière à ce que le rotor (6) tourne à une vitesse maximale telle que le rapport entre cette vitesse maximale en tr/min et le nombre de paires de pôles du rotor de la machine soit supérieur à 5000.