Brevet FR3114454A1 — publié le 20220325

Machine électrique à N phases L’invention concerne une machine électrique à N phases comprenant un organe mobile (1) monté en déplacement par rapport à un organe fixe, un système de détermination d’au moins une information relative au déplacement dudit organe mobile et un système d’alimentation électrique (2) qui est géré par ladite information, ledit système de détermination comprenant un codeur (3) présentant une piste magnétique, l’organe fixe présentant une armature (7) équipée d’au moins une bobine conductrice par phase, lesdites bobines étant couplées magnétiquement à la piste, l’armature (7) présentant des plots (8) autour desquels respectivement une bobine est disposée, lesdits plots présentant chacun des dents espacées par des creux afin de diriger le flux magnétique entre la bobine et le codeur (3) pour que l’alimentation électrique des bobines induise le déplacement du codeur (3) et/ou que le déplacement du codeur (3) induise l’alimentation électrique desdites bobines. Figure 1a Machine électrique à N phases L’invention concerne une machine électrique à N phases comprenant un organe mobile monté en déplacement par rapport à un organe fixe, un système de détermination d’au moins une information relative au déplacement dudit organe mobile et un système d’alimentation électrique qui est géré par ladite information. Dans une application particulière, la machine est alimentée en électricité pour actionner l’entraînement en déplacement de l’organe mobile, par exemple dans le but de motoriser un dispositif appartenant à une unité d’aide à la conduite d’un véhicule automobile. Dans une autre application, la machine génère de l’électricité par déplacement de l’organe mobile afin de pouvoir alimenter le système. En particulier, on connaît des machines électriques de type moteur électrique synchrone à aimant permanent dans lesquelles l’organe fixe présente une armature en matériau ferromagnétique qui est équipée d’au moins une bobine conductrice par phase, l’organe mobile étant solidaire en déplacement d’au moins un aimant permanent par phase. Dans ce type de machine électrique, on peut souhaiter connaître en temps réel et avec une fiabilité optimale au moins une information relative au déplacement de l’organe mobile, par exemple un paramètre tel que sa position, sa vitesse, son accélération ou son sens de déplacement, notamment afin de pouvoir piloter l’alimentation électrique d’une machine motrice et/ou contrôler l’électricité fournie par une machine génératrice. Pour ce faire, on connaît des machines électriques équipées d’un système de détermination comprenant un codeur solidaire de l’organe mobile qui est apte à générer un signal représentatif de son déplacement, et un capteur solidaire de l’organe fixe qui est apte à déterminer ladite information par lecture du signal généré par ledit codeur. Selon une réalisation permettant une résolution optimale de l’information déterminée, le codeur présente une piste magnétique formée d’une succession de paires de pôles magnétiques Nord et Sud qui sont disposées pour délivrer un champ magnétique pseudo sinusoïdal, le capteur comprenant au moins deux éléments sensibles disposés à distance de lecture de la piste magnétique du codeur. Toutefois, un tel codeur étant dissocié des aimants de la machine électrique, une bonne gestion du système d’alimentation par l’information déterminée nécessite une indexation de l’organe mobile de la machine, notamment en alignant la mesure de la position électrique du capteur au passage à zéro du champ magnétique de ladite machine ou en déterminant la différence d’angle entre ces deux positions. En outre, le déplacement de la machine électrique et la détermination de l’information de déplacement étant alors deux fonctions distinctes, les solutions connues nécessitent d’avoir deux jeux de pièces séparées, ce qui nuit à leur compacité. L’invention vise à résoudre les problèmes de l’art antérieur en proposant notamment une machine électrique dans laquelle les fonctions d’alimentation électrique et de détermination d’au moins une information relative au déplacement de l’organe mobile sont réalisées conjointement, notamment afin d’éviter une indexation de l’organe mobile avec le codeur permettant ladite détermination. A cet effet, l’invention propose une machine électrique à N phases comprenant un organe mobile monté en déplacement par rapport à un organe fixe, un système de détermination d’au moins une information relative au déplacement dudit organe mobile et un système d’alimentation électrique qui est géré par ladite information, ledit système de détermination comprenant un codeur solidaire de l’organe mobile qui est apte à générer un signal représentatif de son déplacement et un capteur solidaire de l’organe fixe qui est apte à déterminer ladite information par lecture du signal généré par ledit codeur, ledit codeur présentant une piste magnétique formée d’une succession de n pp paires de pôles magnétiques Nord et Sud de largeur L p qui sont disposées pour délivrer un champ magnétique pseudo sinusoïdal, l’organe fixe présentant une armature en matériau ferromagnétique qui est équipée d’au moins une bobine conductrice par phase, lesdites bobines étant reliées électriquement au système d’alimentation en étant couplées magnétiquement à la piste du codeur, l’armature présentant des plots autour desquels respectivement une bobine est disposée, lesdits plots saillants dans l’interface avec le codeur en présentant chacun une surface libre disposée en regard de la piste magnétique, ladite surface libre présentant des dents de largeur L d espacées par des creux de largeur L e , les largeurs L d et/ou L e étant telles que leur rapport à N.L p n’est pas pair ni inverse pair afin de diriger le flux magnétique entre la bobine et le codeur pour que l’alimentation électrique des bobines induise le déplacement du codeur et/ou que le déplacement du codeur induise l’alimentation électrique desdites bobines. D’autres particularités et avantages de l’invention apparaîtront dans la description qui suit, faite en référence aux figures jointes, dans lesquelles : et sont des représentations schématiques éclatées de composants d’une machine électrique selon un mode de réalisation de l’invention ; est une représentation schématique de dessus de composants de la machine électrique selon les figures 1a et 1b ; et illustrent des bobines pour une machine électrique, selon respectivement une réalisation de l’invention ; représente la disposition du codeur par rapport à l’armature dans une machine électrique selon l’invention. En relation avec ces figures, on décrit une machine électrique à N phases comprenant un organe mobile 1 monté en déplacement par rapport à un organe fixe, N étant un entier supérieur à 1, notamment en relation avec un machine électrique biphasée ou triphasée. Selon une application, la machine est alimentée en électricité pour actionner l’entraînement en déplacement de l’organe mobile 1, par exemple dans le but de motoriser un dispositif appartenant à une unité d’aide à la conduite d’un véhicule automobile. En particulier, la machine électrique peut constituer un moteur synchrone à aimant permanent. Dans une autre application, la machine génère de l’électricité par déplacement de l’organe mobile 1. La machine électrique comprend un système d’alimentation électrique 2 qui est géré pour : dans le cas d’une machine motrice, pouvoir piloter le déplacement de l’organe mobile 1, notamment en relation avec le couple et la vitesse de déplacement ; et/ou dans le cas d’une machine génératrice, contrôler son alimentation électrique, notamment en relation avec la fréquence de la tension électrique générée. Pour ce faire, la machine électrique comprend un système de détermination d’au moins une information relative au déplacement de l’organe mobile 1, notamment agencé pour délivrer une information relative à la position dudit organe mobile, ladite information étant utilisée par le système d’alimentation 2 pour sa gestion. L’information déterminée peut aussi être relative à la vitesse, à l’accélération et/ou au sens de déplacement de l’organe mobile 1. Le système de détermination comprend un codeur 3 solidaire en déplacement de l’organe mobile 1, ledit codeur étant apte à générer un signal représentatif de son déplacement, et un capteur 4 solidaire de l’organe fixe qui est apte à déterminer l’information par lecture du signal généré par ledit codeur. Selon une réalisation permettant une résolution optimale de l’information déterminée, le codeur 3 présente une piste magnétique 5 formée d’une succession de n pp paires de pôles magnétiques 6 Nord et Sud de largeur L p qui sont disposées pour délivrer un champ magnétique pseudo sinusoïdal, le capteur 4 comprenant au moins deux éléments sensibles disposés à distance de lecture de la piste magnétique 5 du codeur 3. Selon une réalisation connue notamment du document EP-1 403 622, le codeur 3 peut présenter une piste magnétique secondaire permettant en particulier de déterminer une information de position absolue. En particulier, le caractère bi-piste du codeur permet de générer une pulse de référence par paire de pôles d’un moteur, ce qui permet de le piloter plus facilement. A titre d’exemple, le codeur 3 est formé d’un aimant sur lequel les pôles magnétiques 6 sont constitués, notamment en formant au moins une piste aimantée 5. En particulier, l’aimant peut comprendre une matrice, par exemple réalisée à base d’un matériau plastique ou élastomère, dans laquelle sont dispersées des particules magnétiques, notamment des particules de ferrite ou de terres rares comme le NdFeB, qui sont aimantées suivant la succession de pôles 6. De façon avantageuse relativement à la résolution de l’information délivrée, la largeur L p de chacun des pôles magnétiques 6 du codeur 3 est comprise entre 0,5 et 20 mm, le nombre n pp de paires de pôles magnétiques 6 du codeur 3 pouvant être au moins égal à 2, notamment en étant supérieur à 6. Dans le mode de réalisation représenté, 36 paires de pôles 6 Nord et Sud constituent la piste magnétique 5 du codeur 3. Les éléments sensibles du capteur 4 sont aptes à émettre chacun un signal qui est fonction du champ délivré par la piste 5, le système de détermination comprenant : un dispositif de traitement des signaux émis par les éléments sensibles qui est agencé pour fournir deux signaux en quadrature et de même amplitude qui sont chacun représentatifs du champ magnétique ; et à partir desdits signaux en quadrature, un dispositif de calcul de l’information relative au déplacement de l’organe mobile. Selon une réalisation, le document WO-2006/064169 décrit un capteur 4 agencé pour délivrer deux signaux respectivement SIN et COS en quadrature et de même amplitude qui sont chacun représentatifs du champ magnétique délivré par la piste 5. En particulier, le capteur 4 peut comprendre au moins un élément sensible, notamment choisi parmi les sondes magnétosensibles, par exemple à effet Hall, et/ou les sondes à base de magnétorésistances à effet tunnel (TMR), de magnétorésistances anisotropes (AMR) ou de magnétorésistances géantes (GMR). Par ailleurs, le dispositif de calcul peut comprendre des moyens d’interpolation permettant d’augmenter la résolution de l’information relative au déplacement du codeur 3. L’organe fixe présente une armature 7 en matériau ferromagnétique présentant des plots 8, lesdits plots saillants dans l’interface avec le codeur 3 en présentant chacun une surface libre disposée en regard de la piste magnétique 5. En particulier, les plots 8 sont réalisés en une pièce ferromagnétique avec l’armature 7. La distance d’entrefer entre la surface libre des plots 8 et la piste 5 du codeur 3 est de l’ordre de 1 mm au maximum pour un aimant à base de ferrite et peut aller jusqu’à 10 mm pour un aimant à base de terres rares. L’armature 7 est équipée d’au moins une bobine conductrice 9 par phase qui est disposée autour d’un plot 8, lesdites bobines étant reliées électriquement au système d’alimentation 2 en étant couplées magnétiquement à la piste 5 du codeur 3. Ainsi, le codeur 3 est utilisé en tant qu’aimant permanent pour le fonctionnement de la machine électrique, notamment en délivrant un flux magnétique, ce qui permet de combiner avec le même moyen la réalisation des fonctions d’alimentation électrique et de détermination d’au moins une information relative au déplacement de l’organe mobile 1. Une bobine 9 et un plot 8 par phase électrique peut être prévus. Selon une autre réalisation, plusieurs ensembles bobine 9 – plot 8 par phase électrique peuvent être prévus. Selon la réalisation représentée, le codeur 3 présente une piste magnétique 5 annulaire qui est solidaire d’un organe mobile 1 monté en rotation. En particulier, les bobines 9 des phases peuvent être réparties angulairement de façon alternée autour de la piste 5 du codeur 3 en étant reliées électriquement en série et/ou en parallèle. De façon avantageuse, les centres géométriques des bobines 9 d’une phase sont espacés angulairement d’un multiple entier d’un angle de l’ordre de 360°/N.n pp . Dans le mode de réalisation représenté, la machine électrique présente deux phases et deux ensembles bobine 9 – plot 8 par phase, les bobines 9 d’une phase étant disposées à sensiblement 180° l’une de l’autre. Pour permettre le fonctionnement de la machine électrique avec une gestion standard du système d’alimentation 2, le centre géométrique d’une bobine 9 d’une phase est espacé angulairement du centre géométrique d’une bobine 9 d’une autre phase d’un multiple entier d’un angle compris entre : 90°/N.n pp et 270°/N.n pp pour N=2 ; et 270°/N.n pp et 450°/N.n pp pour N>2. En particulier, le centre géométrique d’une bobine 9 d’une phase est espacé angulairement du centre géométrique d’une bobine 9 d’une autre phase d’un multiple entier d’un angle compris entre : 135°/N.n pp et 225°/N.n pp pour N=2 ; et 315°/N.n pp et 405°/N.n pp pour N>2. Selon une réalisation, le centre géométrique d’une bobine 9 d’une phase est espacé angulairement du centre géométrique d’une bobine 9 d’une autre phase d’un multiple entier d’un angle de l’ordre de 180°/N.n pp pour N= 2 et 360°/N.n pp pour N> 2, avec une tolérance d’angle de +/- 50%. Dans le mode de réalisation représenté, les bobines 9 de respectivement une phase sont disposées à environ 90°, plus précisément à 82,5°, l’une de l’autre pour former autour de la piste magnétique 5 une succession alternée d’une bobine 9 d’une première phase, d’une bobine 9 de l’autre phase, d’une bobine 9 de la première phase, d’une bobine 9 de l’autre phase. Selon une autre réalisation, le codeur 3 présente une piste magnétique 5 linéaire qui est solidaire d’un organe mobile 1 monté en translation, la bobine 9 d’une phase présentant un centre géométrique qui est espacé linéairement du centre géométrique d’une bobine 9 d’une autre phase d’un multiple entier d’une distance comprise entre : 0,5.L p /N.2n pp et 1,5.L p /N.2n pp pour N=2 ; et L p /N.n pp et 3L p /N.n pp pour N>2. En particulier, le centre géométrique d’une bobine 9 d’une phase est espacé linéairement du centre géométrique d’une bobine 9 d’une autre phase d’un multiple entier d’une distance comprise entre : 0,75.L p /N.2n pp et 1,25.L p /N.2n pp , notamment en étant de l’ordre de L p /N.2n pp pour N=2 ; et 1,5L p /N.n pp et 2,5L p /N.n pp , notamment en étant de l’ordre de 2L p /N.n pp pour N>2. En relation avec la figure 4, la surface libre de chacun des plots 8 présente des dents 10 de largeur L d espacées par des creux 11 de largeur L e , les largeurs L d et/ou L e étant telles que leur rapport à N.L p n’est pas pair ni inverse pair (c'est-à-dire que le rapport L e /N.L pp ou L d /N.L pp n’est pas égal à 2, 4 … ou à ½, ¼, …) afin de diriger le flux magnétique entre la bobine 9 et le codeur 3 pour que l’alimentation électrique des bobines 9 induise le déplacement du codeur 3 et/ou que le déplacement du codeur 3 induise l’alimentation électrique desdites bobines. En particulier, les dents 10 canalisent le flux magnétique successivement en regard des pôles 6 de même polarité, ce qui crée un effort de déplacement relatif entre l’armature 7 et le codeur 3 solidaire de l’organe mobile 1, ledit effort induisant le déplacement dudit organe mobile dans une machine motrice ou un courant électrique dans les bobines 9 d’une machine génératrice. Ainsi, grâce à la présence de ces ensembles dents 10 – creux 11, on augmente la densité de flux magnétique utile au fonctionnement de la machine électrique, afin de pouvoir utiliser des pôles magnétiques 6 de largeur L p suffisamment réduite pour la résolution de l’information de déplacement déterminée, et ce sans nécessiter d’indexation mécanique puisque le fonctionnement magnétique de la machine est conféré par le codeur 3 qui permet la détermination de ladite information. De façon avantageuse, la largeur L d des dents 10 est analogue à la largeur L e des creux 11. Par ailleurs, le rapport de la largeur L d des dents 10 et/ou de la largeur L e des creux 11 à N.L p peut être, à une tolérance de fabrication de +/- 40%, unitaire ou fractionnaire. Pour limiter la formation d’un couple contraire à celui du déplacement de l’organe mobile 1, la profondeur des creux 11 doit être la plus grande possible, notamment en étant supérieure ou égale à la largeur L d des dents 10. Pour tenir compte des contraintes de fabrication, la profondeur des creux 11 peut être de l’ordre de grandeur de la largeur L d des dents 10. Selon une réalisation avantageuse, les bobines 9 sont formées chacune de plusieurs couches d’un circuit imprimé 12 comportant au moins une spire conductrice 13, lesdites spires étant connectées entre elles pour former les bobines 9. En particulier, vingt couches 12 de douze spires 13 chacune peuvent être mises en œuvre. La figure 3a schématise deux couches 12 de deux spires 13 formant une bobine 9 comprenant une connexion 14 en série des spires 13 entre elles. La figure 3b représente deux couches 12 de deux spires 13 formant une bobine 9 comprenant des connexions 15 en parallèle des spires 13 entre elles. En relation avec les figures, les couches du circuit imprimé 12 présentent des ouvertures 16 dans lesquelles respectivement un plot 8 est disposé. En particulier, l’armature 7 présente une plaque 17 sur la surface de laquelle les plots 8 sont formés, les bobines 9 étant solidaires de ladite plaque, notamment en prévoyant que les plots 8 s’étendent chacun au centre d’une bobine 9. Par ailleurs, la figure 1 représente le montage de l’organe mobile 1 en rotation au travers d’ouvertures 17a, 12a de respectivement la plaque 17 et d’un circuit imprimé 12 formée de couches, au moyen de deux roulements, respectivement un roulement inférieur 18 porté par une cloche d’intégration 19 et un roulement supérieur 20 monté dans un porte codeur 21. De façon avantageuse, le capteur 4 et les bobines 9 sont implantés sur la surface d’un support commun, notamment sur un circuit imprimé commun de sorte à définir la position relative entre les éléments sensibles dudit capteur et lesdites bobines. Machine électrique à N phases comprenant un organe mobile (1) monté en déplacement par rapport à un organe fixe, un système de détermination d’au moins une information relative au déplacement dudit organe mobile et un système d’alimentation électrique (2) qui est géré par ladite information, ledit système de détermination comprenant un codeur (3) solidaire de l’organe mobile (1) qui est apte à générer un signal représentatif de son déplacement et un capteur (4) solidaire de l’organe fixe qui est apte à déterminer ladite information par lecture du signal généré par ledit codeur, ledit codeur présentant une piste magnétique (5) formée d’une succession de n pp paires de pôles magnétiques (6) Nord et Sud de largeur L p qui sont disposées pour délivrer un champ magnétique pseudo sinusoïdal, l’organe fixe présentant une armature (7) en matériau ferromagnétique qui est équipée d’au moins une bobine conductrice (9) par phase, lesdites bobines étant reliées électriquement au système d’alimentation (2) en étant couplées magnétiquement à la piste (5) du codeur (3), l’armature (7) présentant des plots (8) autour desquels respectivement une bobine (9) est disposée, ladite machine étant caractérisée en ce que les plots sont saillants dans l’interface avec le codeur (3) en présentant chacun une surface libre disposée en regard de la piste magnétique (5), ladite surface libre présentant des dents (10) de largeur L d espacées par des creux (11) de largeur L e , les largeurs L d et/ou L e étant telles que leur rapport à N.L p n’est pas pair ni inverse pair afin de diriger le flux magnétique entre la bobine (9) et le codeur (3) pour que l’alimentation électrique des bobines (9) induise le déplacement du codeur (3) et/ou que le déplacement du codeur (3) induise l’alimentation électrique desdites bobines. Machine électrique selon la revendication 1, caractérisée en ce que le codeur (3) présente une piste magnétique (5) annulaire qui est solidaire d’un organe mobile (1) monté en rotation, la bobine (9) d’une phase présentant un centre géométrique qui est espacé angulairement du centre géométrique d’une bobine (9) d’une autre phase d’un multiple entier d’un angle compris entre : 90°/N.n pp et 270°/N.n pp pour N=2 ; et 270°/N.n pp et 450°/N.n pp pour N>2. Machine électrique selon la revendication 2, caractérisée en ce que le centre géométrique d’une bobine (9) d’une phase est espacé angulairement du centre géométrique d’une bobine (9) d’une autre phase d’un multiple entier d’un angle compris entre : 135°/N.n pp et 225°/N.n pp , notamment en étant de l’ordre de 180°/N.n pp , pour N=2 ; et 315°/N.n pp et 405°/N.n pp , notamment en étant de l’ordre de 360°/N.n pp , pour N>2. Machine électrique selon la revendication 1, caractérisée en ce que le codeur (3) présente une piste magnétique (5) linéaire qui est solidaire d’un organe mobile (1) monté en translation, la bobine (9) d’une phase présentant un centre géométrique qui est espacé linéairement du centre géométrique d’une bobine (9) d’une autre phase d’un multiple entier d’une distance comprise entre : 0,5.L p /N.2n pp et 1,5.L p /N.2n pp pour N=2 ; et L p /N.n pp et 3L p /N.n pp pour N>2. Machine électrique selon la revendication 4, caractérisée en ce que le centre géométrique d’une bobine (9) d’une phase est espacé linéairement du centre géométrique d’une bobine (9) d’une autre phase d’un multiple entier d’une distance comprise entre : 0,75.L p /N.2n pp et 1,25.L p /N.2n pp , notamment en étant de l’ordre de L p /N.2n pp pour N=2 ; et 1,5L p /N.n pp et 2,5L p /N.n pp , notamment en étant de l’ordre de 2L p /N.n pp pour N>2. Machine électrique selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que la largeur L p de chacun des pôles magnétiques (6) du codeur (3) est comprise entre 0,5 et 20 mm. Machine électrique selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que le nombre n pp de paires de pôles magnétiques (6) du codeur (3) est au moins égal à 2, notamment en étant supérieur à 6. Machine électrique selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que le capteur (4) comprend au moins deux éléments sensibles disposés à distance de lecture de la piste magnétique (5) du codeur (3), lesdits éléments étant aptes à émettre chacun un signal qui est fonction du champ délivré par ladite piste, le système de détermination comprenant : un dispositif de traitement des signaux émis par les éléments sensibles qui est agencé pour fournir deux signaux en quadrature et de même amplitude qui sont chacun représentatifs du champ magnétique ; et à partir desdits signaux en quadrature, un dispositif de calcul de l’information relative au déplacement de l’organe mobile (1). Machine électrique selon la revendication 8, caractérisée en ce que le dispositif de calcul comprend des moyens d’interpolation permettant d’augmenter la résolution de l’information relative au déplacement du codeur (3). Machine électrique selon l’une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisée en ce qu’elle comprend plusieurs ensembles bobine (9) – plot (8) par phase électrique. Machine électrique selon l’une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisée en ce que les bobines (9) sont formées chacune de plusieurs couches d’un circuit imprimé (12) comportant au moins une spire conductrice (13), lesdites spires étant connectées entre elles pour former les bobines (9). Machine électrique selon l’une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisée en ce que la largeur L d des dents (10) est analogue à la largeur L e des creux (11). Machine électrique selon l’une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisée en ce que le rapport de la largeur L d des dents (10) et/ou de la largeur L e des creux (11) à N.L p est, à une tolérance de fabrication de +/- 40%, unitaire ou fractionnaire. Machine électrique selon l’une quelconque des revendications 1 à 13, caractérisé en ce que les creux (11) présentent une profondeur qui est supérieure ou égale à la largeur L d des dents (10). Machine électrique selon l’une quelconque des revendications 1 à 14, caractérisée en ce que le capteur (4) et les bobines (9) sont implantés sur la surface d’un support commun. Machine électrique selon l’une quelconque des revendications 1 à 15, caractérisée en ce que le système d’alimentation (2) est apte à utiliser l’information délivrée par le système de détermination pour piloter le déplacement de l’organe mobile (1) et/ou pour contrôler son alimentation électrique par les bobines (9).