Brevet FR3141824A1 — publié le 20240510

Machine électrique comportant un capteur de température intégré au rotor La présente invention concerne une machine électrique comportant un stator, un rotor (1) à pôles saillants, un arbre tournant sur lequel est monté le rotor (1), et un capteur de température (80), la machine électrique étant caractérisée en ce que le capteur de température (80) est agencé entre un bobinage du rotor et un corps (2) du rotor. (Figure 2) Machine électrique comportant un capteur de température intégré au rotor La présente invention se rapporte au domaine de l’électrotechnique, et concerne plus précisément une machine électrique comportant un rotor à pôles saillants. Dans une telle machine électrique, le rotor comporte un bobinage autour de chacun de ses pôles saillants. Dans des applications nécessitant une puissance importante de la machine électrique, notamment lorsque celle-ci est utilisée dans un véhicule électrique ou hybride, il est nécessaire de surveiller la température des bobinages du rotor, afin d’empêcher une surchauffe de ces bobinages qui pourrait entraîner une destruction des émaux isolants des fils des bobinages et produire des courts-circuits au niveau du rotor. Pour éviter cette situation apparaissant à partir d’un seuil critique de température des bobinages, les machines électriques dont le rotor est à pôles saillants comportent habituellement un système de contrôle de la température des bobinages, empêchant celle-ci d’atteindre ce seuil critique de température. Notamment, dans une telle machine, un procédé de limitation des performances de la machine est mis en œuvre dès que la température des bobinages atteint une marge de sécurité sous ce seuil critique de température, visant à laisser le temps à la température des bobinages de redescendre suffisamment tôt, c’est-à-dire sans laisser le temps aux bobinages d’atteindre le seuil critique de température du fait du temps de latence de cette limitation des performances. Par exemple le couple moteur de la machine électrique est limité dès que la température des bobinages du rotor est 10 degrés Celsius sous le seuil critique de température. Cette marge de sécurité est d’autant plus importante qu’il est difficile d’estimer avec précision la température des bobinages du rotor. De ce fait le couple demandé par le conducteur d’un véhicule électrique mû par une telle machine se voit trop rapidement limité dès que la machine a fourni une puissance maximale dans la durée. Les performances du véhicule et l’agrément de conduite sont donc directement impactées par l’imprécision de l’estimation de la température du rotor. En effet actuellement, la température du rotor est souvent estimée à partir d’un modèle thermique utilisant une mesure de température au stator, ou bien à partir d’un modèle utilisant d’une part une résistance rotorique calculée à partir de mesures ou estimations de courants, vitesses et flux statoriques ou rotoriques, et d’autre part une résistance de référence mesurée lors de tests effectués en fin de chaîne de fabrication du rotor, comme par exemple dans le document FR3033961. Or en utilisant des valeurs mesurées ou estimées en fin de chaîne de fabrication, telles que des résistances thermiques ou une résistance de référence, ces méthodes fournissent une estimation de la température du rotor qui dévie dans le temps par rapport à la température réelle du rotor, ou par rapport à la température d’une machine présentant quelques défauts de fabrication. En effet par exemple entre une machine de référence et une machine dont les sertissages à chaud sont non conformes ou ont mal évolué avec le temps, ou dont une spire a été coupée, ces résistances sont différentes. Ces différences entre l’estimation de la température du rotor et la température réelle du rotor expliquent l’application d’une marge de sécurité dans la mise en œuvre des limitations de performances de la machine électrique, plus importante que celle qui serait nécessaire avec une mesure en temps réel de la température du rotor. La présente invention remédie au moins en partie aux inconvénients de la technique antérieure, en fournissant une machine électrique dont la température du rotor est mesurée directement sur le rotor. A cette fin, l’invention propose une machine électrique comportant un stator, un rotor à pôles saillants, un arbre tournant sur lequel est monté le rotor, et un capteur de température, la machine électrique étant caractérisée en ce que le capteur de température est agencé entre un bobinage du rotor et un corps du rotor. En agençant directement un capteur de température sur le rotor, et non sur le stator, la marge de sécurité appliquée par rapport à un seuil critique de température du rotor nécessitant une limitation des performances de la machine, peut être réduite. Cet agencement entre le bobinage du rotor et le corps du rotor permet une mesure précise de la température des bobinages, ce qui ne serait pas possible en positionnant le capteur de température dans des emplacements libres du rotor comme par exemple entre des cales de bobinages et le corps du rotor. Dans un mode de réalisation de l’invention, le capteur de température comporte une thermistance. Ce type de capteur de température a l’avantage d’être très précis et économique. Il s’agit par exemple d’un capteur de température CTN (pour « coefficient de température négative ») ou CTP (pour « coefficient de température positive »). Selon une caractéristique avantageuse de la machine électrique selon l’invention, le corps du rotor comporte une partie centrale et une pluralité de dents réparties angulairement autour de la partie centrale, au moins une dent s’étendant parallèlement à l’axe de l’arbre tournant depuis une première extrémité axiale du corps jusqu’à une deuxième extrémité axiale du corps, et s’étendant radialement depuis la partie centrale jusqu’à une tête de pôle, la machine électrique comportant en outre au moins un guide têtes de bobines flanqué sur la première ou la deuxième extrémité axiale du corps et comportant au moins une branche agencée sur une extrémité axiale de la dent, le bobinage du rotor entourant la dent et la branche du guide têtes de bobines, le capteur de température étant logé dans la branche du guide têtes de bobines. Les différentes dents du corps de rotor sont de préférence identiques. La machine électrique selon l’invention comporte par exemple un guide têtes de bobines par extrémité axiale du corps de rotor. Le guide têtes de bobines comporte de préférence autant de branches que de dents du corps de rotor, chaque branche flanquant une extrémité axiale d’une de ces dents. De préférence un seul guide têtes de bobines comporte une branche logeant le capteur de température. Le rotor comporte de préférence un ou plusieurs capteurs de température, disposés chacun dans une ou plusieurs branches du guide têtes de bobines. Ainsi deux capteurs sur deux branches différentes assurent une redondance sécuritaire. Avantageusement, la branche comporte une portion entièrement recouverte du bobinage, la portion comportant un logement s’étendant radialement entre la partie centrale et la tête de pôle et dans lequel est inséré le capteur de température. Par exemple la dimension radiale du logement représente au moins 80% de la dimension radiale du bobinage. La température des fils du bobinage n’étant pas la même sur la dimension radiale du bobinage, cette disposition permet au capteur de température d’avoir une mesure représentative de la température de tout le bobinage en s’étendant dans tout le logement. En effet les fils au centre du bobinage sont généralement plus chauds que les fils périphériques du bobinage. Avantageusement encore, une épaisseur de la branche dans le logement est apte à mettre en contact le capteur de température avec le bobinage sur toute la dimension radiale du logement. Ainsi la mesure de température est encore plus représentative de la température du bobinage. L’épaisseur de la branche dans le logement correspond à la dimension axiale de la branche entre le corps de rotor et le capteur de température. Le logement est donc généralement non traversant dans la branche. En n’étant pas au contact direct du corps de rotor, le capteur de température n’est pas biaisé par la chaleur se dégageant du corps de rotor, le guide têtes de bobines étant généralement réalisé en matériau isolant. En variante de réalisation, le logement est agencé dans une tête de la branche en vis-à-vis du bobinage. Dans cette variante le capteur de température est de préférence au contact de toute l’épaisseur axiale du bobinage sur la branche. Dans un mode de réalisation de l’invention, la branche comporte un passage entre le logement et un espace central au guide têtes de bobines, le passage étant apte à loger des fils de connexion du capteur de température. Ces fils de connexion permettent d’alimenter le capteur de température. Le capteur de température est par exemple alimenté par une batterie d’alimentation électrique, disposée dans l’espace central au guide têtes de bobines. Avantageusement, les fils de connexion sont reliés à un dispositif d’alimentation et de gestion du capteur de température disposé dans l’espace central au guide têtes de bobines. Cette disposition permet un accès facilité pour la maintenance de ce dispositif. Préférentiellement, le capteur de température comporte des moyens de communication sans fil avec un dispositif de contrôle du rotor. Le dispositif de contrôle du rotor est situé dans une partie non tournante de la machine électrique ou d’un véhicule intégrant cette machine électrique. L’invention concerne aussi un véhicule électrique ou hybride comportant une machine électrique selon l’invention. D’autres caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront encore au travers de la description qui suit d’une part, et de plusieurs exemples de réalisation donnés à titre indicatif et non limitatif en référence aux dessins schématiques annexés d’autre part, sur lesquels : représente partiellement une machine électrique selon l’invention, au niveau d’une branche d’un guide têtes de bobines, la branche comportant un logement pour un capteur de température, et représente également partiellement la machine électrique de la , dans laquelle le capteur de température est disposé dans le logement. Selon un mode de réalisation de l’invention, une machine électrique selon l’invention illustrée comporte un stator et un rotor 1 bobiné monté sur un arbre tournant (non représenté). Le rotor 1 comporte un corps 2 de rotor, en acier magnétique, par exemple formé d’un empilement de tôles autour de l’arbre tournant. Le corps 2 de rotor comporte une partie centrale 22 solidaire de l’arbre tournant, sur laquelle sont réparties angulairement des dents 24, venues de matière avec la partie centrale 22. L’arbre tournant est apte à tourner autour d’un axe parallèle à une direction axiale référencée X sur la . L’axe de l’arbre tournant définit également une direction radiale, orthogonale à la direction axiale et passant par l’axe de l’arbre tournant. Ainsi sur la , la dent 24 s’étend radialement selon une direction radiale R, depuis la partie centrale 22 du corps 2 de rotor jusqu’à une tête de pôle 26. Une direction angulaire est enfin définie comme étant orthogonale aux directions axiale et radiale. La dent 24 s’étend plus précisément axialement depuis une première extrémité axiale du corps 2 de rotor, jusqu’à une deuxième extrémité axiale du corps 2 de rotor, et la dent 24 s’étend radialement depuis une base 28 de la dent proximale à la partie centrale 22, jusqu’à la tête de pôle 26 faisant partie de la dent 24. La portion de la dent 24 située entre la base 28 de la dent et la tête de pôle 26 est destinée à accueillir un des bobinages du rotor (non représenté). Un isolant 50 électrique, par exemple du papier, entoure cette portion de dent sur toute la dimension radiale et axiale de cette portion de la dent 24. Le bobinage du rotor est destiné à remplir notamment l’espace 30 situé entre l’isolant 50 électrique et un autre isolant 52 électrique situé entre la dent 24 et une dent adjacente. Cet autre isolant, par exemple en papier, est plié en forme de V de manière à accueillir une cale 40 de bobinages (visible ) de section triangulaire, venant maintenir en place les fils des bobinages situés entre les dents du corps de rotor malgré la force centrifuge lors du fonctionnement de la machine électrique. Le bobinage du rotor rempli également, de manière symétrique par rapport à un plan radial passant au milieu de la dent 24 et par l’axe de l’arbre tournant, un espace situé entre l’isolant 50 électrique et encore un autre isolant 54 électrique situé entre la dent 24 et l’autre dent qui lui est adjacente sur le corps 2 de rotor. De même une cale 42 de bobinages, de section triangulaire, vient maintenir en place les fils des bobinages situés entre la dent 24 et cette autre dent adjacente. Le corps 2 de rotor comporte, dans ce mode de réalisation de l’invention, huit dents, et est très similaire au corps de rotor visible sur la figure 6 du document FR3084220. Dans ce document, chaque extrémité axiale du corps de rotor est flanquée d’un guide têtes de bobines à huit branches. Dans le mode de réalisation de l’invention décrit dans cette présente demande, le corps 2 de rotor est également flanqué de deux guides têtes de bobines. Sur la est représentée la première extrémité axiale du corps 2 de rotor, sur laquelle est flanquée un guide têtes de bobines 60. Sur cette première extrémité axiale du corps 2 de rotor, le guide têtes de bobines 60 comporte une couronne centrale flanquée contre la partie centrale 22 du corps 2 de rotor, et une pluralité de branches s’étendant radialement sur chaque extrémité axiale des dents du corps 2 de rotor. Le guide tête de bobines 60 est réalisé en matière électriquement isolante, au moins au niveau des zones de contact du guide têtes de bobines avec les bobinages du rotor. Par exemple le guide têtes de bobines 60 est réalisé en matière polymère synthétique (plastique). Le guide têtes de bobines 60 comporte notamment une branche 62 plaquée contre l’extrémité axiale de la dent 24 correspondant à la première extrémité axiale du corps 2 de rotor. Plus précisément la branche 62 est plaquée contre l’isolant 50 électrique au niveau de la partie de celui-ci située sur l’extrémité axiale de la dent 24. La branche 62 comporte une tête de branche 64, flanquée contre la tête de pôle 26 de la dent 24, et une portion 66 comprise entre la couronne centrale du guide têtes de bobines 60 et la tête de branche 64, cette portion 66 étant destinée à être entièrement recouverte des fils du bobinage du rotor entourant la dent 24. La portion 66 comporte des flancs arrondis sur lesquels des rainures 68 disposées chacune angulairement, permettent d’accueillir chacune un fil d’une première couche du bobinage du rotor, cette première couche étant proximale à la dent 24. L’ensemble des rainures 68 sur chaque flanc de la portion 66 recouvre entièrement la dimension radiale de ce flanc. De la sorte les fils des bobinages sont guidés lors de leur mise en place, de manière à recouvrir entièrement la portion 66 de la branche 62. La tête de branche 64 est destinée à maintenir radialement les fils du bobinage passant angulairement sur cette portion 66 de la branche 62, malgré la force centrifuge. Cette tête de branche 64 forme de ce fait une extension axiale de la tête de pôle 26, de dimension axiale plus importante que celle de la portion 66 de la branche 62. Dans ce mode de réalisation de l’invention, la branche 62 comporte un logement 70 pour un capteur de température 80 (visible ). Ce logement 70 est traversant, laissant voir l’isolant 50 électrique sur la . En variante de réalisation de l’invention, ce logement est non traversant. Le logement 70 prend ici la forme d’une cavité rectangulaire comprise entre les flancs arrondis de la portion 66 et s’étendant radialement sur presque toute la dimension radiale de cette portion 66, par exemple 90% de cette dimension radiale. Le capteur de température 80 étant, dans ce mode de réalisation de l’invention, une thermistance de type CTN ou CTP, le matériau formant cette thermistance enveloppe le capteur de température 80 et est donc au contact des fils du bobinage du rotor sur toute la dimension radiale du logement 70, qu’il occupe entièrement. En effet la profondeur, dans la dimension axiale, du logement 70, est telle que le capteur de température 80 est au contact du bobinage du rotor lorsque la dent 24 est bobinée. Dans une variante de réalisation avec un logement non traversant, l’épaisseur de la branche 62 au niveau du logement, est telle que le capteur de température 80 est au contact du bobinage du rotor lorsque la dent 24 est bobinée. Cette épaisseur correspond à la dimension axiale de la portion 66 entre une surface plane de celle-ci, destinée à être au contact de l’isolant 50 électrique ou du corps 2 de rotor, et une surface de réception du capteur de température dans le logement, parallèle à cette surface plane. La branche 62 comporte également un passage 72 entre le logement 70 et un espace central du guide têtes de bobines 60, ce passage 72 traversant la couronne centrale du guide têtes de bobines 60. Ce passage 72 permet d’amener des fils de connexion 82 du capteur de température 80 vers un espace central du guide têtes de bobines 60, pour les connecter à un dispositif d’alimentation et de gestion du capteur de température 80. Ce dispositif d’alimentation et de gestion comporte par exemple une pile. Grâce à cet agencement, il n’est pas nécessaire de défaire les bobinages du rotor pour remplacer la pile. Le dispositif d’alimentation et de gestion du capteur de température 80, situé dans l’espace central au guide têtes de bobines 60 comporte également un circuit analogique et/ou logiciel permettant de transmettre à un dispositif de contrôle du rotor 1, situé dans une partie non tournante de la machine électrique, ou dans un calculateur externe à la machine électrique, une valeur représentative de la température du rotor 1. Cette valeur représentative est par exemple une valeur de résistance de la thermistance du capteur de température 80, le dispositif d’alimentation et de gestion comportant un Ohmmètre, ou bien directement une valeur de température. La transmission de cette valeur représentative de la température du rotor 1 au dispositif de contrôle du rotor 1 se fait par exemple par communication sans fil, en utilisant la technologie Bluetooth® ou Zigbee® utilisant la norme IEEE 802.15.4. Bien sûr, l’invention n’est pas limitée aux exemples qui viennent d’être décrits et de nombreux aménagements peuvent être apportés à ces exemples sans sortir du cadre de l’invention. Machine électrique comportant un stator, un rotor (1) à pôles saillants, un arbre tournant sur lequel est monté le rotor (1), et un capteur de température (80), la machine électrique étant caractérisée en ce que le capteur de température (80) est agencé entre un bobinage du rotor et un corps (2) du rotor. Machine électrique selon la revendication 1, dans laquelle le capteur de température (80) comporte une thermistance. Machine électrique selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle le corps (2) du rotor comporte une partie centrale (22) et une pluralité de dents (24) réparties angulairement autour de la partie centrale (22), au moins une dent (24) s’étendant parallèlement à l’axe de l’arbre tournant depuis une première extrémité axiale du corps jusqu’à une deuxième extrémité axiale du corps (2), et s’étendant radialement depuis la partie centrale (22) jusqu’à une tête de pôle (26), la machine électrique comportant en outre au moins un guide têtes de bobines (60) flanqué sur la première ou la deuxième extrémité axiale du corps (2) et comportant au moins une branche (62) agencée sur une extrémité axiale de la dent (24), le bobinage du rotor entourant la dent (24) et la branche (62) du guide têtes de bobines (60), le capteur de température (80) étant logé dans la branche (62) du guide têtes de bobines (60). Machine électrique selon la revendication 3, dans laquelle la branche (62) comporte une portion (66) entièrement recouverte du bobinage, la portion (66) comportant un logement (70) s’étendant radialement entre la partie centrale (22) et la tête de pôle (26) et dans lequel est inséré le capteur de température (80). Machine électrique selon la revendication 4, dans laquelle la dimension radiale du logement (70) représente au moins 80% de la dimension radiale du bobinage. Machine électrique selon la revendication 3 ou 4, dans laquelle une épaisseur de la branche (62) dans le logement (70) est apte à mettre en contact le capteur de température (80) avec le bobinage sur toute la dimension radiale du logement (70). Machine électrique selon l’une quelconque des revendications 4 à 6, dans laquelle la branche (62) comporte un passage (72) entre le logement (70) et un espace central au guide têtes de bobines, le passage (72) étant apte à loger des fils de connexion (82) du capteur de température (80). Machine électrique selon la revendication 7, dans laquelle les fils de connexion (82) sont reliés à un dispositif d’alimentation et de gestion du capteur de température (80) disposé dans l’espace central au guide têtes de bobines. Machine électrique selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, dans laquelle le capteur de température (80) comporte des moyens de communication sans fil avec un dispositif de contrôle du rotor (1). Véhicule électrique ou hybride comportant une machine électrique selon l’une quelconque des revendications 1 à 9.