Brevet FR3160526A1 — publié le 20250926

L’invention propose un procédé d’estimation de la température en fonctionnement (du rotor d'une machine électrique synchrone à aimants permanents consistant à E3) dans une phase d’utilisation au cours de laquelle aucun couple n’est demandé : E31) déterminer une tension interne de contrôle et mesurer la vitesse de rotation du rotor ; E32) calculer une valeur corrigée de la tension interne de contrôle égale au quotient de ladite tension par un facteur de correction (traduisant un rapport entre une tension induite mesurée en fin de fabrication et une tension induite d’une machine de référence) ; et E33) estimer une valeur de la température en fonctionnement du rotor qui est obtenue, en utilisant un modèle, pour la vitesse de rotation mesurée et la valeur corrigée de la tension interne de contrôle. Pas de figure. Procédé d’estimation en fonctionnement de la température du rotor d'une machine électrique synchrone à aimants permanents Domaine technique de l’invention L’invention concerne un procédé permettant d’estimer la température du rotor d'une machine électrique synchrone à aimants permanents, aussi appelée une MSAP (Machine Synchrone à Aimants Permanents). L’invention concerne par exemple la température du rotor d’un moteur électrique synchrone à aimants permanents appartenant au système de propulsion d'un véhicule à propulsion électrique ou à propulsion hybride. Arrière-plan technique de l’invention En fonctionnement ou utilisation, la température du rotor est importante pour la protection des composants de la machine électrique. La température du rotor est notamment nécessaire pour appliquer les paramètres corrects à la machine (courants, tensions) et pour protéger les aimants permanents de la surchauffe. Mais la température ne peut pas être déterminée directement au moyen des technologies existantes, car aucun capteur de température ne peut être installé dans le rotor en vue de fournir une valeur instantanée mesurée de cette température. Le rotor étant une pièce en mouvement, une mesure directe de la température n'est possible qu'en laboratoire (par exemple par télémétrie ou par mesures infrarouges). Pour les applications en série, il est nécessaire d'utiliser des modélisations de la température (par exemple au moyen de modèles Tau, de réseaux neuronaux, etc.). Les modèles Tau nécessitent un long travail de paramétrage pour couvrir toutes les conditions dans lesquelles la machine électrique sera utilisée : puissance électrique, vitesse du moteur (en raison des ventilateurs internes utilisés pour le refroidissement), température du liquide de refroidissement de l'onduleur (en raison des effets de conduction entre l'onduleur et le moteur), température ambiante, flux d'air/direction de l'air autour de la machine. Un réseau neuronal doit également être entraîné dans ces différentes conditions d’utilisation, avec le risque supplémentaire critique de fournir des valeurs imprécises si la machine est utilisée et fonctionne dans une zone qui n'a pas été apprise. Une autre possibilité consiste à utiliser la propriété des machines électriques synchrones à aimants permanents MSAP de générer une FCEM (Force Contre ElectroMotrice) dans certaines conditions. Une telle solution est décrite dans le document CN103888041A, mais la relation non linéaire entre le flux et la température rend nécessaire des mesures sur des échantillons "multiples", à des températures multiples. Ces deux possibilités ne sont valables que pour une configuration donnée et doivent être reparamétrées en cas de modifications de la conception hardware ou de changements de l'environnement de la machine électrique. L’invention propose un procédé d’estimation de la température en fonctionnement du rotor d'une machine électrique synchrone à aimants permanents déterminée, procédé comportant l’étape et les sous-étapes suivantes : - E3) en fonctionnement de ladite machine électrique déterminée, dans une phase d’utilisation au cours de laquelle aucun couple n’est demandé : -- E31) déterminer une tension interne de contrôle et mesurer la vitesse de rotation du rotor ; -- E32) calculer une valeur corrigée de ladite tension interne de contrôle qui est égale au quotient de ladite tension par un facteur de correction traduisant un rapport entre : * une tension induite mesurée en fin de fabrication sur ladite machine électrique déterminée pour une température et une vitesse de rotation du rotor connues, * et une tension induite d’une machine électrique de référence dans les mêmes conditions de température et de vitesse de rotation du rotor ; -- E33) estimer une valeur de la température en fonctionnement du rotor de ladite machine électrique déterminée qui est obtenue en utilisant un modèle, reliant la tension induite de référence, la vitesse de rotation de référence et la température de référence du rotor d’une machine électrique de référence, pour ladite vitesse de rotation mesurée et ladite valeur corrigée de ladite tension interne de contrôle. Selon d’autres caractéristiques du procédé : - il comporte en outre les étapes suivantes : - E0) pour une machine électrique de référence, élaborer un modèle reliant la tension induite de référence, la vitesse de rotation de référence et la température de référence du rotor ; - E1) pour ladite machine électrique déterminée, mesurer en fin de de fabrication et mémoriser une tension induite, une température et une vitesse de rotation, du rotor ; - E2) pour ladite machine électrique déterminée, calculer et mémoriser ledit facteur de correction égal au quotient de ladite tension induite en fin de de fabrication par une valeur estimée de la tension induite de référence qui est obtenue en utilisant ledit modèle pour la vitesse de rotation et ladite température du rotor mesurées en fin de de fabrication ; - dans un repère d’axes d et q lié au rotor, on mesure les courants Id, de phase d, et Iq, de phase q, à partir desquels on détermine ladite tension interne de contrôle ; - ladite tension induite, ladite température et ladite vitesse de rotation du rotor mesurées sont stockées dans une mémoire intégrée à ladite machine électrique déterminée ou à un équipement de cette machine ; - ledit facteur de correction est stocké dans une mémoire intégrée à ladite machine électrique déterminée ou à un équipement de cette machine. ; - la phase d’utilisation au cours de laquelle aucun couple n'est demandé à la machine électrique synchrone à aimants permanents déterminée, est une phase de contrôle du couple à une valeur de consigne égale à zéro Nm. L’invention propose aussi un calculateur caractérisé en ce qu’il comporte au moins une mémoire pour le stockage du facteur de correction et est configuré pour mettre en œuvre une estimation selon le procédé selon l’invention. L’invention propose encore un système générateur électrique de démarrage entraîné par courroie, notamment pour un ensemble motopropulseur d’un véhicule automobile, comportant un moteur électrique synchrone à aimants permanents déterminé comportant un rotor dont, en utilisation, la température est destinée à être estimée selon le procédé selon l’invention, caractérisé en ce qu’il comporte au moins une unité de mémoire pour le stockage de ladite tension induite, ladite température et ladite vitesse de rotation du rotor mesurées, et/ou le stockage du facteur de correction. Description détaillée de l’invention Dans la description qui va suivre, des éléments identiques, similaires ou analogues seront désignés par les mêmes références numériques ou alphanumériques. On appellera machine électrique déterminée M une machine électrique synchrone (ou MSAP – Machine Synchrone à Aimants Permanents) comportant un rotor Rot à aimants permanents dont on souhaite estimer la température « T » en fonctionnement (ou utilisation) lorsqu’elle est alimentée et lorsqu’aucun couple n’est demandé. On appelle « ω » la vitesse ou régime de rotation du rotor Rot de la machine M et « U » sa tension induite (ou « BEMF – Back Electro Magnetic Force » ou « FCEM -Force Contre ElectroMotrice »). La machine électrique M est par exemple un moteur synchrone à aimants permanents qui est un moteur synchrone en courant alternatif (CA), dont la forme d'onde CEM est sinusoïdale et dont l'excitation du champ est fournie par des aimants permanents. La densité de puissance d’un tel moteur MSAP est plus élevée que celle des moteurs à induction avec les mêmes valeurs nominales, car il n'y a pas de puissance du rotor dédiée à la production de champ magnétique. Un tel moteur MSAP peut fournir un couple à vitesse nulle (ω=0), et il nécessite un inverseur contrôlé numériquement pour son fonctionnement. Le contrôle d’un tel moteur MSAP est caractérisé par une rotation fluide dans toute la plage de vitesses du moteur, un contrôle de couple à vitesse nulle et une accélération / décélération rapide. Pour obtenir un tel contrôle, de tels moteurs MSAP utilisent des techniques de commande vectorielle. Les techniques de commande vectorielle sont généralement appelées commandes à champ orienté (« FOC - Field-Oriented Control). L'algorithme de commande vectorielle décompose un courant de stator en une composante génératrice de champ magnétique et une composante génératrice de couple ; les deux composantes pouvant être contrôlées séparément après la décomposition vectorielle. A titre d’exemple non limitatif, un tel moteur MSAP peut appartenir à un dispositif ou système dit « BSG » (Belt-Driven Starter Generator, aussi appelé générateur de démarrage entraîné par courroie) faisant partie intégrante d’un système de propulsion d’un véhicule électrique hybride (HEV) ou d’un véhicule électrique (EV). Un système BSG permet d’assurer des fonctions telles que l'arrêt-démarrage, le fonctionnement en roue libre et l'appoint électrique. Le système BSG peut par exemple consister en un moteur MSAP avec convertisseur et onduleur intégrés. Il peut être refroidi par air ou par liquide. L'une des caractéristiques des machines synchrones à aimants permanents est de générer une tension induite (BEMF) lorsqu'elles tournent sans être contrôlées (mode roue libre, avec tous les « MOSFETS » (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistors ou transistors à effet de champ à structure métal-oxyde-semiconducteur) ouverts). Si le système BSG n'est pas connecté à une batterie d’accumulateurs, cette tension induite (BEMF) peut être mesurée de manière externe (tension AC (Courant alternatif) entre l'onduleur et le moteur, ou tension DC (Courant continu) du côté DC de l'onduleur). Mais en utilisation, à bord d’un véhicule, il n'est pas possible de mesurer la tension induite (BEMF) car l'onduleur est toujours connecté à la batterie. De plus, il n'est généralement pas possible de faire fonctionner l'onduleur en roue libre, qui est considéré comme un état de sécurité. Le moteur électrique est généralement utilisé pour le contrôle du couple. En vue de déterminer la température du rotor Rot, il est apparu possible de remplacer la mesure de la tension induite (BEMF), par une tension interne de contrôle Uq déterminée par exemple à partir de mesures de courants de phases, et de remplacer les périodes en roue libre de la machine électrique par des périodes de commande de couple avec un point de consigne à couple nul. Pour un tel point de consigne, la valeur du courant « i » sur les axes d et q est assimilée à zéro, la tension Uq étant alors proportionnelle au flux psi du rotor Rot, ce flux étant lui-même proportionnel à la température des aimants. La température des aimants permanents correspond à la température du rotor. La tension induite des aimants permanents peut être déterminée à partir d’une tension interne de contrôle en courant alternatif CA. La tension alternative est régulée dans le système de coordonnées « dq », qui est une autre représentation du système triphasé UVW qui sont par exemple les trois lettres utilisées pour représenter les enroulements. Les formules généralement valables pour la tension alternative dans le système de coordonnées dq selon les deux axes orthogonaux d et q liés angulairement au rotor les suivantes : [Formule 1] [Formule 2] [Formule 3] [Formule 4] [Formule 5] Formules dans lesquelles : est l’inductance, est le flux, est la tension, le courant, est le régime En cas d'absence de courant sur les axes d et q, la tension Uq est proportionnelle au flux du rotor, qui est lui-même proportionnel à la température des aimants. Le problème de cette méthode est que la tension n'est pas très sensible à la température et, lorsque l’on prend en compte les écarts unité par unité (machine par machine), on constate que cela introduit une erreur très importante sur la valeur de la température. Par exemple, en comparant la température qui serait estimée à partir d'une machine électrique « nominale » et celle d'une machine « maximale », l’écart de valeurs peut atteindre 30°C pour une température T de 100°C. Le principe d’estimation selon l’invention vise à compenser ces écarts entre les différentes unités ou machines fabriquées en série notamment : - en utilisant la valeur de la tension induite (BEMF) et la valeur de la température et de la vitesse de rotation associée - en fin de ligne de production (eol = End Of Line) et pour chaque unité ou machine fabriquée – qui sont mesurées et sont stockées de manière complète, par exemple dans une mémoire intégrée du système BSG ; - et, pour chaque unité ou machine fabriquée, en élaborant un facteur correctif permettant de prendre en compte l'effet de dispersion dans la fabrication en série des unités ou moteurs électriques. Ainsi l’invention propose un procédé d’estimation de la température en fonctionnement Tfct du rotor d'une machine électrique synchrone à aimants permanents déterminée M, qui se caractérise par une étape E3) comportant une première sous-étape E31) - réalisée en fonctionnement de la machine M lors d’une phase d’utilisation au cours de laquelle aucun couple n’est demandé à la machine M – au cours de laquelle on détermine une tension interne de contrôle Uqfct et on mesure la vitesse de rotation ωfct du rotor. Pour déterminer cette tension interne de contrôle Uqfct, dans le repère d’axes d et q lié au rotor, on mesure les courants Id, de phase « d », et Iq, de phase « q », à partir desquels, grâce par exemple à un logiciel de contrôle du couple de la machine, on obtient la tension interne de contrôle Uqfct. Par exemple, dans le cas où la machine déterminée M est un moteur appartenant à un système BSG faisant partie intégrante d’un système de propulsion d’un véhicule électrique, ou électrique hybride, il s’agit du logiciel de contrôle du couple fourni par le moteur lorsqu’il est alimenté en courant. La phase d’utilisation au cours de laquelle aucun couple n'est demandé à la machine électrique M, est une phase de contrôle du couple à une valeur de consigne Ccons égale à zéro Nm. Sans sortir du cadre de l’invention, cette valeur de consigne Ccons peut être une valeur réduite du couple, proche de zéro Nm, correspondant à une valeur minimale de couple visant à compenser les pertes liées à la résistance au roulement de la machine en rotation, compte tenu du fait que, plus le régime de rotation est élevé, plus ces pertes sont importantes. Au cours d’une deuxième sous-étape E32), on calcule une valeur corrigée Umcor de la tension interne de contrôle Uqfct obtenue à l’issue de la première sous-étape E31) selon la formule : Umcor = Uqfct / Fcor Dans ce quotient, Fcor est un facteur de correction traduisant un rapport entre : - une tension induite Ueol mesurée sur ladite machine M en fin de fabrication, par exemple en fin de ligne de fabrication, pour une température Teol et une vitesse de rotation du rotor ωeol connues, ; - et une valeur estimée Uzéro de la tension induite de référence d’une machine électrique de référence Mref pour les mêmes conditions de Teol température et ωeol de vitesse de rotation du rotor. La valeur estimée Uzéro de la tension induite de référence est par exemple obtenue en utilisant un modèle adapté - reliant la tension induite de référence Uref) la vitesse de rotation de référence ωref et la température de référence Tref du rotor d’une machine électrique de référence Mref - pour la vitesse de rotation ωeol) et ladite température Teol) du rotor mesurées en fin de de fabrication. Au cours d’une troisième sous-étape E33) on réalise l’estimation de la valeur Tfct de la température en fonctionnement du rotor de ladite machine électrique déterminée (M) en utilisant ledit modèle pour ladite vitesse de rotation mesurée ωfct et ladite valeur corrigée Umcor de ladite tension interne de contrôle Uqfct. Ainsi, en fonctionnement, on obtient une valeur estimée Tfct du rotor de la machine électrique. Le modèle mentionné précédemment peut être élaboré, par exemple par modélisation mathématique de la machine de référence Mref ou bien par cartographie, lors d’une étape préalable E0). On élabore ainsi un modèle reliant la tension induite de référence Uref, la vitesse de rotation de référence ωref et la température de référence Tref du rotor. Au cours d’une étape E1) de mesure, pour chaque machine électrique produite ou fabriquée, par exemple en fin de chaîne de fabrication, on mesure sa tension induite Ueol, sa température Teol et sa vitesse ωeol de rotation du rotor Rot. De préférence, on mémorise ces trois valeurs Ueol, Teol et ωeol en les stockant dans une mémoire intégrée à cette machine électrique déterminée ou intégrée à un équipement électronique de cette machine, et par exemple intégrée à un système BSG tel que mentionné précédemment. Au cours d’une étape E2) pour chaque machine électrique produite ou fabriquée, par exemple en fin de chaîne de fabrication, on calcule, puis on mémorise facteur Fcor de correction qui est égal au quotient Ueol / Uzéro de la tension Ueol induite en fin de chaine de fabrication par une valeur estimée Uzéro de la tension induite de référence qui est obtenue - en utilisant le modèle (par exemple élaboré lors de l’étape préalable E0)) - pour la vitesse de rotation ωeol et la température Teol du rotor mesurées en fin de chaîne de fabrication. De même, de préférence, le facteur de correction Fcor est mémorisé en le stockant dans une mémoire intégrée à la machine électrique déterminée ou à un équipement électronique de cette machine, et par exemple intégrée à un système BSG tel que mentionné précédemment. Procédé d’estimation de la température en fonctionnement (Tfct) du rotor d'une machine électrique synchrone à aimants permanents déterminée (M), procédé comportant l’étape et les sous-étapes suivantes : - E3) en fonctionnement de ladite machine électrique déterminée (M), dans une phase d’utilisation au cours de laquelle aucun couple n’est demandé : -- E31) déterminer une tension interne de contrôle (Uqfct) et mesurer la vitesse de rotation (ωfct) du rotor ; -- E32) calculer une valeur corrigée (Umcor) de ladite tension interne de contrôle (Uqfct) qui est égale ((Umcor) = (Uqfct) / Fcor) au quotient de ladite tension (Uqfct) par un facteur de correction (Fcor) traduisant un rapport entre : * une tension induite (Ueol) mesurée en fin de fabrication sur ladite machine électrique déterminée (M) pour une température et une vitesse de rotation du rotor connues, * et une tension induite d’une machine électrique de référence (Mref) dans les mêmes conditions de température et de vitesse de rotation du rotor ; -- E33) estimer une valeur (Tfct) de la température en fonctionnement du rotor de ladite machine électrique déterminée (M) qui est obtenue en utilisant un modèle, reliant la tension induite de référence (Uref), la vitesse de rotation de référence (ωref) et la température de référence (Tref) du rotor d’une machine électrique de référence (Mref), pour ladite vitesse de rotation mesurée (ωfct) et ladite valeur corrigée (Umcor) de ladite tension interne de contrôle (Uqfct). Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu’il comporte en outre les étapes suivantes : - E0) pour une machine électrique de référence (Mref), élaborer un modèle reliant la tension induite de référence (Uref), la vitesse de rotation de référence (ωref) et la température de référence (Tref) du rotor ; - E1) pour ladite machine électrique déterminée (M), mesurer en fin de de fabrication et mémoriser une tension induite (Ueol), une température (Teol) et une vitesse de rotation (ωeol), du rotor ; - E2) pour ladite machine électrique déterminée (M), calculer et mémoriser ledit facteur (Fcor) de correction ((Fcor) = (Ueol) / (Uzéro)) égal au quotient de ladite tension (Ueol) induite en fin de de fabrication par une valeur estimée (Uzéro) de la tension induite de référence qui est obtenue en utilisant ledit modèle pour la vitesse de rotation (ωeol) et ladite température (Teol) du rotor mesurées en fin de de fabrication. Procédé d’estimation selon l’une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que, dans un repère d’axes d et q lié au rotor, on mesure les courants Id, de phase d, et Iq, de phase q, à partir desquels on détermine ladite tension interne de contrôle (Uqfct). Procédé d’estimation selon la revendication 2, caractérisé en ce que ladite tension induite (Ueol), ladite température (Teol) et ladite vitesse de rotation (ωeol) du rotor mesurées sont stockées dans une mémoire intégrée à ladite machine électrique déterminée (M) ou à un équipement de cette machine. Procédé d’estimation selon l’une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que ledit facteur (Fcor) de correction est stocké dans une mémoire intégrée à ladite machine électrique déterminée ou à un équipement de cette machine. Procédé d’estimation selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la phase d’utilisation au cours de laquelle aucun couple n'est demandé à la machine électrique synchrone à aimants permanents déterminée (M), est une phase de contrôle du couple à une valeur de consigne égale à zéro Nm. Calculateur caractérisé en ce qu’il comporte au moins une mémoire pour le stockage dudit facteur de correction (Fcor) et est configuré pour mettre en œuvre une estimation selon le procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes. Système générateur électrique de démarrage entraîné par courroie (BSG) comportant un moteur électrique synchrone à aimants permanents déterminé (M) comportant un rotor dont, en utilisation, la température est destinée à être estimée selon le procédé conforme à l’une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu’il comporte au moins une unité de mémoire pour le stockage de ladite tension induite (Ueol), ladite température (Teol) et ladite vitesse de rotation (ωeol) du rotor mesurées, et/ou le stockage du facteur (Fcor) de correction.