Brevet FR3163613A1 — publié le 20251226

Titre : Ensemble pour véhicule automobile, comportant un système de transmission L’invention a pour objet un ensemble pour véhicule, notamment un véhicule automobile, comportant : un système de transmission à au moins deux vitesses, une machine électrique (20) synchrone à aimants permanents, notamment à 5 paires de pôles, comportant un stator (22) et un rotor (21) pourvu d’aimants permanents (28), couplé au système de transmission à au moins deux vitesses, la machine électrique (20) étant configurée pour fonctionner sur une plage de vitesse nominale et les aimants permanents du rotor sont configurés de sorte que la machine électrique (20) présente, dans la plage de vitesse nominale, un flux magnétique dans l'axe direct D (PhiD) plus grand que le flux magnétique dans l'axe en quadrature Q (PhiQ) d’un facteur d’au moins 1,5, notamment d’un facteur d’au moins 2. Figure pour l’abrégé : Fig. 2 Ensemble pour véhicule automobile, comportant un système de transmission L’invention concerne notamment un ensemble pour véhicule, notamment un véhicule automobile, comportant un système de transmission à au moins deux vitesses. Dans le domaine des véhicules automobiles (véhicules électriques), il est connu d’utiliser des systèmes de transmission à vitesse unique. Ces systèmes de transmission à vitesse unique permettent de transmettre la puissance du moteur électrique aux roues sans nécessité de changement de vitesse. Une difficulté liée à ces systèmes, c’est que ce type de transmission doit assurer une performance optimale à différentes vitesses et conditions de charge. Ceci peut engendrer une forte consommation du véhicule sur les cycles de conduite. L’invention vise notamment à remédier aux problèmes précités. L’invention a ainsi pour objet un ensemble pour véhicule, notamment un véhicule automobile, comportant : un système de transmission à au moins deux vitesses, une machine électrique synchrone à aimants permanents, notamment à 5 paires de pôles, comportant un stator et un rotor pourvu d’aimants permanents, couplé au système de transmission à au moins deux vitesses, la machine électrique étant configurée pour fonctionner sur une plage de vitesse nominale et les aimants permanents du rotor sont configurés de sorte que la machine électrique présente, dans la plage de vitesse nominale, un flux magnétique dans l'axe direct D (PhiD) plus grand que le flux magnétique dans l'axe en quadrature Q (PhiQ) d’un facteur d’au moins 1,5, notamment d’un facteur d’au moins 2. Le système de transmission à au moins deux vitesses permet au système de changer entre deux rapports de vitesse différents, en fonction de la demande de point de fonctionnement. A basses vitesses (par exemple pour un démarrage), une transmission à rapport élevé peut fournir un couple plus important, tandis qu'à hautes vitesses (par exemple pour une conduite à une vitesse de croisière), une transmission à rapport bas peut améliorer l'efficacité énergétique. Lorsque la demande de vitesse augmente, la transmission passe au deuxième rapport de vitesse (rapport bas). Cela permet à la machine de continuer à fonctionner à des vitesses de rotation qui restent dans une plage basse de vitesses. La machine électrique est optimisée pour les faibles vitesses. Autrement dit, ceci permet de déplacer tous les points vers les basses vitesses grâce aux deux rapports de vitesse pour travailler sur une plage de vitesse plus restreinte. Dans ce cas, il n’est plus nécessaire d’optimiser la machine électrique à hautes vitesses, et en particulier, il n’est pas nécessaire de configurer la machine électrique pour avoir un défluxage à hautes vitesses. La machine électrique doit être optimisée seulement à basses vitesses, de préférence sur une plage de vitesse de 0 à 6000 tr/min. Le système de transmission à au moins deux vitesses permet de pouvoir fonctionner sur une plage de vitesse plus restreinte (à basses vitesses). L’invention permet d’obtenir un rendement plus élevé sur cette plage de vitesse plus restreinte. Dans ces conditions, grâce à l’invention, il est possible de prévoir, pour la machine électrique, davantage de paires de pôles, par exemple 5 paires de pôles, au lieu de 4 paires de pôles habituellement utilisées. Ceci permet d’avoir des couples plus élevés. D’une manière générale, l’invention permet l’optimisation d'une machine électrique pour un système de transmission à au moins deux vitesses afin de réduire la consommation du véhicule sur les cycles de conduite par rapport à une transmission à vitesse unique, tout en maintenant des performances équivalentes et en tenant compte de l'optimisation des coûts. Deux rapports dans la boîte de vitesses permettent l'optimisation de la machine électrique pour fonctionner dans une plage de vitesses plus réduite. En plus de réduire la taille de la machine électrique, une efficacité améliorée sur le cycle de conduite entraîne les bénéfices comme une taille de batterie réduite, un coût/masse de la batterie réduit, une autonomie accrue à taille de batterie identique, une moindre empreinte carbone. Dans la présente invention, le système de transmission peut être à deux vitesses, ou en variante, être à un nombre de vitesses supérieur ou égal à 3. Dans tous les cas, les rapports dans la boîte de vitesses permettent l'optimisation de la machine électrique pour fonctionner dans une plage de vitesses plus réduite. Selon l’un des aspects de l’invention, la machine électrique est configurée pour délivrer un couple pouvant atteindre sensiblement 200 ou 300Nm sur la plage de vitesse nominale. Nous avons la relation Tq=k*(PhiD*IQ-PhiQ*ID) dans laquelle Tq est le couple électromagnétique généré par la machine électrique, k est une constante de la machine qui dépend de paramètres physiques et géométriques de la machine, PhiD est le flux magnétique dans l'axe direct D, IQ est la composante du courant dans l'axe en quadrature Q, PhiQ est le flux magnétique dans l'axe en quadrature Q, ID est la composante du courant dans l'axe direct D. Dans la présente invention, on cherche à minimiser le flux magnétique dans l'axe en quadrature Q (PhiQ) et maximiser le flux magnétique dans l'axe direct D (PhiD). On produit du couple principalement avec la composante PhiD (et le courant IQ). Ceci permet d’optimiser le couple (rendement de couple) et l'efficacité selon les conditions de fonctionnement. De préférence, le rotor comprend, pour chaque pôle, des aimants permanents placés dans des logements dans le corps de rotor. Les aimants sont ainsi insérés dans le rotor, et sont aussi appelés aimants enterrés. Cette technologie est dite à aimants permanents à rotor interne (IPM pour Interior Permanent Magnets). De préférence, le rotor comprend, pour chaque pôle, une paire d’aimants permanents principaux disposés avec angle non nul par rapport à un rayon du rotor. Dans chaque pôle, les deux aimants de la paire se rapprochent l’un de l’autre en allant vers le centre du rotor. Les deux aimants permanents principaux de chaque pôle sont ainsi disposés en V, avec la pointe du V tournée vers le centre du rotor. Selon l’un des aspects de l’invention, les deux aimants principaux voisins de deux pôles successifs sont placés dans des logements respectifs du corps de rotor, ces logements étant disposés de sorte à se rapprocher l’un de l’autre en allant vers le pourtour extérieur du rotor. Ces logements sont séparés, à l’emplacement où ils sont le plus proche (à savoir à un emplacement sensiblement plus proche du pourtour extérieur du rotor que du centre du rotor), d’un écartement d qui est non nul. Selon l’un des aspects de l’invention, les deux logements voisins sont symétriques l'un de l'autre par rapport à un plan de symétrie qui contient l'axe de rotation du rotor. Selon l’un des aspects de l’invention, les deux logements voisins présentent, en section transversale, une forme globalement rectangulaire pour recevoir les aimants permanents principaux qui sont de section transversale rectangulaire. Selon l’un des aspects de l’invention, l'écartement d est choisi plus grand ou égal à l'épaisseur d'une tôle d'un paquet de tôles qui forme le corps de rotor. Selon l’un des aspects de l’invention, l'écartement d entre les deux logements voisins est plus petit que l'ouverture angulaire d’une encoche du stator. Selon l’un des aspects de l’invention, l'écartement d est choisi compris entre 0,2 mm et 2 mm, de préférence compris entre 0,25 mm et 0,35 mm. Dans l’invention, on cherche à avoir, au niveau de l'axe en quadrature Q, pour réduire au maximum le flux PhiQ, l’écartement d entre les aimants permanents principaux le plus faible. Selon l’un des aspects de l’invention, les deux logements voisins (respectivement de deux pôles successifs) forment chacun, avec un rayon du rotor, un angle Mag_angle1 compris entre 5° et 80°, étant par exemple compris entre 10° et 45°. De préférence, les deux logements des aimants permanents principaux ne sont pas parallèles entre eux. Selon l’un des aspects de l’invention, chaque logement est espacé d'un entrefer (entre le rotor et le stator) de la machine d'une distance b qui est notamment comprise entre 0,2 mm et 2 mm, de préférence comprise entre 0,25 mm et 0,35 mm. Par exemple, le rotor comporte, pour chacun des pôles, en plus des aimants permanents principaux, au moins une paire d’aimants secondaires. Selon l’un des aspects de l’invention, pour chacun des pôles, les deux aimants permanents secondaires sont disposés entre les deux aimants permanents principaux. Selon l’un des aspects de l’invention, chaque aimant permanent secondaire présente une section transversale rectangulaire. Selon l’un des aspects de l’invention, le grand côté de cette section transversale rectangulaire de l’aimant permanent secondaire fait un angle avec un rayon du rotor, qui est compris entre 0° et 20°. Selon l’un des aspects de l’invention, chaque aimant permanent secondaire est par exemple aligné avec un rayon du rotor. Selon l’un des aspects de l’invention, les deux aimants permanents secondaires sont disposés de manière symétrique par rapport au plan de symétrie des deux aimants permanents principaux. Selon l’un des aspects de l’invention, les aimants permanents principaux présentent une section transversale la plus grande que la section transversale des aimants permanents secondaires. Selon l’un des aspects de l’invention, les aimants permanents secondaires sont disposés tout aussi proches de l’entrefer que les aimants permanents principaux, voire plus proches que les aimants permanents principaux. L’invention concerne encore une machine synchrone à aimants permanents configurée pour former un ensemble tel que précité. D’autres caractéristiques, détails et avantages de l’invention ressortiront plus clairement à la lecture 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 : FIG. 1 La FIG. 1 représente très schématiquement un ensemble selon un exemple de réalisation de l’invention ; FIG. 2 La FIG. 2 est une vue, en coupe transversale, d’une machine électrique de l’ensemble de la FIG. 1 ; FIG. 3 La FIG. 3 est un graphe qui représente les différents niveaux de pertes en fonction de la vitesse de la machine et du couple. Les caractéristiques, variantes et les différentes formes de réalisation de l’invention peuvent être associées les unes avec les autres, selon diverses combinaisons, dans la mesure où elles ne sont pas incompatibles ou exclusives les unes par rapport aux autres. On pourra notamment imaginer des variantes de l’invention ne comprenant qu’une sélection de caractéristiques décrites par la suite de manière isolée des autres caractéristiques décrites, si cette sélection de caractéristiques est suffisante pour conférer un avantage technique et/ou pour différencier l’invention par rapport à l’état de la technique antérieur. On a représenté, sur la FIG. 1 , un ensemble 100 pour véhicule automobile, comportant : un système de transmission 10 à deux vitesses, une machine électrique 20 synchrone à aimants permanents, ici à 5 paires de pôles, comportant un stator 22 et un rotor 21 pourvu d’aimants permanents, couplé au système de transmission 10 à deux vitesses, la machine électrique 20 étant configurée pour fonctionner sur une plage de vitesse nominale de 0 à 6000 tr/min, et les aimants permanents du rotor 21 sont configurés de sorte que la machine électrique 20 présente, dans la plage de vitesse nominale, un flux magnétique dans l'axe direct D (PhiD) plus grand que le flux magnétique dans l'axe en quadrature Q (PhiQ) d’un facteur d’au moins 1,5, notamment d’un facteur d’au moins 2. Dans l’invention, nous avons ainsi : PhiD>1,5PhiQ ou PhiD>2PhiQ. Le système de transmission 10 à deux vitesses permet au système de changer entre deux rapports de vitesse différents, en fonction de la demande de point de fonctionnement. A basses vitesses (par exemple pour un démarrage), une transmission à rapport élevé peut fournir un couple plus important, tandis qu'à hautes vitesses (par exemple pour une conduite à une vitesse de croisière), une transmission à rapport bas peut améliorer l'efficacité énergétique. Lorsque la demande de vitesse augmente, la transmission passe au deuxième rapport de vitesse (rapport bas). Cela permet à la machine de continuer à fonctionner à des vitesses de rotation qui restent dans une plage basse de vitesses. La machine électrique 20 est optimisée pour les faibles vitesses. Autrement dit, ceci permet de déplacer tous les points vers les basses vitesses grâce aux deux rapports de vitesse pour travailler sur une plage de vitesse plus restreinte. Dans ce cas, il n’est plus nécessaire d’optimiser la machine électrique 20 à hautes vitesses, et en particulier, il n’est pas nécessaire de configurer la machine électrique 20 pour avoir un défluxage à hautes vitesses. La machine électrique 20 doit être optimisée seulement à basses vitesses, ici sur la plage de vitesse de 0 à 6000 tr/min. Le système de transmission 10 à deux vitesses permet de pouvoir fonctionner sur une plage de vitesse plus restreinte (à basses vitesses). L’invention permet d’obtenir un rendement plus élevé sur cette plage de vitesse plus restreinte. Dans ces conditions, grâce à l’invention, il est possible de prévoir, pour la machine électrique 20, davantage de paires de pôles, par exemple 5 paires de pôles, au lieu de 4 paires de pôles habituellement utilisées. Ceci permet d’avoir des couples plus élevés. D’une manière générale, l’invention permet l’optimisation d'une machine électrique 20 pour un système de transmission 10 à deux vitesses afin de réduire la consommation du véhicule sur les cycles de conduite par rapport à une transmission à vitesse unique, tout en maintenant des performances équivalentes et en tenant compte de l'optimisation des coûts. Deux rapports dans la boîte de vitesses permettent l'optimisation de la machine électrique 20 pour fonctionner dans une plage de vitesses plus réduite. En plus de réduire la taille de la machine électrique 20, une efficacité améliorée sur le cycle de conduite entraîne les bénéfices comme une taille de batterie réduite, un coût/masse de la batterie réduit, une autonomie accrue à taille de batterie identique, une moindre empreinte carbone. Selon l’un des aspects de l’invention, la machine électrique 20 est configurée pour délivrer un couple pouvant atteindre sensiblement 200 ou 300 Nm sur la plage de vitesse nominale. Nous avons la relation Tq=k*(PhiD*IQ-PhiQ*ID) dans laquelle Tq est le couple électromagnétique généré par la machine électrique 20, k est une constante de la machine qui dépend de paramètres physiques et géométriques de la machine, PhiD est le flux magnétique dans l'axe direct D, IQ est la composante du courant dans l'axe en quadrature Q, PhiQ est le flux magnétique dans l'axe en quadrature Q, ID est la composante du courant dans l'axe direct D. Dans la présente invention, on cherche à minimiser le flux magnétique dans l'axe en quadrature Q (PhiQ) et maximiser le flux magnétique dans l'axe direct D (PhiD). On produit du couple principalement avec la composante PhiD (et le courant IQ). Ceci permet d’optimiser le couple (rendement de couple) et l'efficacité selon les conditions de fonctionnement. Le stator 22 comporte un corps de stator 23 formé par un paquet de tôles, et comprenant des encoches 24 accueillant des épingles conductrices 25 en forme de U (U-pin). A la place de ces épingles, il est possible de prévoir des enroulements de fils continus. Le rotor 21 comprend, pour chaque pôle, une paire d’aimants permanents principaux 28 disposés avec angle non nul par rapport à un rayon du rotor. Dans chaque pôle, les deux aimants de la paire se rapprochent l’un de l’autre en allant vers le centre du rotor. Les deux aimants permanents principaux 28 de chaque pôle sont ainsi disposés en V, avec la pointe du V tournée vers le centre du rotor. Sur la FIG. 2 , on a représenté qu’une moitié de chaque pôle. Le pôle complet est obtenu en ajoutant le symétrique miroir du secteur entre les axes D et Q. Les deux aimants principaux 28 voisins de deux pôles successifs sont placés dans des logements 29 respectifs du corps de rotor 30, ces logements étant disposés de sorte à se rapprocher l’un de l’autre en allant vers le pourtour extérieur du rotor. Ces logements 29 sont séparés, à l’emplacement où ils sont le plus proche (à savoir à un emplacement sensiblement plus proche du pourtour extérieur du rotor que du centre du rotor), d’un écartement d qui est non nul. Les deux logements 29 voisins, et donc les deux aimants principaux 28 voisins, sont symétriques l'un de l'autre par rapport à un plan de symétrie SP qui contient l'axe de rotation du rotor 21. Les deux logements 29 voisins présentent, en section transversale, une forme globalement rectangulaire pour recevoir les aimants permanents principaux 28 qui sont de section transversale rectangulaire. L'écartement d est choisi plus grand ou égal à l'épaisseur d'une tôle d'un paquet de tôles qui forme le corps de rotor 30. L'écartement d entre les deux logements 29 voisins est plus petit que l'ouverture angulaire d’une encoche 24 du stator 22. L'écartement d est choisi compris entre 0,2 mm et 2 mm, de préférence compris entre 0,25 mm et 0,35 mm. Dans l’invention, on cherche à avoir, au niveau de l'axe en quadrature Q, pour réduire au maximum le flux PhiQ, l’écartement d entre les aimants permanents principaux 28 le plus faible. Les deux logements 29 voisins forment chacun, avec un rayon du rotor 21, un angle Mag_angle1 compris entre 5° et 80°, étant par exemple compris entre 10° et 45°. Les deux logements 29 des aimants permanents principaux 28 ne sont pas parallèles entre eux, et ne se touchent pas. Chaque logement 29 est espacé de l’entrefer (entre le rotor 21 et le stator 22) de la machine d'une distance b qui est notamment comprise entre 0,2 mm et 2 mm, de préférence comprise entre 0,25 mm et 0,35 mm. Le rotor 21 comporte, pour chacun des pôles, en plus des aimants permanents principaux 28, une paire d’aimants permanents secondaires 32. Pour chacun des pôles, les deux aimants permanents secondaires 32 sont disposés entre les deux aimants permanents principaux 28. Chaque aimant permanent secondaire 32 présente une section transversale rectangulaire. Le grand côté de cette section transversale rectangulaire de l’aimant permanent secondaire 32 fait un angle avec un rayon du rotor 21, qui est compris entre 0° et 20°. Chaque aimant permanent secondaire 32 est par exemple aligné avec un rayon du rotor 21. Les deux aimants permanents secondaires 32 sont disposés de manière symétrique par rapport au plan de symétrie PS des deux aimants permanents principaux 28. Les aimants permanents principaux 28 présentent une section transversale la plus grande que la section transversale des aimants permanents secondaires 32. Les aimants permanents secondaires 32 sont disposés tout aussi proches de l’entrefer que les aimants permanents principaux 28, voire plus proches que les aimants permanents principaux 28. Sur la FIG. 3 , on voit les différents niveaux de pertes pour un groupe motopropulseur (incluant en particulier la machine électrique, l’onduleur et le système de transmission). La réduction des pertes d'énergie permet d’améliorer l'efficacité du système. L’axe des abscisses correspond à la vitesse de la machine électrique 20 et l’axe des ordonnées correspond au couple. Sur le graphe de la FIG. 3 , on voit que les points de fonctionnement du système sont dans une plage de vitesses qui est réduite, ici entre 0 et 5000 tours/min (rpm), avec des pertes plus faibles. Il est ainsi possible d'augmenter par exemple le nombre de paires de pôles, car il n'y a plus de problématique de défluxage à hautes vitesses (puisque l’on évite ces hautes vitesses). Exemple d'Application : Premier rapport r1 = 10.5 : 1 . Ce rapport est utilisé pour des situations nécessitant un couple important, comme l'accélération initiale ou la conduite en montée. Deuxième rapport r2 = 4.7727 : 1 . Ce rapport est utilisé pour une conduite à des vitesses plus élevées, où le moteur peut tourner à un régime plus bas, économisant ainsi de l'énergie. Ensemble (100) pour véhicule, notamment un véhicule automobile, comportant : un système de transmission (10) à au moins deux vitesses, une machine électrique (20) synchrone à aimants permanents, notamment à 5 paires de pôles, comportant un stator (22) et un rotor (21) pourvu d’aimants permanents (28), couplé au système de transmission (10) à au moins deux vitesses, la machine électrique (20) étant configurée pour fonctionner sur une plage de vitesse nominale et les aimants permanents du rotor sont configurés de sorte que la machine électrique (20) présente, dans la plage de vitesse nominale, un flux magnétique dans l'axe direct D (PhiD) plus grand que le flux magnétique dans l'axe en quadrature Q (PhiQ) d’un facteur d’au moins 1,5, notamment d’un facteur d’au moins 2. Ensemble (100) selon la revendication précédente, dans lequel le rotor (21) comprend, pour chaque pôle, une paire d’aimants permanents principaux (28) disposés avec angle non nul par rapport à un rayon du rotor. Ensemble (100) selon la revendication précédente, dans lequel les deux aimants principaux (28) voisins de deux pôles successifs sont placés dans des logements (29) respectifs du corps de rotor, ces logements (29) étant disposés de sorte à se rapprocher l’un de l’autre en allant vers le pourtour extérieur du rotor, et ces logements sont séparés, à l’emplacement où ils sont le plus proche, d’un écartement (d) qui est non nul. Ensemble (100) selon la revendication précédente, dans lequel l'écartement (d) est choisi plus grand ou égal à l'épaisseur d'une tôle d'un paquet de tôles qui forme le corps de rotor. Ensemble (100) selon la revendication 3 ou 4, dans lequel l'écartement (d) entre les deux logements (29) voisins est plus petit que l'ouverture angulaire d’une encoche du stator, et notamment l'écartement (d) est choisi compris entre 0,2 mm et 2 mm, de préférence compris entre 0,25 mm et 0,35 mm. Ensemble (100) selon l’une des revendications 3 à 5, dans lequel les deux logements (29) voisins sont symétriques l'un de l'autre par rapport à un plan de symétrie qui contient l'axe de rotation du rotor, et notamment les deux logements (29) voisins présentent, en section transversale, une forme globalement rectangulaire pour recevoir les d’aimants permanents principaux (28) qui sont de section transversale rectangulaire. Ensemble (100) selon la revendication précédente, dans lequel les deux logements (29) voisins forment chacun, avec un rayon du rotor, un angle Mag_angle1 compris entre 5° et 80°, étant par exemple compris entre 10° et 45°. Ensemble (100) selon l’une des revendications 3 à 7, dans lequel chaque logement est espacé d'un entrefer (entre le rotor et le stator) de la machine d'une distance (b) qui est notamment comprise entre 0,2 mm et 2 mm, de préférence comprise entre 0,25 mm et 0,35 mm. Ensemble (100) selon l’une des revendications 2 à 7, dans lequel le rotor comporte, pour chacun des pôles, en plus des d’aimants permanents principaux (28), au moins une paire d’aimants permanents secondaires (32), et notamment, pour chacun des pôles, les deux aimants permanents secondaires (32) sont disposés entre les deux d’aimants permanents principaux (28). Ensemble (100) selon la revendication précédente, dans lequel le grand côté de la section transversale rectangulaire de l’aimant permanent secondaire (32) fait un angle avec un rayon du rotor, qui est compris entre 0° et 20°. Ensemble (100) selon la revendication 9 ou 10, dans lequel les d’aimants permanents principaux (28) présentent une section transversale la plus grande que la section transversale des aimants permanents secondaires (32). Machine synchrone à aimants permanents configurée pour former un ensemble (100) selon l’une des revendications précédentes, notamment à 5 paires de pôles.