FR3142847A1 - Système de motorisation de roue de véhicule - Google Patents

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Abstract

Système de motorisation de roue de véhicule La présente invention concerne un système de motorisation (1) de roue de véhicule comportant : - un stator bobiné (3), destiné à être monté solidairement à un arbre creux recevant un arbre (20) de roue, - une jante de roue (2) destinée à être fixée à l’arbre (20) de roue, - un rotor (4) solidarisé à la jante de roue (2), le rotor (4) entourant radialement le stator bobiné (3), le système de motorisation (1) étant caractérisé en ce que le rotor (4) est un rotor bobiné et en ce que le système de motorisation (1) comporte un circuit d’alimentation (70) électrique du rotor bobiné (4), le circuit d’alimentation (70) comportant au moins une connexion électrique par couplage capacitif destinée à relier au moins une source de tension (7) à au moins un bobinage (42) du rotor bobiné (4). (figure 1)

Description

Système de motorisation de roue de véhicule
La présente invention se rapporte aux domaines de l’automobile et de l’électrotechnique, et concerne plus précisément un système de motorisation de roue de véhicule.
Les véhicules électriques ou hybrides électriques comportent une ou plusieurs machines électriques permettant la traction ou la propulsion du véhicule. Lorsqu’un tel véhicule utilise une machine électrique dont le couple est transmis aux roues du véhicule via une chaîne de transmission, il est avantageux que la machine électrique soit à rotor bobiné, puisque cela évite l’utilisation d’aimants permanents utilisant des terres rares, coûteuses et de disponibilité réduite.
En revanche, lorsqu’un tel véhicule intègre des machines électriques de traction ou de propulsion directement dans des roues du véhicule, ce qui implique des machines à rotors extérieurs à leurs stators, il est fréquent que les rotors de ces machines électriques soient à aimants permanents. En effet, une machine électrique à rotor bobiné utilise un système de bagues et de balais pour alimenter électriquement le rotor bobiné, et ce système de bagues et de balais est incompatible avec un rotor extérieur du fait de la trop grande vitesse relative qu’un tel rotor extérieur induirait entre les bagues et les balais, vitesse qui entrainerait une usure prématurée des balais. De plus ce système de bagues et de balais présente un encombrement axial, c’est-à-dire dans la direction de l’axe de rotation de la machine, qui est incompatible avec l’espace disponible au niveau des roues du véhicule. Enfin un tel système est incompatible avec les conditions environnementales dans lesquelles évoluent les roues du véhicule, notamment du fait des poussières et des vibrations qui entraîneraient des pannes ou un mauvais fonctionnement du système.
Cependant les machines à aimants permanents dans les roues du véhicule restent coûteuses et génèrent un flux de traînée lorsqu’elles ne sont pas utilisées pour la traction ou la propulsion du véhicule, qui affecte le rendement du système de motorisation du véhicule lorsque celui-ci roule à haute vitesse. Pour éviter ce flux de traînée, il faudrait désengager mécaniquement les rotors à aimants permanents de leurs machines électriques, mais cela nécessiterait un mécanisme de désengagement qui prendrait trop de place sur l’axe des roues comportant ces machines électriques. L’utilisation d’une machine à rotor bobiné dans une roue de véhicule éviterait ces pertes à vide mais son système de bagues et de balais présente trop d’inconvénients.
Il existe donc un besoin d’une machine électrique de traction ou de propulsion intégrable dans une roue de véhicule, qui ne présente pas les inconvénients de l’art antérieur.
La présente invention remédie au moins en partie aux inconvénients de l’art antérieur, en fournissant un système de motorisation de roue comportant une machine à rotor bobiné présentant un bon rendement, un faible encombrement axial et une indépendance au marché des terres rares.
A cette fin, l’invention propose un système de motorisation de roue de véhicule comportant :
- un stator bobiné, destiné à être monté solidairement à un arbre creux recevant un arbre de roue,
- une jante de roue destinée à être fixée à l’arbre de roue,
- un rotor solidarisé à la jante de roue, le rotor entourant angulairement le stator bobiné,
le système de motorisation étant caractérisé en ce que le rotor est un rotor bobiné et en ce que le système de motorisation comporte un circuit d’alimentation électrique du rotor bobiné, le circuit d’alimentation comportant au moins une connexion électrique par couplage capacitif destinée à relier au moins une source de tension à au moins un bobinage du rotor bobiné. La direction angulaire est définie comme orthogonale à l’axe de rotation de la roue et au rayon de la roue.
Grâce au couplage capacitif permettant de connecter électriquement le rotor bobiné à la source de tension, l’utilisation d’un système de bagues et de balais pour alimenter le rotor bobiné n’est plus nécessaire, ce qui permet d’utiliser le rotor bobiné dans la roue d’un véhicule, sans tous les inconvénients du système de bagues et de balais. Notamment ce couplage capacitif est réalisable avec peu d’encombrement axial, tout en restant robuste aux poussières et aux vibrations. Le système de motorisation selon l’invention intègre donc une machine électrique formée du rotor bobiné et du stator bobiné, peu encombrante selon la direction axiale de la machine électrique, et ne présentant pas de pertes à vide à haute vitesse de roulage.
Dans un mode de réalisation de l’invention, le système de motorisation de roue selon l’invention comporte :
- un support destiné à être solidaire de l’arbre creux, le support comportant une paroi cylindrique, et
- une enceinte cylindrique solidaire de la jante de roue, entourant la paroi cylindrique au moins en partie,
ladite au moins une connexion comportant au moins une capacité (C1, C2) comportant une piste cylindrique externe conductrice disposée sur un contour interne de l’enceinte cylindrique, et une piste cylindrique interne conductrice disposée sur un contour externe de la paroi cylindrique, la piste cylindrique externe de ladite au moins une capacité étant disposée radialement en face de la piste cylindrique interne de ladite au moins une capacité. Avantageusement, ladite au moins une capacité comprend une première capacité et une deuxième capacité.
Le rotor bobiné est par exemple fixé sur l’enceinte cylindrique et fait face radialement au stator bobiné qui est de préférence fixé au support, sur une portion cylindrique du support de plus petit diamètre que la paroi cylindrique sur laquelle sont agencées les pistes cylindriques internes.
Dans un mode de réalisation de l’invention, le diamètre de la piste cylindrique interne est supérieur à 235 millimètres. Les pistes cylindriques internes des première et deuxième capacité ont donc un diamètre, mesuré orthogonalement à l’axe de rotation du rotor bobiné, entre deux surfaces internes opposées des pistes cylindriques internes, supérieur à 235 millimètres. Cette valeur est choisie de sorte à permettre une transmission de puissance suffisante au rotor bobiné, autorisant la traction ou la propulsion du véhicule, tout en limitant l’encombrement radial.
De préférence, la distance entre la piste cylindrique interne et la piste cylindrique externe de ladite au moins une capacité est d’un millimètre à plus ou moins vingt pour cent près. Cette distance est mesurée entre deux surfaces internes se faisant face des pistes cylindriques internes et externes, selon une direction radiale c’est-à-dire orthogonale à l’axe de révolution du rotor bobiné, et passant par cet axe. Cette valeur de distance permet une robustesse aux vibrations et aux poussières tout présentant un faible encombrement axial, pour une même puissance de transfert de comparaison au rotor bobiné.
De préférence encore, la largeur de la piste cylindrique interne ou externe est comprise entre 25 et 35 millimètres. Cette largeur se mesure dans la direction axiale du rotor c’est-à-dire parallèlement à l’axe de rotation de la roue. Une telle valeur de largeur permet également de limiter l’encombrement axial du système de motorisation de roue, tout en permettant de transférer une puissance d’alimentation suffisante au rotor bobiné.
Dans un mode de réalisation de l’invention, le circuit d’alimentation comporte en outre un pont de transistors, un circuit résonant et un pont redresseur, le pont de transistors étant configuré pour être connecté en entrée à la source de tension, et étant connecté en sortie au circuit résonant, le circuit résonant comportant au moins une inductance de résonance, la première capacité et la deuxième capacité, et le pont redresseur étant connecté en entrée au circuit résonant et en sortie au bobinage du rotor bobiné. Le circuit résonant comporte par exemple deux inductances de résonance, et deux ou plus de deux capacités de résonance comprenant la première capacité et la deuxième capacité.
Avantageusement, le système de motorisation de roue selon l’invention comporte des moyens de commande d’un courant rotorique, les moyens de commande étant aptes à faire varier la fréquence de pilotage du pont de transistors en mode de commutation à zéro de tension. Ces moyens de commande permettent de transférer un courant d’alimentation au rotor bobiné de façon à produire le couple demandé par un conducteur du véhicule, tout en minimisant les pertes électriques au stator.
De préférence, les moyens de commande comportent des moyens de correction d’un courant de consigne du rotor bobiné, les moyens de correction comportant des moyens d’estimation du courant rotorique. Ces moyens de correction permettent d’atteindre le couple demandé avec plus de précision.
Les moyens d’estimation du courant rotorique comportent par exemple des moyens de mesure d’un déphasage entre un courant statorique et une tension statorique. La mesure de ce déphasage permet d’estimer le courant rotorique sans le mesurer.
Alternativement à cette estimation du courant rotorique par une mesure de déphasage, le système de motorisation de roue selon l’invention comporte des moyens de mesure du courant rotorique dans une partie tournante du circuit d’alimentation, le système de motorisation comportant des moyens d’envoi d’une valeur mesurée du courant rotorique par les moyens de mesure, aux moyens de commande, les moyens de commande comportant des moyens de réception de la valeur mesurée du courant rotorique. Ces moyens de mesure permettent d’avoir une estimation exacte du courant dans le rotor bobiné, fournie en entrée aux moyens de correction, ce qui permet d’atteindre le couple demandé avec précision.
Avantageusement, le système de motorisation de roue selon l’invention comporte la source de tension, un onduleur, et la source de tension est connectée en parallèle aux entrées de l’onduleur d’une part, et aux entrées du circuit d’alimentation d’autre part. L’onduleur est connecté en sortie au stator bobiné. Ainsi une seule source de tension est utilisée pour alimenter à la fois le rotor bobiné et le stator bobiné.
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 schématiquement en coupe axiale, un système de motorisation de roue de véhicule selon l’invention, dans un mode de réalisation de l’invention, la direction axiale étant définie par l’axe de rotation de la roue,
représente un circuit d’alimentation d’un rotor bobiné du système de motorisation de roue de la ,
représente des moyens de commande du courant rotorique circulant dans le rotor bobiné du système de motorisation de la , et
] représente des étapes d’un procédé d’estimation d’un courant rotorique circulant dans le rotor bobiné du système de motorisation de la .
Selon un mode de réalisation de l’invention, un système de motorisation de roue 1 de véhicule selon l’invention représenté , comporte une partie fixe (c’est-à-dire non tournante), qui comprend notamment un stator bobiné 3, solidaire d’un arbre creux d’un véhicule sur lequel est monté le système de motorisation de roue 1 selon l’invention. L’arbre creux est fixé au châssis du véhicule et permet le passage d’un arbre de roue 20. Plus précisément le stator bobiné 3 est fixé sur un support 5 solidaire avec l’arbre creux.
Le système de motorisation de roue 1 comporte également une partie tournante, qui comprend notamment un rotor bobiné 4, solidarisée à une jante de roue 2 par l’intermédiaire d’une pièce intermédiaire cylindrique 6, par exemple un tambour de frein. Sur la pour simplifier cette pièce intermédiaire est représentée sous la forme d’une enceinte cylindrique 6 et nommée ainsi dans la suite de la description. L’enceinte cylindrique 6 est fixée solidairement à la jante de roue 2, et à l’arbre de roue 20 par l’intermédiaire de vis 26 (fixées directement sur la jante de roue 2 ou sur une paroi non représentée de l’enceinte cylindrique 6). Lorsque le rotor bobiné 4 et le stator bobiné 3 sont alimentés, l’arbre de roue 20 tourne sur lui-même autour d’un axe X définissant une direction axiale. L’arbre de roue 20 est monté en rotation dans le support 5 sur lequel est fixé le stator, par l’intermédiaire de roulements 22.
Le rotor bobiné 4 comporte de manière connue des dents en acier magnétique, par exemple reliées les unes aux autres par une culasse en acier magnétique. Cette culasse, réalisée par exemple par empilement de tôles en acier magnétique, est fixée par exemple par collage ou vissée sur un pourtour interne de l’enceinte cylindrique 6. Ce pourtour interne est situé sur une portion de l’enceinte cylindrique 6 qui est axialement proximale à l’extérieur du véhicule, c’est-à-dire axialement située près des vis 26. En variante de réalisation, ce pourtour interne est situé sur une portion plus proche du centre du véhicule, le rotor bobiné étant toujours agencé axialement au même niveau que le stator bobiné.
Les dents du rotor bobiné 4 sont chacune entourées d’un bobinage 42 de fil de cuivre. Le rotor bobiné 4 entoure angulairement, c’est-à-dire dans une direction orthogonale à la direction axiale et à un rayon de la roue, le stator bobiné 3. Autrement dit les dents du rotor bobiné 4 s’étendent radialement, du côté opposé à l’enceinte cylindrique 6, en direction d’un entrefer entre le rotor bobiné 4 et le stator bobiné 3.
Le stator bobiné 3 comporte également de manière connue des dents en acier magnétique, par exemple reliées les unes aux autres par une culasse en acier magnétique. Les dents du stator sont chacune entourées d’un bobinage 32 en fil de cuivre. La culasse du stator, réalisée par exemple par empilement de tôles en acier magnétique, est fixée par exemple par collage ou vissée sur un pourtour externe du support 5. Ce pourtour externe est situé sur une portion du support 5 qui est axialement proximale à l’extérieur du véhicule, c’est-à-dire axialement située près des vis 26, de sorte à se trouver radialement face au rotor bobiné 4.
Plus précisément, dans ce mode de réalisation de l’invention, le support 5 comporte une paroi cylindrique 52 axialement distale à l’extérieur du véhicule et prolongée axialement vers l’extérieur du véhicule par une portion cylindrique 56 du support 5, de plus petit rayon que la paroi cylindrique 52, cette portion cylindrique 56 étant axialement proximale à l’extérieur du véhicule. Le pourtour externe sur lequel est fixé le stator bobiné 5 est donc situé sur cette portion cylindrique 56 du support 5. La portion cylindrique 56 est reliée à la paroi cylindrique 52 par un épaulement 54 définissant une couronne annulaire orthogonale à la paroi cylindrique 52. En variante, la culasse du stator bobiné 3 est fixée par des vis à cet épaulement 54.
Dans ce mode de réalisation de l’invention, le rotor bobiné 4 et le stator bobiné 3 sont alimentés en parallèle par une source de tension 7, ici une batterie électrique haute tension du véhicule, c’est-à-dire destinée à fournir l’énergie nécessaire à la traction ou à la propulsion du véhicule. La source de tension 7 est dans cet exemple de réalisation une batterie Lithium Ion de 400V (Volts) mais en variante d’autres sources de tension sont utilisables, par exemple une batterie 48V d’une tension dans le gabarit plus sécuritaire de la très basse tension.
La source de tension 7 est connectée à ses bornes à un circuit d’alimentation 70 du rotor bobiné 4, représenté .
Le circuit d’alimentation 70, connecté à la source de tension 7 de tension Vb, comporte un pont de transistors 8, un circuit résonant 9, un pont redresseur 10 et les bobinages 42 du rotor bobiné, chacun connecté en parallèle à un sortie du pont redresseur 10, l’ensemble des bobinages 42 étant traversé par un courant rotorique Ir.
Le pont de transistors 8 est connecté en entrée à la source de tension 7 et en sortie à un circuit résonant 9. Le pont de transistors 8 comporte un premier transistor T1 et un deuxième transistor T2 dont les drains sont connectés à une borne positive de la source de tension 7. La source du premier transistor T1 est connectée au drain d’un troisième transistor T3 du pont de transistors 8, la source du troisième transistor T3 étant connectée à une borne négative de la source de tension 7. De même la source du deuxième transistor T2 est connectée au drain d’un quatrième transistor T4 du pont de transistors 8, la source du quatrième transistor T4 étant connectée à la borne négative de la source de tension 7.
Les transistors T1 à T4 du pont de transistors 8 sont par exemple des composants HEMT (d’après l’anglais « High Electron Mobility Transistor ») en GaN (Nitrure de Galium) sur substrat silicium ayant typiquement une tension de blocage de 650V. Bien sûr la tension de commande des transistors peut être différente de celle de la , dans ce cas le rôle des sources et drains des transistors T1 à T4 est inversé.
La source du premier transistor T1 est également connectée à une première borne B1 d’une première branche du circuit résonant 9, cette première branche comportant une première inductance L1 d’environ 16 µH (microHenry) connectée en série avec une première capacité C1 d’environ 400 pF (picoFarad). Une deuxième borne B3 de la première branche du circuit résonant 9 est connectée à une première entrée d’un pont redresseur 10 détaillé plus loin.
De même la source du deuxième transistor T2 est également connectée à une première borne B2 d’une deuxième branche du circuit résonant 9, cette deuxième branche comportant une deuxième inductance L2 connectée en série avec une deuxième capacité C2, la deuxième inductance L2 étant de préférence de même valeur que la première inductance L1 et la deuxième capacité C2 étant de préférence de même valeur que la première capacité C1. Une deuxième borne B4 de la deuxième branche du circuit résonant 9 est connectée à une deuxième entrée du pont redresseur 10.
Le pont redresseur 10 comporte une première diode D1 dont l’anode est connectée à la première entrée du pont redresseur 10 et dont la cathode est connectée à une première extrémité d’au moins un bobinage 42 du rotor bobiné 4. De même le pont redresseur 10 comporte une deuxième diode D2 dont l’anode est connectée à la deuxième entrée du pont redresseur 10 et dont la cathode est connectée à la première extrémité dudit au moins un bobinage 42 du rotor bobiné 4.
L’anode de la première diode D1 est également connectée à la cathode d’une troisième diode D3 dont l’anode est connectée à une deuxième extrémité dudit au moins un bobinage 42 du rotor bobiné 4. De même l’anode de la deuxième diode D2 est également connectée à la cathode d’une quatrième diode D4 dont l’anode est connectée à la deuxième extrémité dudit au moins un bobinage 42 du rotor bobiné 4.
Une capacité C de lissage est connectée en parallèle dudit au moins un bobinage 42 du rotor bobiné 4, c’est-à-dire à la cathode de la deuxième diode D2 et à l’anode de la quatrième diode D4.
Selon l’invention, dans ce circuit d’alimentation 70, la connexion électrique entre la source de tension 7 et les bobinages 42 du rotor bobiné 4 se fait par couplage capacitif.
Plus précisément, dans ce mode de réalisation de l’invention, ce couplage capacitif s’effectue d’une part entre une première électrode 11 de la première capacité C1 et une deuxième électrode 12 de cette première capacité C1, et d’autre part entre une première électrode 13 de la deuxième capacité C2 et une deuxième électrode 14 de cette deuxième capacité C2.
En effet, le circuit d’alimentation 70 comporte une partie fixe 72 fixée par exemple au support 5 solidaire de l’arbre creux du véhicule, et une partie tournante 74 fixée à l’enceinte cylindrique 6 ou à la jante de roue 2. La partie fixe 72 comporte au moins le pont de transistors 8, les première et deuxième inductances L1 et L2 ainsi que les premières électrodes 11 et 13 des première et deuxième capacités C1 et C2. La partie tournante 74 comporte au moins les deuxièmes électrodes 12 et 14 des première et deuxième capacités C1 et C2, ainsi que le pont redresseur 10 et les bobinages 42 du rotor bobiné 4.
Le pont de transistors 8 est commuté à une fréquence permettant de produire au niveau du circuit résonant 9, un courant quasi-sinusoïdal, transformé par le pont redresseur 10 en courant continu pour alimenter le rotor bobiné 4 en courant continu. L’exploitation de la résonance créée par le circuit résonant 9, en commutant les transistors T1 à T4 à une fréquence proche de la fréquence de résonance, permet un transfert de puissance électrique satisfaisant entre les premières électrodes 11 et 13 et les deuxièmes électrodes 12 et 14 des première et deuxième capacités C1 et C2. La commutation des transistors T1 à T4 se fait de préférence en mode de commutation à zéro de tension pour limiter les pertes électriques lors de la commutation. En général, les capacités parasites en drain et sources inhérentes au transistor suffisent à assurer la commutation ZVS.
Les premières et deuxièmes capacités C1 et C2 sont donc dimensionnées pour permettre un transfert d’énergie suffisant pour alimenter le rotor bobiné 4. Pour cela les électrodes des premières et deuxièmes capacités C1 et C2 prennent la forme de pistes cylindriques en cuivre de diamètre conséquent, d’axe de révolution parallèle à l’axe de rotation X de la roue et pouvant être facilement intégrées dans la roue du véhicule. Bien sûr en variante d’autres matériaux que le cuivre sont utilisables pour ces électrodes, par exemple de l’aluminium.
Plus précisément, comme visible , les premières électrodes 11 et 13 des première et deuxième capacités C1 et C2 prennent la forme de pistes cylindriques à distance axialement l’une de l’autre et encerclant axialement sur leur largeur l la paroi cylindrique 52. Les premières électrodes 11 et 13 des première et deuxième capacités C1 et C2 sont fixées à la paroi cylindrique 52 de manière à faire chacune face radialement respectivement aux deuxièmes électrodes 12 et 14 des première et deuxième capacités C1 et C2, ces deuxièmes électrodes 12 et 14 prenant la forme de pistes cylindriques externes radialement par rapport aux pistes cylindriques des premières électrodes, dites de ce fait pistes cylindriques internes. Les pistes cylindriques externes 12 et 14 sont fixées à distance axialement l’une de l’autre sur un contour interne d’une portion de l’enceinte cylindrique 6 qui est axialement distale à l’extérieur du véhicule. Les pistes cylindriques externes 12 et 14 c’est-à-dire les deuxièmes électrodes 12 et 14 font face sur toute leur largeur l, c’est-à-dire dans leur dimension axiale, respectivement aux pistes cylindriques internes 11 et 13.
Dans ce mode de réalisation de l’invention, les pistes cylindriques internes formant les premières électrodes 11 et 13 ont chacune une largeur l de 30 millimètres environ, c’est-à-dire avec une tolérance de 1%, mesurée axialement donc parallèlement à l’axe de rotation de la roue du véhicule. En variante cette largeur l est par exemple comprise entre 10 et 40 millimètres, en fonction notamment des dimensions de la roue et de la puissance transférée à travers les capacités C1 et C2.
De plus, dans ce mode de réalisation de l’invention, les pistes cylindriques internes formant les deuxièmes électrodes 11 et 13 ont chacune un diamètre D, mesuré radialement entre deux surfaces d’un contour interne de chaque deuxième électrode, de 240 millimètres environ. En variante ce diamètre D est par exemple comprise entre 200 et 300 millimètres, en fonction notamment des dimensions de la roue et de la puissance transférée à travers les capacités C1 et C2.
De plus, dans ce mode de réalisation de l’invention, la distance d dans la direction radiale entre les première et deuxième électrodes 11 et 12 de la première capacité C1 est d’un millimètre environ. De même la distance d dans la direction radiale entre les première et deuxième électrodes 13 et 14 de la deuxième capacité C2 est d’un millimètre environ. Cette distance d permet au système de motorisation 1 d’être robuste aux chocs lors du roulage du véhicule, en étant suffisamment importante, et de ne pas nécessiter une largeur trop importante des pistes cylindriques formant les électrodes, à puissance d’utilisation égale, en restant suffisamment faible. En effet les dimensions axiales et radiales des pistes cylindriques formant les électrodes des première et deuxième capacités C1 et C2 sont choisies de façon que C1 et C2 soient de valeur suffisamment importante pour permettre un transfert de puissance entre la source de tension 7 et le rotor bobiné 4, qui soit suffisamment important pour permettre la propulsion du véhicule. Ces capacités ont en même temps un encombrement permettant l’intégration du rotor bobiné 4, du stator bobiné 3 et du circuit d’alimentation 70 dans la roue du véhicule.
De préférence, le système de motorisation 1 comporte également la source de tension 7 et un onduleur 30 configuré pour alimenter le stator bobiné 3 en courant triphasé, ou plus généralement polyphasé. La source de tension 7 est connectée en parallèle aux entrées de l’onduleur 30 et aux entrées du pont de transistors 8. L’onduleur 30 ainsi que la partie fixe 72 du circuit d’alimentation 70, à l’exception des premières électrodes 11 et 13 des première et deuxième capacités C1 et C2, sont intégrés dans la roue du véhicule en étant fixés contre l’épaulement 54 du support 5, à l’opposé du stator bobiné 3.
Les connexions des première et deuxièmes inductances L1 et L2 aux électrodes respectives 11 et 13 des première et deuxième capacités C1 et C2 se font au travers de perçages dans la paroi cylindrique 52 du support 5.
Les connexions respectives 66, 68 des deuxièmes électrodes 12,14 au pont redresseur 10 et les connexions 62, 64 du pont redresseur 10 aux bobinages 42 du rotor bobiné 4 se font par exemple au moyen de rainures s’étendant axialement sur une surface interne de l’enceinte cylindrique 6. Ces rainures permettent notamment de faire passer des conducteurs radialement entre les deuxièmes électrodes 12 et 14 et la surface interne de l’enceinte cylindrique 6, ces conducteurs étant entourés d’une isolation électrique. En variante les capacités C1 et C2 sont des pistes cylindriques non complètement refermées sur elles-mêmes, une ouverture dans ces pistes permettant le passage de conducteurs.
Les connexions du pont redresseur 10 aux bobinages 42 du rotor bobiné 4 se font de préférence par l’intermédiaire de deux bagues 16 et 18 disposées dans leur plus grande dimension orthogonalement à l’axe de rotation X, et agencées sur un contour interne de la paroi cylindrique 6 à proximité des bobinages 42 du rotor bobiné 4. Une première extrémité de chaque bobinage 42 est reliée à la bague 16 amenant le courant dans les bobinages 42, et une deuxième extrémité de chaque bobinage 42 est reliée à la bague 18 de sortie du courant des bobinages 42.
De façon similaire, les connexions de l’onduleur 30 aux bobinages 32 du stator bobiné 3 se font par l’intermédiaire de bus circulaires U, V, W chacun dédié à une phase d’alimentation du rotor bobiné. Ces bus circulaires sont disposés dans leur plus grande dimension orthogonalement à l’axe de rotation X et sont par exemple fixés à l’épaulement 54 du support 5 du côté des bobinages 32 du stator bobiné 3. Une première extrémité de chaque bobinage 32 du stator bobiné 3 est par exemple reliée à un bus circulaire U, V ou W, et une deuxième extrémité de chaque bobinage 32 du stator bobiné 3 est reliée à un bus circulaire N de neutre, lorsque les bobinages statoriques sont connectés en étoile. Le bus circulaire N de neutre est également disposé dans sa plus grande dimension orthogonalement à l’axe de rotation X et fixé à l’épaulement 54 du support 5 du côté des bobinages 32 du stator bobiné 3. Les connexions entre les phases de sorties de l’onduleur 30 et les bus circulaires correspondants U, V, W passent au travers de perçage dans l’épaulement 54 du support 5.
Afin de protéger les parties actives du moteur électrique comportant le rotor bobiné 4 et le stator bobiné 3, des poussières venant du dessous du véhicule, un joint à lèvre 24 annulaire assure l’étanchéité de l’espace laissé libre entre le support 5 et l’enceinte cylindrique 6. Ce joint à lèvre 24 est fixé à une extrémité de l’enceinte cylindrique 6, distale par rapport à l’extérieur du véhicule, ce joint à lèvres s’étendant radialement jusqu’à la paroi cylindrique 52.
Enfin, le système de motorisation 1 selon l’invention comporte des moyens de commande 100 de l’onduleur 30 et du circuit d’alimentation 70, situés par exemple dans un module électronique du véhicule. Les moyens de commande 100 reçoivent une consigne de couple moteur sur la roue du véhicule, cette consigne de couple étant déclinée par les moyens de commande 100 en consigne Ir* de courant dans le rotor bobiné. Cette consigne est obtenue par lecture d’une cartographie donnant pour une consigne de couple donnée, une consigne de courant rotorique.
Une fois la consigne Ir* de courant dans le rotor bobiné 4 déterminée par les moyens de commande 100, ceux-ci pilotent en fréquence la commutation des transistors T1 à T4 pour atteindre ce courant de consigne Ir*. Afin d’assurer l’atteinte de ce courant de consigne Ir* dans le rotor bobiné 4, une régulation de la fréquence de commutation f des transistors T1 à T4 est mise en œuvre par les moyens de commande 100.
A titre indicatif, la fréquence de commutation f est de l’ordre de 2MHz (MégaHertz), ce qui permet, avec la tension Vb de 400V aux bornes de la source de tension 7, de générer une tension de 2000V entre les électrodes de chacune des capacités C1 et C2 du circuit résonant 9. Les transistors T1 à T4, notamment lorsqu’ils sont choisis parmi des composants HEMT, sont capables de commuter une tension de 400V à 2 MHz (à condition d’avoir des commutations ZVS). Une telle configuration permet de fournir un courant de l’ordre de 10 ampères au rotor bobiné 4.
Comme représenté sur la , cette régulation utilise un régulateur 104 recevant en entrée une différence ε entre le courant de consigne Ir* dans le rotor bobiné 4 et une estimation Îr du courant dans le rotor bobiné 4. Le régulateur 104 s’apparente donc à des moyens de correction du courant de consigne Ir* dans le rotor bobiné 4. Le régulateur 104 est par exemple un régulateur PID (Proportionnel Intégral Dérivé) fournissant en sortie une correction Δfc de fréquence de commutation à ajouter à une consigne f* de fréquence de commutation des transistors T1 à T4, pour obtenir la fréquence de commutation f à appliquer aux transistors T1 à T4. La consigne f* de fréquence de commutation des transistors T1 à T4 est déduite par une cartographie 102, dans laquelle sont lues en entrée le courant de consigne Ir* dans le rotor bobiné et la tension Vb de la source de tension 7.
L’estimation Îr du courant dans le rotor bobiné 4 est par exemple obtenu par les étapes représentées , d’un procédé d’estimation du courant dans le rotor bobiné 4, implémenté par les moyens de commande 100.
La première étape de ce procédé est la mesure d’un courant dans la partie fixe 72 du circuit d’alimentation 70, par exemple d’un courant If circulant dans la deuxième branche du circuit résonant 9, sous forme d’un signal de courant en fonction du temps.
La deuxième étape de ce procédé est l’application au signal de courant If mesuré précédemment, d’un opérateur donnant sa valeur absolue et délivrant donc un signal redressé de courant If circulant dans la deuxième branche du circuit résonant 9.
La troisième étape de ce procédé est l’application d’un filtre passe-bas au signal redressé obtenu précédemment, ce filtre fournissant une estimation Îr du courant dans le rotor bobiné 4.
En variante, une deuxième estimation Îr du courant dans le rotor bobiné 4, plus précise, utilisée pour calculer la différence ε en entrée du régulateur 104, est obtenue par une mesure du déphasage entre la tension statorique et le courant statorique. Ce déphasage correspond à la magnétisation de la machine synchrone (plus le courant rotorique sera élevé, et plus la machine sera magnétisée ; usuellement on régule le courant rotorique de façon à avoir courant et tension statorique en phase et de fait le minimum de pertes joules au stator car il n’y a pas d’échange de puissance réactive). L’écart entre ce déphasage mesuré et le déphasage théorique que l’on aurait avec la consigne Ir* de courant dans le rotor bobiné 4 permet d’obtenir une estimation Îr du courant dans le rotor bobiné 4.
Dans une autre variante de réalisation de l’invention, pour obtenir une estimation Îr du courant dans le rotor bobiné 4, le système de motorisation 1 comporte des moyens de mesure du courant rotorique Ir au niveau du rotor bobiné 4, par exemple ces moyens de mesure sont un capteur à effet Hall. Dans cette variante, le système de motorisation 1 comporte des moyens d’envoi du courant rotorique Ir mesuré par les moyens de mesure, ces moyens d’envoi étant par exemple des moyens de communication sans fil fixés à l’enceinte cylindrique 6. Des moyens de réception de la mesure de courant rotorique Ir envoyée par les moyens d’envoi, sont situés par exemple dans le module électronique. Ces moyens de réception sont bien sûr adaptés à recevoir cette mesure dans le format utilisé par les moyens d’envoi. Alternativement, les moyens d’envoi sont des moyens de codage de la mesure de courant rotorique Ir fournie par les moyens de mesure, sous forme d’un signal électrique à une fréquence très différente de la fréquence de commutation f, ce signal électrique étant appliqué par les moyens d’envoi aux bornes des électrodes 12 et 14 de sorte à ce qu’il puisse être décodé par des moyens de réception connectés à la partie fixe 72 du circuit d’alimentation 70. Les moyens de réception et les moyens d’envoi dans cette variante et son alternative, font partie du système de motorisation 1 selon l’invention.
Eventuellement en variante, pour affiner l’estimation en boucle ouverte de la consigne Ir* de courant dans le rotor bobiné, et connaissant la tension aux bornes du rotor bobiné 4, les moyens de commande 100 utilisent une valeur de résistance rotorique fournie par des tables donnant cette valeur de résistance en fonction de la température du rotor, celle-ci étant estimée par ailleurs, par exemple via un capteur de température au stator et un modèle thermique estimant la température du rotor en fonction de la température mesurée au stator. En variante la température du rotor est remontée aux moyens de commande 100 par un capteur de température situé au contact des bobinages rotoriques 42 et communiquant sans fil avec le module électronique.
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.

Claims (11)

  1. Système de motorisation (1) de roue de véhicule comportant :
    - un stator bobiné (3), destiné à être monté solidairement à un arbre creux recevant un arbre (20) de roue,
    - une jante de roue (2) destinée à être fixée à l’arbre (20) de roue,
    - un rotor (4) solidarisé à la jante de roue (2), le rotor (4) entourant angulairement le stator bobiné (3),
    le système de motorisation (1) étant caractérisé en ce que le rotor (4) est un rotor bobiné et en ce que le système de motorisation (1) comporte un circuit d’alimentation (70) électrique du rotor bobiné (4), le circuit d’alimentation (70) comportant au moins une connexion électrique par couplage capacitif destinée à relier au moins une source de tension (7) à au moins un bobinage (42) du rotor bobiné (4).
  2. Système de motorisation (1) de roue selon la revendication 1, comportant :
    - un support (5) destiné à être solidaire de l’arbre creux, le support (5) comportant une paroi cylindrique (52), et
    - une enceinte cylindrique (6) solidaire de la jante de roue (2), entourant la paroi cylindrique (52) au moins en partie,
    ladite au moins une connexion comportant au moins une capacité (C1, C2) comportant une piste cylindrique externe (11, 13) conductrice disposée sur un contour interne de l’enceinte cylindrique (6), et une piste cylindrique interne (12, 14) conductrice disposée sur un contour externe de la paroi cylindrique (52), la piste cylindrique externe (11) de ladite au moins une capacité (C1, C2) étant disposée radialement en face de la piste cylindrique interne (12) de ladite au moins une capacité (C1).
  3. Système de motorisation (1) de roue selon la revendication 2, dans lequel ladite au moins une capacité comprend une première capacité (C1) et une deuxième capacité (C2).
  4. Système de motorisation (1) de roue selon la revendication 2 ou 3, dans lequel le diamètre (D) de la piste cylindrique interne (12, 14) est supérieur à 235 millimètres.
  5. Système de motorisation (1) de roue selon l’une quelconque des revendications 2 à 4, dans lequel la distance (d) entre la piste cylindrique interne (12, 14) et la piste cylindrique externe (11, 13) de ladite au moins une capacité est d’un millimètre à plus ou moins vingt pour cent près.
  6. Système de motorisation (1) de roue selon l’une quelconque des revendications 2 à 5, dans lequel la largeur (l) de la piste cylindrique interne (12, 14) ou externe (11, 13) est comprise entre 25 et 35 millimètres.
  7. Système de motorisation (1) de roue selon l’une quelconque des revendications 3 à 6, dans lequel le circuit d’alimentation (70) comporte en outre un pont de transistors (8), un circuit résonant (9) et un pont redresseur, le pont de transistors (8) étant configuré pour être connecté en entrée à la source de tension (7), et étant connecté en sortie au circuit résonant (9), le circuit résonant (9) comportant au moins une inductance de résonance (L1, L2), la première capacité (C1) et la deuxième capacité (C2), et le pont redresseur étant connecté en entrée au circuit résonant (9) et en sortie au bobinage (42) du rotor bobiné (4).
  8. Système de motorisation (1) de roue selon la revendication 7, comportant des moyens de commande (100) d’un courant rotorique (Ir), les moyens de commande (100) étant aptes à faire varier la fréquence de pilotage (f) du pont de transistors (8) en mode de commutation à zéro de tension.
  9. Système de motorisation (1) de roue selon la revendication 8, dans lequel les moyens de commande (100) comportent des moyens de correction d’un courant de consigne (I*r) du rotor bobiné (4), les moyens de correction comportant des moyens d’estimation du courant rotorique (Ir).
  10. Système de motorisation (1) de roue selon la revendication 9, dans lequel les moyens d’estimation du courant rotorique (Ir) comportent des moyens de mesure d’un déphasage entre un courant statorique et une tension statorique.
  11. Système de motorisation (1) de roue selon la revendication 9, comportant des moyens de mesure du courant rotorique (Ir) dans une partie tournante (74) du circuit d’alimentation (70), le système de motorisation (1) comportant des moyens d’envoi d’une valeur mesurée du courant rotorique (Ir) par les moyens de mesure, aux moyens de commande, les moyens de commande comportant des moyens de réception de la valeur mesurée du courant rotorique (Ir).
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