Actionneurs de 2000 Voiture Electrique c Bergmann

7/23/2019 Actionneurs de 2000 Voiture Electrique c Bergmann

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GE'I4

LR2EP

LABORATOIRE E RECHERCHE'ELÊCTROTECHNIQUE

T

d'ELECTRONIQUE E PUISSANCE

t.R.E.S.T.E.t.U.T.

claude BERGMANN

rofesseur

des universités

université de Nantes

l.U.T.)

Extrait de I'exposé ait

pour

le Club E.E.A.Cachan e 2'l

Mers 199/0

Les ActionneursElectriques

our

a

voiture

de

l'an

2000

Le morde des équipements utomobiles e limite à

quatre

eadersmondiaux Nippodenso,

Bosh,MagnétimareHi t Valéopour esquelsnous rouvonsun dénominateur ommun, 'effortde

recherchedéveloppement

ui

représente especiivement 6,3

;

5,9

;

5 et 4 de leur chiffre

d'affaire.Si la traclion esle 'epanage

es

conslrucleurs

utomobiles,

'equipement utomobile

st

totalement

élégué I'equipementier.

ettedélégation

assepâr

une

ntégrationotaledu foumisseur

au conslrucieur,ant sur e

plan

de la

production ue

sur e

plan

de la recherchedéveloppement.

n

equipementierommeValéo, eprésente

n effeciifde

28000

personnes

rganisé utourd'un siège

cerfiral

de 100

personnes

t dix branchesndustrielles,

our

un chiffre

d'affairede 25 milliardsde

francs.

Quand

on a

plusieurs

métiers,e logique erai td'avoirun centrede recherche

entral et bien

non, la r€chenfie est organiséedans chaque

branche,

aujourd'hui 000

personnes

ont de la

recherche hezValéo.

La rationalisation

e l'outil ndustrielne suffit

pas

et les

équipements c{uelssubissent

d'imponantesmutations, ussibien es embrayages,es essuie

glaces,

es altemaleurs

émeneurs

que la climetisetion. es mutations ont liés à I'intégration e l'électroniqueans les actionneurs.

Uembrayage, n

produitqui

au départsemblaitmature,évoluevers une onction ntegrant

n mic{o

celculeteur

ssocié

à un

moteurcouple

qui

viennentse

greffer

sur

un embreyage lassique.Cette

enrichissemert e la fonction

permet

de

passer

utomatiquementes vitesses ans

un temps ecord

(1/10

de seconde).L'électroniqueupprime es lenteursdes embrayages ssislésac{uels,

imite

l'usuredes disques

€t

faciliie

son montage ous e capot.Le

gros

evantage e cette solntion

pour

Valéo,Cest e conservat ion e la boite

de

vitesse raditionnelle,

our

les constructeursurolÉens

l'embrayagelecimnique s{ unesolrJtioneux ois

plus

économique

ue

a boiteautomatique

( son

adodionévite a trensformation

es usines e boitesmanuelles

es construcleurs.

Une autre evolrJtionans e domainede I'automobile,esl la direction ssistée

lectdque.

Aujourd'huies directions ssislées

ont hydrauliques t equipent

urtout es véhiculesde haut de

gamme,

alors

que

es

petites

oitures,

énéralement

onduites

ar

es femmeset

principalement

n

circuiturbain, n auraient ien besoin

pour

aciliter es manoeuvres e

parking.

Cette onction

ui

ne

peutse separer e sa transmission écaniquela colonne e direc{ion) ourdesraisons e sécurité,

se voit enrichie 'uncapteur

e

couple

associé un micro

calculateur t un moteurélectrique

iloté

en

couple

paf

un convertisseure

puissance.

La évolutionso

prolonge

galement ans e capotmoleur, a diminution es entÉes

d'air et

la forme

des capots

plongeants

nfluent ur la taille des radiateurs t

pousse

es cons'trucleurs

ers

unesolution iphashue u

moteur

hermique.

'està dire

I'applicetionu 2ème

principe

e la thermo

dynemique

u

Quide

de refroidissement

pessage

n

phase

apeurau voisinsge es cylindres)

ans

ces conditions,a fonciion adiâteur

evientcondenseur,

e

pompe

à

eau sourcede

pertes

d'énergie

impoltentes

débit

de 8000 /heure) evientun

ætit

aclionneur ledrique

puissânce

mécanique

e

30

W

associé une

Égulationde temÉrature,

pécise

et integrantes différentes

hases

u cycle

thermquedu liquide e rcfroidissemer

L'éledroniquequi est le moteur de ces évolutions ouche également a fonction deI'essuyage.L anivée

des moteurs à butées électroniques a

pemettre

de supprimer

les

encombrantesringleries

ue

les conslructeursntègrentrès difticilement

ous e

pare

brise.Cette

31



fonction

a integrera

miseau

parking

décollement

es baleis

au repos)

e

lave

glace,

a

pompe

et le

gicleur.

Toutes ces

mutationsde fonc{ions

exislantesaugmentent onsidérablemente nombre

d'actionneurs

leciriques.On dénombre

aciuellement

lus

de 90 actionneurs

ledrhues

pour

un

véhicule

hâutde

gamme

dont

17

pour

a fonction

limâtisation. 'aspect conomique sl de loin le

cfitère

prioritaire

e

toutes es fonctions

de l'automobile, ompte enu de l'effet de nombre

(un

démaneur st

produit

à 16000exemplaires

ar

ours

chezValéo).Cetle

priorité

est

prise

en compte

dans les centres

de recherche

t conduità des solutions

originales t totalementdédiées

à

une

fonction.Parcontre es concepts t les matériauxmis en oeuvresontsouvent ommuns Dlusieuts

aclionneurs, n recJlerche

ne synergie

maximale ntre ous es aclionneurs

lectriques

our

mener

une

politique

'achat fficece

ui passepar

a réduction

u nombre e foumisseurs,eurs ntégrations

à l'équipe e recherche

t sowent

desétudes{éveloppemerûs

ffectuées hez es oumisseurs.

ll n'eslmatériellement

as

possible

e donner ci une iste

complàe de tous es aclionneurs

éleclriques l encore

moinsd'en aire

une étude

poussée.

Nous

préser

eronsdanscet exposé

deux

applicetions

iéesà le voiture

de l'an2000.

La

première

montreun aclionneur

ynchrone

ui pourrait

être

dediéà la fonction

mbrayage u

bien unedirec{ion ssistée

leclrique

ar

son concêpt,l r€sle

à adader es ormes

et lesdimensions

ux cehiers

es charges. a deuième application

oncÆmea

climatisalion

pulseur

'air)ou

bien e refroidissement

oteur

groupe

moto

propulseur).

l

s'agitd'un

aclionneur

synchrone

nversé

le

rotor

est extérieur t

peut

être

ntegÉ directement l'hétice). e

concept

'est

pas

nouveau,

ar

@ntre 'aspecl conomique

nflueconsidérablement

ur la struciurc

du convertisseure p'uissancet conduità unemodélisation riginale e l'essociationonvertisseur

moteur. l faudra

également

dâpter es formes

et les diminutions ux exigences

Écmques de la

fonclion.

I Efude

d'un ensemble

machine

asynchrone convertisseur

piloé par

un€ commende

numérique

direcb et

dédié à la fonction

ventaletion

our

I'automobih

Cette

étudedécrit e concepte

'un ensemble

machineasynchrone

onvertisseur vec une

commande

umérique

irecte.

Ce moteur

possàle

un statordiphaseet une cage

d'écurcuil xteme

(c'est

un moteur

nversé vec

e statorà I'intérieur

t le rotorà l'extérieur).

Cette application

sl dédiée

à la fonc{ionventilation

pour

I'automobile.

e moteur

peut

remplac€re celèbremoteurà courantcontinuà aimants enites prcduitdepuis de nombreuses

années.

Le

premierparamàre

du cahierdes charges

esl le bas coût de

prcduction our

'ensemble

des composants

ncluant a

@mmandenumérique

ui

esl ass€zsophisliquée.

e convertisseur e

puissance

st très

performant

vec un

excellent endement.

es caractéristiques

rincipales

e

l'actionneur oivent

être:

Vitessede rotation

:

Couple

mécanique

:

Rendement

:

Tension

'alimentation

300 o 2500 rlmn

superieur 1

mN

suDerieur 65%

12V

Nousne devonspasentendrea fréquence e découpage t nousdevons especlera norme

de compatibilité

lec{romagnétique

landard

V.D.E.879.

Le celcul

de Getactionneur

sl fait à

partir

d'un ogiciet léments inis

Maxwell

ærmettant

de calculeres

éléments u

schéma lectrique

u du stator.

Le dessin

du moleurà la tigure

1 est maillé

par

20.000 riangles t le solveuresl

un

solveur

magnétodynamique

ui

prend

en compte 'effetcle

peau

dans es condudeuF

du rotor

par

contre e

maillage

oit être adapté

à la

gamme

cle réquence e fonciionnement

u moteur.Les contraintes u

solveurs

onl:

o

Toutes es

sources e erurant

onl une composante

niquesur l'axe oz

perpandiculaire

u

plan

d'étude

ry.

.

Le

champélectromagné{ique

'a

pas

de composante

ur 'axeoz

(2D)

o

Toutes es

sourcÆse courant

nt a même Équence

e{ sontsinusoiTales

J Z



l-l Equations

ocales

pour

la résolution

des courants

nduits.

La variation

des courants nduits

dans un conducteur u slator

ou du rotor

produit

un champ

électromagnétique

ans

e

plan perpendiculaire

ux conducteurs. e champélectromagnétique

induitdans

es conducteurs

ourceset dans es

autresconducteurs

arallèles

cage

d'écureuil)

des courants nduits.

Le solveur

*Eddy

cutrents elcule es

@u€nts induitsen ésofuant le

potentiel

ecteurA and

ô

à

partir

deséquationsocales

uivantes:

I

V x-V xA -(o +ji,l,e)(-jaA -vQ)

,*sa

*iue)(-irA

YQ).da

1,

le

potentiel

ecleurmagnétique

le

potentiel

ecleurélectrique

la

perméabililé

magnétique

la féquence

d'oscillation

e toutes essources

la conductivité

la

peméabilité

le courant

otalcirculant

ans es conduc{eurs

It

ou

A

ô

P

(D

q

It

figur€

I sûuctur€

du mobur

asynchrone

(inveBé)

JJ



figure

2

Schéma

élecûique du convertbseur

de

puissance

Le statorest

alimenlé

ar

unesource

e tension iphasee inusoidale

Les ensions

t courants luivalents

diphases u rotorvu du stator ont:

,r.:v:,1

r.:L:l

f l :

['

|1'

f * l

L. l

Avecces

hypothèses,e flux slatorique

st :

rç1,

1,[t

i.J

v]*u*8,,

t ]

l*u, F[|l]u,

et e

lux otorique,

fe|,:2 .p(0).

[^]

+ tt

,{4+

lpf

+

l}

[ ]

P(0

)

est a matrice

e rotation ntrestator

et

rotor:

6os(0

-sin(O

'l

P(o

=

lpin

o

*rfr

ll

Dans

ces âluations a matrice

P(0)esl a transformatione Part

v t+

'F8::;:l][]

Nous

pouvons

hanger e repere l'aide

de cÆtteransformation



b l:P.@ )&,, 1

F l

=P (0,)t.-l

u '

et pour e rolor

lp,*

i

e,

v-t=l:;,

'îl:ffif;r

u

s:v:l

*o r=[@ )iu

En utilisant

es convenlions

lassiques,

ous

pouvons

écrire es équations

e tensiondu

moteur:

p,gv*l:R,aF l+h@k*ll

p@

vÀ:n,

8

v*l+va

b*l

En multiptiant

es deux

membres e I'equation

e tension

par

P.

(

-{,

)pour

le stator

er

par

P(

--d,

)

pour

e rotor,

nous rcuvons:

b

f=,

vf*'^

ror

'o'll

1.,

,çi

;

:

]

n-,

b*l=t Ef+u.frQ+ +.\ p t +,)lEl

v*l=^,F*:

' lpîtz) I' r

l*'

[[

-rrnps]b*l*b'*l

V*l=^,

lx

'

,[rÇ

z)]p

,1*b,1

Le

coupleélectromagnétique

stdonné

par:

|

:

gr^ . i rn

-

grn . i ræ

*gr^ . i r r ,

-

grn . i r^

J C



lll2 Simulationde la variationde viæsse

Pour éduire

'écritureeséquations,ouses

pésentons

ous ormed'état t nous ncluons

l'âluationmécanhue.

ous

vons

hoisie éférentiel latoriquet un otor n

couft

ircuit.

E,, F8[ ]

o. :ooù=

-4,

er

-R .i

*

---,(L

r.i n,

tM

-.i rq

M

-.i r )

-n

tn, tt:,(t, iù +M ,.iw +tut- ir^)

M*Q*.irr 1n,.iy6 ia.izq

-i

q,

re

-T,l

d0

-=

:

(t)

,

cll

fkl:^ [*].F*l

llot

n.

*lre

,lr|'.p)lk*l*b'*7

l d a

lJi

:gte

iv

-9v,.ir*

lgr*.irn

--vr*.i,o Tr

ld0

ldt

- '

Cesystèmeeutêtreécrit ous ne orme lus ondensée:

Avec eshypothèses,ous btenonsesâIuations uivantes:

[A].X

É

lAl:

v

Ji.

cas(

t

-v

)

-R .i,^

V.Ji.sinQt

t

-v )

-4,, ,

v

Ji.

cos('

*

)

-R .i,

*

V

Ji

sinQt t

)-n

ir

i r*

lt*

ir ^

l

rnn

I

u l

g

x -

0 Mps

0 Msr 0 0 0

Lps

0 Mps 0 Msr 0 0

O Lps

0 Msr 0 0 0

Mps0 Lps 0

Msr 0 0

O Msr 0 Lpr 0 0 0

Msr 0 Msr 0

Lpr 0 0

0 0 0 0 o

J l p 0

0 0 0 0 0 0 1

It+'

l0

l'o'

It

lMu

lo

t,

L0

B :

9 ,

JO



urt.Lr:EP.

EEIGX II

L.

Figure

3 simulation émarage

de la machine synchrone

vec e logicielMatlab.

cordê ol€.ÙomâlnêùqF

2

t 8

t 6

1 2

1

a 2 0 4

0 6 0 8

lgrps{s)

figure4 Simulation

undémanage vecune réquence e 50hz

tsrps

{s)

5 t



100

80

60

40

20

-20

-40

-ô0

-80

-100

courantqsl

0 2

0 4

0 6

0 8 1

temps

s)

Figure

5 Simulation u

courant QSl démanage

vecune réquence e 50hz

15 0

0 0 . 2

0 4

0 6 0 B 1

temps

s)

Figure

6 Simulation u courant

DSi démanage vec

une réquence e 50hz

courantds1

J d



Conclusion

Le

projet

présenté

st un

projet

appelêP2

par

es équipementiers

moteurs

ur étagère....).

C'està dire

qu'il

montre a faisebilité

e l'étudeet

permet

de mesurer eurs

performances

éelles.

Maintenant il

faut

passer

uneétude

de ype P1 c 'està dire ixer ous es objectifsiés à la fonclion

(Position

u

produitpar

rapport la

concunence,

uantité

industrialiserans es 5 annéesà venir,

prix

de

revient

usine,moyens

e

production,

ynergie es moyensèt des matériaux vec es eutres

produc{ions,

echerche e

foumisseursmulli sourcæ,nfluence

es outilsde

produclion rande

série

sur toutes es

performances

électriques,écaniquescousliques,.E.M., iabilité,..).La duréed'uneétudeP1 est de l'ordrede 3 annéesavantde commencer n petiteproduction. t 5 années

avant e sortir n

grande roduction

20.000

ièces

ar

our

pour

un moteur 'essuie

lace).

vec e

projet

P2, 'avenlure

ommence,l faut

souhaiter

ouvoir

a vivre

usqu'à

a

phase

inale....

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FORRESTHURON.

J U

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