Domaine de l’invention

La présente invention appartient au domaine des chaînes électromécaniques de type onduleur-câble-moteur. Plus particulièrement, l’invention est relative à un dispositif positionné entre l’onduleur et le moteur et adapté pour filtrer les surtensions et les courants de mode commun dans la chaîne électromécanique. Le dispositif est conçu avec du fil de litz pour réduire significativement les surtensions et les courants de mode commun tout en limitant l’impact sur le rendement et la densité de puissance de la chaîne électromécanique.

Etat de la technique

Dans une chaîne électromécanique, un moteur est généralement alimenté par une tension alternative délivrée par un onduleur. L’onduleur est par exemple alimenté par une tension continue fournie par une batterie. L’onduleur est responsable de la conversion de la tension continue en tension alternative (l’onduleur est d’ailleurs parfois également appelé « convertisseur », même si ce terme est générique et désigne n’importe quel dispositif qui transforme une tension et/ou un courant destiné à être utilisé pour alimenter une charge électrique, par exemple un moteur). L’onduleur est relié au moteur par un câble électrique afin d’alimenter électriquement le moteur.

Dans un tel système, une surtension importante peut apparaître au niveau du moteur au moment de la commutation d’un bras de l’onduleur. Cette surtension est générée par un phénomène de résonnance à une fréquence relativement élevée par rapport à la fréquence de la tension d’alimentation du moteur. La fréquence de résonnance dépend des différentes parties qui constituent la chaîne électromécanique (l’onduleur, le moteur, le câble, et éventuellement d’autres composants intervenant dans la chaîne électromécanique). Cette surtension peut réduire la durée de vie du moteur.

En outre, des courants de mode commun particulièrement néfastes pour le moteur et pour le système utilisant le moteur peuvent apparaître dans la chaîne électromécanique. Il convient de réduire ces courants de mode commun pour qu’ils restent inférieurs à des gabarits imposés par des normes.

Pour réduire la surtension observée sur le moteur d’une chaîne électromécanique, et/ou pour limiter les courants de mode commun, il est connu d’utiliser des filtres comportant des composants électriques comme des inductances, des capacités et des résistances. Il existe différentes topologies pour ces filtres, notamment des filtres de mode différentiel, et des filtres de mode commun. Ces filtres sont cependant lourds, volumineux et coûteux. En outre, ces filtres produisent généralement des pertes assez importantes à la fréquence du courant d’alimentation du moteur. En effet, ces filtres comportent généralement des résistances qui génèrent des pertes par effet Joule à la fréquence fondamentale du courant d’alimentation du moteur (pertes ohmiques par dissipation d’énergie électrique sous forme de chaleur). D’ailleurs, il convient souvent d’associer des dissipateurs à ces résistances. Ces pertes ont pour conséquence de réduire la densité de puissance et le rendement de la chaîne électromécanique.

Par ailleurs, pour le transport de courant électrique à haute fréquence, il est connu de réaliser un câble électrique sous la forme d’un ensemble de brins conducteurs tressés ensemble, chaque brin étant isolé électriquement. Le câble électrique ainsi obtenu est couramment appelé « fil de litz » (on peut noter que ce nom provient vraisemblablement d'une erreur de traduction du terme allemand « Litzendraht », qui pourrait se traduire par « fils torsadés »).

L’utilisation d’un fil de litz permet en effet de contrer l'effet de peau, ainsi que l’effet de proximité.

L’effet de peau correspond au phénomène selon lequel un fil électrique simple (par exemple un fil de cuivre) voit sa résistance augmenter lorsqu'on y fait circuler un courant à haute fréquence. L’effet de peau est dû au champ magnétique généré à l'intérieur du fil électrique par le courant qui y est appliqué. Ce champ magnétique crée des courants induits (courants de Foucault) qui déplacent de plus en plus le courant vers la surface extérieure de la section transversale du fil au fur et à mesure que la fréquence augmente, ce qui conduit à une augmentation de la résistance du fil. A haute fréquence, l’augmentation de la résistance du fil peut conduire à des élévations de température extrêmement importantes en raison de la puissance dissipée par effet Joule. Pour diminuer ces problèmes, il est avantageux de remplacer le fil électrique simple par un fil de litz dont les brins présentent chacun un diamètre qui est de préférence inférieur à la valeur de l'épaisseur de peau à la fréquence de travail.

L’effet de proximité correspond au phénomène selon lequel un courant à haute fréquence circulant dans un fil électrique génère un champ magnétique qui, à son tour, génère des courants de Foucault sur les fils à proximité. Cela induit des pertes joules sur les fils à proximité, ce qui peut être vu comme une augmentation de la résistance de ces fils.

Comme les brins du fil de litz sont torsadés, leur position dans le fil varie, ce qui permet de contrer l’effet de peau et l’effet de proximité par rapport à un autre fil. En tressant ou en toronnant les brins entre eux, chaque brin alterne entre différentes positions. Cela permet de répartir équitablement le courant entre tous les brins et ainsi de réduire la résistance du fil à haute fréquence.

Pour un fil de litz, il existe également un phénomène, couramment appelé « effet de proximité interne », selon lequel un brin du fil de litz génère un champ magnétique et des courants induits dans un autre brin du fil de litz. Même si les brins sont isolés électriquement, l’effet de proximité entre les brins augmente les pertes joules dans les brins du fil de litz, ce qui peut être vu comme une augmentation de la résistance du fil à haute fréquence.

Les propriétés électriques d’un fil de litz dépendent de plusieurs caractéristiques parmi lesquelles figurent le diamètre d’un brin du fil de litz, le nombre de brins formant le fil de litz, la longueur de pas du fil de litz, ou la manière de torsader les brins formant le fil de litz.

Ainsi, les fils de litz sont utilisés pour limiter les pertes à haute fréquence engendrées par l’effet de peau et l’effet de proximité. Il existe une plage de fréquence optimale pour les fils litz, dans laquelle les pertes sont plus faibles que pour un conducteur massif. Les fils de litz sont généralement utilisés dans des applications pour lesquelles la fréquence de travail varie dans une gamme de fréquences allant de 10 kHz à 5 MHz.

Exposé de l’invention

La présente invention a pour objectif de proposer une solution permettant de réduire les surtensions et les courants de mode commun dans une chaîne électromécanique tout en limitant l’impact sur le rendement de la chaîne électromécanique. L’invention repose notamment sur une utilisation d’un fil de litz dans une application complètement différente de celle pour laquelle un fil de litz est habituellement employé.

A cet effet, et selon un premier aspect, il est proposé par la présente invention, une utilisation d’un fil de litz pour réaliser un dispositif visant à filtrer une surtension dans une chaîne électromécanique. La chaîne électromécanique comporte un moteur, un onduleur destiné à fournir une tension alternative pour alimenter électriquement le moteur, et un câble reliant l’onduleur au moteur. Le dispositif est destiné à être positionné entre l’onduleur et le moteur.

Une telle chaîne électromécanique peut trouver une application dans de nombreux domaines techniques : automobile, aéronautique, ferroviaire, naval, éolien, etc. Plus particulièrement, et à titre d’exemple nullement limitatif, l’invention peut trouver une application dans le système de propulsion d’un véhicule automobile électrique.

L’invention repose sur l’utilisation d’un fil de litz dans une application complètement différente de celle pour laquelle un fil de litz est habituellement employé. Comme indiqué précédemment, le fil de litz est conventionnellement utilisé pour limiter les pertes ohmiques à haute fréquence. Au contraire, dans l’invention le fil de Litz est conçu de sorte à maximiser les pertes à la fréquence de résonance de la chaîne (haute fréquence comparativement à la fréquence fondamentale du courant d’alimentation du moteur) afin de réduire les surtensions observées aux bornes du moteur. L’invention exploite le fait qu’à partir d’une certaine fréquence, un fil de litz est « pire » qu’un fil normal en termes de pertes ohmiques. En jouant sur différents paramètres (nombre de brins, diamètre d’un brin, manière de torsader les brins, etc...), il est possible de concevoir un fil de litz qui n’augmente pas les pertes pour les courants qui circulent vers les moteurs à relativement basse fréquence (fréquence fondamentale, par exemple inférieure à 1 kHz) mais qui maximise les pertes pour les courants à haute fréquence qui sont responsables des surtensions (fréquence de résonnance, par exemple supérieure à 500 kHz).

Dans la présente demande, l’expression « fréquence fondamentale de la tension d’alimentation du moteur » est utilisée de façon équivalente à l’expression « fréquence fondamentale du courant d’alimentation du moteur », car on considère que ces fréquences sont sensiblement identiques.

Dans des modes particuliers de mise en oeuvre, l’invention peut comporter en outre l’une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises isolément ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles.

Dans des modes particuliers de mise en oeuvre, le dispositif comprend une partie au moins du câble reliant l’onduleur au moteur.

Dans des modes particuliers de mise en oeuvre, le dispositif comprend une inductance comportant des spires en fil de litz.

Ainsi, le dispositif peut notamment correspondre à tout ou partie du câble en fil de litz, à une inductance comportant des spires en fil de litz, ou à une combinaison de tout ou partie du câble en fil de litz et d’une inductance comportant des spires en fil de litz.

Dans des modes particuliers de mise en oeuvre, l’inductance comporte un noyau magnétique autour duquel sont enroulées les spires, et les spires sont positionnées préférentiellement au niveau d’un entrefer et/ou au niveau d’un coin du noyau magnétique. En effet, lorsque le dispositif comprend une inductance avec des spires en fil de litz, il est avantageux de placer les spires aux endroits avec les plus fortes concentrations de champ magnétique (au niveau de l’entrefer ou au niveau des coins du noyau magnétique de l’inductance). Cela permet en effet d’augmenter encore davantage les pertes à la fréquence de résonnance (haute fréquence comparativement à la fréquence fondamentale), afin de limiter les surtensions et les courants de mode commun. L’utilisation du fil de litz permet en revanche de limiter ces pertes à la fréquence fondamentale (basse fréquence), et ainsi de réduire l’impact sur le rendement de la chaîne électromécanique.

Dans des modes particuliers de mise en oeuvre, le fil de litz est conçu pour présenter un rapport RAC/RDC entre la résistance de courant alternatif RAC et la résistance de courant continu RDC inférieur à 1 ,5 à une fréquence fondamentale de la tension d’alimentation du moteur, et pour présenter un rapport RAC/RDC supérieur à 100 à une fréquence de résonnance à l’origine de la surtension.

Plus la fréquence du courant qui circule dans le fil de litz est grande, et plus le courant a tendance à circuler le long de la surface extérieure du conducteur. Aussi, plus la fréquence du courant qui circule dans le fil de litz est grande, et plus la résistance de courant alternatif RAC augmente par rapport à la résistance de courant continu RDC).

Le rapport RAC/RDC décrit la résistance de courant alternatif normalisée à la résistance de courant continu. Ce rapport prend des valeurs supérieures ou égales à un (RAC/RDC S 1 ). C’est un indicateur des performances haute fréquence d'un fil litz. Le rapport RAC/RDC peut être mesuré ou calculé avec une précision satisfaisante pour une construction de fil litz donnée.

Dans les utilisations conventionnelles du fil de litz, pour limiter les pertes ohmiques, on utilise généralement un fil de litz qui présente un rapport RAC/RDC proche de la valeur optimale 1 ,0 à une fréquence de travail relativement haute comprise dans une gamme de fréquences allant d’une dizaine de kHz à quelques MHz. Au contraire, dans l’invention on cherche à maximiser le rapport RAC/RDC du fil de litz à la fréquence de résonnance (haute fréquence), et à minimiser ce rapport à la fréquence fondamentale (basse fréquence).

Dans des modes particuliers de mise en oeuvre, la fréquence fondamentale de la tension d’alimentation du moteur est inférieure ou égale à 1 kHz et la fréquence de résonnance à l’origine de la surtension est supérieure ou égale à 500 kHz.

Selon un deuxième aspect, la présente invention concerne un procédé de conception d’un fil de litz destiné à être utilisé pour réaliser un dispositif visant à filtrer une surtension dans une chaîne électromécanique qui comporte un moteur, un onduleur destiné à fournir une tension alternative pour alimenter électriquement le moteur, et un câble reliant l’onduleur au moteur. Le dispositif est destiné à être positionné entre l’onduleur et le moteur. Le procédé comporte les étapes suivantes :

- détermination d’une fréquence fondamentale de la tension d’alimentation du moteur,

- détermination d’une fréquence de résonnance à l’origine de la surtension,

- détermination, à l’aide d’une méthode d’analyse et de simulation mise en oeuvre par un ordinateur, dite « méthode des éléments finis », de paramètres du fil de litz permettant d’obtenir un rapport RAC/RDC entre la résistance de courant alternatif RAC et la résistance de courant continu RDC inférieur à 1 ,5 à une fréquence fondamentale, et un rapport RAC/RDC supérieur à 100 à la fréquence de résonnance.

Les paramètres du fil de litz peuvent notamment correspondre à un ou plusieurs éléments choisis parmi le diamètre d’un brin du fil de litz, le nombre de brins formant le fil de litz, la longueur de pas du fil de litz, et/ou une manière de torsader les brins formant le fil de litz.

Selon un troisième aspect, la présente invention concerne une chaîne électromécanique comportant un moteur, un onduleur destiné à fournir une tension alternative pour alimenter électriquement le moteur, un câble reliant l’onduleur au moteur, et un dispositif adapté pour filtrer une surtension dans la chaîne électromécanique. Le dispositif est positionné entre l’onduleur et le moteur et est réalisé avec un fil de litz.

Dans des modes particuliers de réalisation, l’invention peut comporter en outre l’une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises isolément ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles.

Dans des modes particuliers de réalisation, le dispositif comprend une partie au moins du câble reliant l’onduleur au moteur.

Dans des modes particuliers de réalisation, le dispositif comprend à une inductance comportant des spires en fil de litz.

Dans des modes particuliers de réalisation, l’inductance comporte un noyau magnétique autour duquel les spires sont enroulées. Les spires sont positionnées préférentiellement au niveau d’un entrefer et/ou au niveau d’un coin du noyau magnétique.

Dans des modes particuliers de réalisation, le fil de litz est conçu pour présenter un rapport RAC/RDC entre la résistance de courant alternatif RAC et la résistance de courant continu RDC inférieur à 1 ,5 à une fréquence fondamentale de la tension d’alimentation du moteur, et pour présenter un rapport RAC/RDC supérieur à 100 à une fréquence de résonnance à l’origine de la surtension.

Dans des modes particuliers de réalisation, la fréquence fondamentale de la tension d’alimentation du moteur est inférieure ou égale à 1 kHz et la fréquence de résonnance à l’origine de la surtension est supérieure ou égale à 500 kHz.

Selon un quatrième aspect, la présente invention concerne un véhicule automobile comportant une chaîne électromécanique selon l’un quelconque des modes de réalisation précédents.

Présentation des figures

L’invention sera mieux comprise à la lecture de la description suivante, donnée à titre d’exemple nullement limitatif, et faite en se référant aux figures 1 à 11 qui représentent :

[Fig. 1] : une représentation schématique d’une chaîne électromécanique de type onduleur-câble-moteur,

[Fig. 2] : un graphique représentant l’évolution au cours du temps la tension U™ en sortie de l’onduleur et la tension U _mo t en entrée du moteur lors d’une commutation d’un bras de l’onduleur, et mettant en évidence une surtension au niveau du moteur, [Fig. 3] : une représentation schématique d’un fil de litz,

[Fig. 4] : une représentation schématique d’une section d’un fil de litz comportant plusieurs faisceaux de plusieurs brins,

[Fig. 5] : une illustration d’un fil de litz dont la section est représentée schématiquement à la figure 4,

[Fig. 6] : un exemple de réalisation d’une inductance avec des spires en fil de litz,

[Fig. 7] : un exemple de réalisation d’une inductance avec des spires en fil de litz positionnées à proximité de l’entrefer du noyau magnétique,

[Fig. 8] : un exemple de réalisation d’une inductance avec des spires en fil de litz positionnées à proximité d’un coin du noyau magnétique,

[Fig. 9] : un exemple de réalisation d’une inductance avec des spires en fil de litz positionnées à proximité de l’entrefer et des coins du noyau magnétique,

[Fig. 10] : un graphique mettant en évidence des surtensions au niveau du moteur lorsqu’un câble conventionnel est utilisé pour relier l’onduleur et le moteur,

[Fig. 1 1] : un graphique mettant en évidence une réduction des surtensions au niveau du moteur lorsqu’un câble en fil de litz est utilisé pour relier l’onduleur et le moteur.

Dans ces figures, des références identiques d’une figure à une autre désignent des éléments identiques ou analogues. Pour des raisons de clarté, les éléments représentés ne sont pas nécessairement à une même échelle, sauf mention contraire.

Description détaillée d’un mode de réalisation de l’invention

La figure 1 représente schématiquement une chaîne électromécanique 10 comportant un onduleur 11 , un moteur 13 et un câble 12 électrique reliant l’onduleur 1 1 au moteur 13. L’onduleur 1 1 est responsable d’alimenter électriquement le moteur 13 en lui délivrant une tension alternative. Dans l’exemple considéré et illustré à la figure 1 , l’onduleur 11 est lui-même alimenté par une tension continue fournie par une source de tension continue 14, par exemple une batterie de type HVDC (acronyme anglais pour « High-Voltage Direct Current », en français « courant continu haute tension »). L’onduleur est responsable de la conversion de la tension continue en tension alternative (l’onduleur est parfois également appelé « convertisseur »). Tel qu’illustré sur la figure 1 , la tension en sortie de l’onduleur 11 est notée U™ et la tension en entrée du moteur 13 est notée U _mo t (les tensions _nv et U _mo t sont mesurées entre deux phases différentes).

Une telle chaîne électromécanique 10 peut trouver une application dans de très nombreux domaines techniques : automobile, aéronautique, ferroviaire, naval, éolien, etc. Dans la suite de la description, et à titre d’exemple nullement limitatif, on considère que la chaîne électromécanique 10 est utilisée dans un système de propulsion d’un véhicule automobile électrique.

Dans une telle chaîne électromécanique 10, une surtension importante peut apparaître au niveau du moteur 13 au moment de la commutation d’un bras de l’onduleur 11 . Cette surtension est générée par un phénomène de résonnance à une fréquence relativement élevée par rapport à la fréquence fondamentale de la tension d’alimentation du moteur. La fréquence de résonnance dépend des différentes parties qui constituent la chaîne électromécanique (l’onduleur 11 , le moteur 13, le câble 12, et éventuellement d’autres composants intervenant dans la chaîne électromécanique 10). Cette surtension peut réduire la durée de vie du moteur. En outre, des courants de mode commun peuvent apparaître dans la chaîne électromécanique 10 et participer à une dégradation du moteur 13.

Dans l’exemple considéré, la fréquence fondamentale de la tension d’alimentation du moteur 13 est environ égale à 240 Hz et la fréquence de résonnance à l’origine de la surtension est environ égale à 1 ,4 MHz. La fréquence de résonnance qui est à l’origine des surtensions et des courants de mode commun est donc relativement élevée par rapport à la fréquence fondamentale d’alimentation. De manière générale, l’invention s’applique particulièrement bien à des chaînes électromécaniques pour lesquelles la fréquence fondamentale de la tension d’alimentation du moteur 13 est inférieure ou égale à 1 kHz et la fréquence de résonnance à l’origine de la surtension est supérieure ou égale à 500 kHz.

Sur le graphique illustré à la figure 2, la courbe 51 représente l’évolution au cours du temps de l’amplitude de la tension U™ en sortie de l’onduleur 11 lors d’une commutation d’un bras de l’onduleur 1 1. La courbe 52 représente l’évolution au cours du temps de l’amplitude de la tension U _mo t en entrée du moteur 13 lors de la commutation. Ce graphique met en évidence une surtension importante en entrée du moteur 13 lors de la commutation. Cette surtension, qui est engendrée par un phénomène oscillant à la fréquence de résonnance, est progressivement amortie au cours du temps.

Pour limiter cette surtension, ainsi que les courants de mode commun, il est proposé de positionner entre l’onduleur 11 et le moteur 13 un dispositif de filtrage comportant un fil de litz. Comme cela va être détaillé par la suite, le fil de litz est utilisé ici dans une application complètement opposée à l’application usuelle d’un fil de litz. En effet, un fil de litz est conventionnellement utilisé pour réduire les pertes par effet Joule à haute fréquence. Au contraire, dans l’invention, le fil de litz est conçu pour augmenter les pertes par effet Joule à haute fréquence (et notamment à la fréquence de résonnance de la chaîne électromécanique 10).

Dans sa forme la plus simple, le dispositif de filtrage peut correspondre directement au câble 12 qui relie l’onduleur 1 1 au moteur 13 lorsque ce câble est conçu avec du fil de litz. Le dispositif de filtrage peut aussi correspondre à une portion du câble 12 conçue en fil de litz. Le dispositif de filtrage peut également correspondre à une inductance (bobine) comportant des spires en fil de litz. Le dispositif de filtrage peut également correspondre à une combinaison du câble 12 ou d’une portion du câble 12 en fil de litz avec une inductance comportant des spires en fil de litz.

On entend par « fil de litz » un câble électrique formé par un ensemble de brins conducteurs tressés ensemble, chaque brin étant isolé électriquement. Le terme « fil de litz », qui est couramment utilisé pour désigner ce type de câble électrique, provient vraisemblablement d'une erreur de traduction du terme allemand « Litzendraht », qui pourrait se traduire par « fils torsadés ».

Comme cela a déjà été expliqué précédemment, les fils de litz sont généralement utilisés pour limiter les pertes à haute fréquence engendrées par l’effet de peau et l’effet de proximité. Les fils de litz sont généralement utilisés dans des applications pour lesquelles la fréquence de travail varie dans une gamme de fréquences allant de 10 kHz à 5 MHz.

La figure 3 représente schématiquement un fil de litz 20 comportant sept brins 22 conducteurs (brins 22-1 à 22-7). Chaque brin est isolé électriquement. Un brin 22 correspond par exemple à un filament de cuivre émaillé. Le fil 20 formé par l’ensemble des brins 22 peut lui-même être revêtu d’un matériau isolant (gaine ou ruban qui enveloppe l’ensemble des brins 22).

Les brins 22 du fil de litz sont torsadés (tressés, ou toronnés) avec une longueur de pas notée L _P . La longueur de pas L _P correspond à la distance au bout de laquelle un brin 22 fait une rotation complète (360 degrés) autour de la circonférence du fil de litz 20. Cela signifie que la position des brins 22 varie dans le fil de litz 20. C’est ce qui est illustré sur la figure 3 : la position des brins 22-1 à 22-7 dans une première section du fil de litz 20 est différente de la position des brins 22-1 à 22-7 dans une deuxième section du fil de litz 20 lorsque la distance entre les sections considérées est différente de la longueur de pas L _P .

Un fil de litz peut être torsadé de différentes manières. Notamment, et tel qu’illustré sur la figure 4, un fil de litz 20 peut comporter plusieurs faisceaux 21 (faisceaux 21 -1 à 21 -5) qui comportent chacun plusieurs brins 22 (dans l’exemple illustré à la figure 4, il y a cinq faisceaux 21 comportant chacun sept brins 22). Les brins 22 sont torsadés au sein de chaque faisceau 21 , et les faisceaux 21 sont eux-mêmes torsadés entre eux.

La figure 5 représente un fil de litz 20 dont la section est représentée schématiquement à la figure 4.

Il convient de noter que le nombre de brins formant un fil de litz peut être nettement plus important que pour les fils de litz illustrés aux figures 3 à 5. Un fil de litz peut notamment comporter plusieurs dizaines, voire plusieurs centaines de brins. Aussi, le nombre de faisceaux 21 et le positionnement des faisceaux 21 peut varier. En particulier, un filament à haute résistance mécanique peut être positionné au centre du fil de litz 20 pour renforcer la résistance à la traction ou à la flexion du fil de litz 20. Les faisceaux 21 peuvent alors être positionnés concentriquement autour dudit filament.

Les propriétés électriques d’un fil de litz 20 dépendent de plusieurs caractéristiques parmi lesquelles figurent le diamètre d’un brin 22 du fil de litz 20, le nombre de brins 22 formant le fil de litz 20, la longueur de pas L _P du fil de litz 20, la manière de torsader les brins 22 formant le fil de litz 20 (notamment en fonction du nombre de faisceaux 21 et du positionnement des faisceaux 21 ).

Comme indiqué précédemment, le dispositif de filtrage destiné à limiter les surtensions et les courants de mode commun dans la chaîne électromécanique 10 peut être formé par le câble 12 (ou une portion du câble 12) en fil de litz 20 et/ou une inductance (bobine) avec des spires en fil de litz 20.

La figure 6 représente schématiquement un exemple de réalisation d’une inductance 30 pour le dispositif de filtrage. Dans l’exemple considéré, l’inductance 30 comporte un noyau magnétique 31 présentant un entrefer 33 et formant une fenêtre de bobinage 36 traversée par les spires 34 en fil de litz 20. Le noyau magnétique 31 prend la forme d’un C quasiment fermé au niveau de l’entrefer 33 (ou la forme d’un O non fermé, dont l’ouverture est formée par l’entrefer 33). Le noyau magnétique 31 est réalisé en matériau ferromagnétique. Le noyau magnétique 31 permet de confiner et guider le champ magnétique dans l’inductance 30, afin d’augmenter la force du champ magnétique créé par la bobine. Les lignes de champ 32 du champ magnétique sont représentées sur la figure 6.

Il convient de noter que d’autres formes pourraient être envisagées pour le noyau magnétique 31 (forme en U, forme en E, forme en tore, etc.). Le noyau magnétique peut ou non comporter un entrefer 33. Le noyau magnétique peut ou non comporter des coins, et ces coins peuvent être à angles vifs ou arrondis. Le choix d’utiliser ou non un noyau magnétique 31 pour l’inductance 30 et le choix d’une forme particulière pour le noyau magnétique 31 ne sont que des variantes de l’invention.

Il est connu d’utiliser une inductance pour former un dispositif de filtrage permettant de limiter les surtensions ou les courants de mode commun dans une chaîne électromécanique 10. Toutefois, l’utilisation dans une telle inductance 30 d’un fil de litz 20 conçu pour maximiser les pertes ohmiques à la fréquence de résonnance n’est pas connue (une telle utilisation est par ailleurs surprenante puisqu’elle va à l’encontre de l’utilisation classique du fil de litz qui est conventionnellement employé pour réduire les pertes ohmiques).

Les pertes joules dans un fil de litz dépendent de la résistance de courant continu RDC et également de la résistance de courant alternatif RAC- Plus la fréquence du courant qui circule dans le fil de litz est grande, et plus le courant a tendance à circuler le long de la surface extérieure du conducteur. Aussi, plus la fréquence du courant qui circule dans le fil de litz est grande, et plus la résistance de courant alternatif RAC augmente par rapport à la résistance de coûtant continu RDC- Le rapport RAC/RDC décrit le rapport entre la résistance de courant alternatif RAC sur la résistance de courant continu RDC- Le rapport RAC/RDC est supérieur ou égal à un. Pour une conception de fil litz donnée, un fabricant de fil de litz est capable de déterminer la valeur du rapport RAC/RDC à une fréquence donnée.

Dans les utilisations conventionnelles du fil de litz, pour limiter les pertes ohmiques, on utilise généralement un fil de litz qui présente un rapport RAC/RDC proche de la valeur optimale 1 ,0 à une fréquence de travail relativement haute comprise dans une gamme de fréquences allant d’une dizaine de kHz à quelques MHz. Au contraire, dans l’invention on cherche à maximiser le rapport RAC/RDC du fil de litz à la fréquence de résonnance (haute fréquence), et à minimiser ce rapport à la fréquence fondamentale (basse fréquence). De préférence, le fil de litz 20 utilisé pour réaliser le dispositif de filtrage est conçu pour présenter un rapport RAC/RDC inférieur à 1 ,5 à la fréquence fondamentale de la tension d’alimentation du moteur 13, et pour présenter un rapport RAC/RDC supérieur à 100 à la fréquence de résonnance à l’origine de la surtension dans la chaîne électromécanique 10.

Le fil de litz 20 peut être conçu à l’aide d’une méthode d’analyse et de simulation mise en oeuvre par un ordinateur, dite « méthode des éléments finis » (en anglais « Finite Element Method » ou FEM). Pour cela, il convient dans un premier temps de modéliser les impédances de la chaîne électromécanique 10, et de déterminer la fréquence fondamentale de la tension d’alimentation du moteur 13 et la fréquence de résonnance de la chaîne électromécanique 10. La méthode des éléments finis permet ensuite de déterminer les paramètres du fil de litz 20 qui permettent d’obtenir les valeurs de rapport RAC/RDC souhaitées à la fréquence fondamentale et à la fréquence de résonnance. Les paramètres considérés pour le fil de litz 20 peuvent notamment comprendre le diamètre d’un brin 22 du fil de litz 20, le nombre de brins 22 formant le fil de litz 20, la longueur de pas L _P du fil de litz 20, et/ou la manière de torsader les brins 22 formant le fil de litz 20. La réduction de surtension engendrée par le dispositif de filtrage en fil de litz peut être estimée par des routines de calcul et de simulation.

Lorsque le dispositif de filtrage comporte une inductance 30, la méthode des éléments finis peut également permettre de définir certaines caractéristiques de l’inductance 30, comme par exemple la position des spires 34 en fil de litz 20 dans la fenêtre de bobinage 36 (voir ci-après en référence aux figures 7 à 9).

Il est également envisageable de déterminer les caractéristiques du fil de litz 20 et/ou de l’inductance 30, à l’aide de la méthode des éléments finis, non pas en fonction de valeurs cibles du rapport RAC/RDC, mais en fonction de valeurs seuils à respecter pour l’amplitude de la surtension et/ou des courant de mode commun.

Il convient de noter que lorsque le dispositif de filtrage correspond à un ensemble comportant à la fois le câble 12 (ou une partie du câble 12) et une inductance 30, les caractéristiques du fil de litz formant le câble 12 ne sont pas nécessairement identiques aux caractéristiques du fil de litz formant les spires 34 de l’inductance 30.

Lorsque le dispositif de filtrage comprend une inductance 30 avec des spires 34 en fil de litz 20 et un noyau magnétique 31 (comme illustré sur les figures 6 à 9), il est avantageux de placer les spires 34 dans la fenêtre de bobinage 36 aux endroits avec les plus fortes concentrations de champ magnétique, à savoir au niveau d’un entrefer 33 du noyau magnétique 31 (comme illustré sur les figures 7 et 9) et/ou au niveau d’un coin 37-1 , 37-2 du noyau magnétique 31 (comme illustré sur les figures 8 et 9). Cela permet en effet d’augmenter encore davantage les pertes à la fréquence de résonnance (haute fréquence comparativement à la fréquence fondamentale), afin de limiter les surtensions et les courants de mode commun. L’utilisation du fil de litz permet en revanche de limiter ces pertes à la fréquence fondamentale (basse fréquence), et ainsi de réduire l’impact sur le rendement de la chaîne électromécanique 10.

Il convient de noter que cette conception particulière (spires proches de l’entrefer et/ou des coins du noyau magnétique) est à l’opposée des conceptions conventionnelles d’inductance (conventionnellement, on cherche à éloigner les spires de l’entrefer et des coins du noyau magnétique).

La figure 7 représente un exemple de réalisation d’une inductance 30 similaire à celle illustrée en figure 6, mais où les spires 34 sont préférentiellement positionnées au niveau de l’entrefer 33 du noyau magnétique 31 . La fenêtre de bobinage 36 traversée par les spires 34 peut être découpée selon l’axe 35 en deux moitiés 36-1 et 36-2 : une première moitié 36-1 de la fenêtre de bobinage 36 est située plus près de l’entrefer 33 qu’une deuxième moitié 36-2. La première moitié 36-1 de la fenêtre de bobinage 36 est traversée par un plus grand nombre de spires 34 que la deuxième moitié 36-2 de la fenêtre de bobinage 36.

La figure 8 représente un exemple de réalisation d’une inductance 30 similaire à celle illustrée en figure 6, mais où les spires 34 sont préférentiellement positionnées au niveau d’un coin 37-1 du noyau magnétique 31 . Dans l’exemple illustré à la figure 8, le noyau magnétique 31 comporte au moins deux coins 37-1 , 37-2. Les spires 34 sont enroulées autour de la partie du noyau magnétique 31 qui relie les deux coins 37-1 , 37- 2. Le nombre de spires 34-a pour lesquelles la distance Dc-a entre la spire 34-a et le coin 37-1 le plus proche de la spire 34-a est inférieure à la distance Dm-a entre la spire 34-a et le milieu de la partie du noyau magnétique 31 qui relie les deux coins 37-1 , 37- 2 est supérieur au nombre de spires 34-b pour lesquelles la distance Dm-b entre la spire 34-b et le milieu la partie du noyau magnétique 31 qui relie les deux coins 37-1 , 37-2 est inférieure à la distance Dc-b entre la spire 34-b et le coin 37-1 le plus proche de la spire 34-b. Il est rappelé que le terme « coin » ne correspond pas nécessairement un angle vif formé par deux portions du noyau magnétique 31 : il peut s’agir d’un angle arrondi. La figure 9 représente un exemple de réalisation d’une inductance 30 similaire à celle illustrée en figure 6, mais où les spires 34 sont préférentiellement positionnées à la fois au niveau de l’entrefer 33 et au niveau de chacun des deux coins 37-1 et 37-2 reliés par la portion du noyau magnétique 31 autour de laquelle les spires 34 sont enroulées.

Des simulations réalisées par les inventeurs sont résumées dans le tableau ci- dessous pour la chaîne électromécanique 10 dans laquelle un dispositif de filtrage, correspondant à une inductance 30 du type de celles présentées en référence aux figures 6 à 9, est positionnée entre l’onduleur 11 et le moteur 13 pour filtrer les surtensions et les courants de mode commun. Les résultats permettent de comparer la résistance d’un câble formant une spire 34 de l’inductance 30 dans différents cas : selon que le câble est un câble conventionnel ou un câble en fil de Litz, et selon que la spire est positionnée au niveau de l’entrefer 33 ou éloignée de l’entrefer 33.

[Table 1 ]

Ces résultats mettent en évidence que lorsqu’on utilise un câble conventionnel, le fait d’approcher la spire de l’entrefer permet de multiplier par douze la valeur de la résistance du câble à la fréquence de résonnance. Cela permet d’augmenter les pertes à la fréquence de résonnance, ce qui permet d’amortir significativement la surtension. En revanche, cela présente l’inconvénient d’augmenter la résistance du câble à la fréquence fondamentale (augmentation de 10% environ), ce qui réduit le rendement de la chaîne électromécanique (augmentation des pertes à la fréquence fondamentale et donc diminution de la puissance disponible pour le moteur).

Le fait d’utiliser un câble en fil de litz permet en revanche d’augmenter considérablement la valeur de la résistance du câble à la fréquence de résonnance sans augmenter la valeur de la résistance du câble à la fréquence fondamentale. Lorsque la spire est éloignée de l’entrefer, le fait d’utiliser un câble en fil de litz permet de multiplier par six la valeur de la résistance du câble à la fréquence de résonnance (par rapport au cas où la spire est formée par un câble conventionnel et est éloignée de l’entrefer). Lorsque la spire est formée par un câble en fil de litz et qu’en outre la spire est proche de l’entrefer, la valeur de la résistance du câble à la fréquence de résonnance est multipliée par soixante (par rapport au cas où la spire est formée par un câble conventionnel et est éloignée de l’entrefer). Cela permet d’amortir significativement la surtension tout en limitant l’impact sur le rendement de la chaîne électromécanique.

Des simulations ont également été réalisées par les inventeurs dans un cas où le dispositif de filtrage correspond simplement au câble 12 conçu en fil de litz pour relier l’onduleur 1 1 et le moteur 13. Les graphiques des figures 10 et 11 illustrent la réduction de surtension grâce au filtrage opéré par le câble en fil de litz. Le graphique de la figure 10 correspond au cas où un câble conventionnel (et non pas un câble en fil de litz) est utilisé. Le graphique de la figure 1 1 correspond au cas où un câble en fil de litz est utilisé. Dans ces graphiques, la courbe 51 représente l’amplitude de la tension Uinv en sortie de l’onduleur 11 , et la courbe 52 représente l’amplitude de la tension U _mo t en entrée du moteur 13. Dans les deux cas, une surtension est observée en entrée du moteur. Il apparaît toutefois qu’avec le câble en fil de litz (figure 1 1 ), la surtension est amortie de façon beaucoup plus efficace qu’avec le câble conventionnel (figure 10). En particulier, l’amplitude maximale de la surtension en entrée du moteur est réduite d’environ 135V lorsque le moteur est mis sous tension.

La description ci-avant illustre clairement que, par ses différentes caractéristiques et leurs avantages, la présente invention atteint les objectifs fixés. En particulier, l’invention permet de réduire les surtensions et les courants de mode commun dans une chaîne électromécanique tout en limitant l’impact sur le rendement de la chaîne électromécanique.

De manière plus générale, il est à noter que les modes de mise en oeuvre et de réalisation considérés ci-dessus ont été décrits à titre d’exemples non limitatifs, et que d’autres variantes sont par conséquent envisageables.

Notamment, l’invention a été décrite pour une chaîne électromécanique 10 pour un système de propulsion d’un véhicule automobile électrique. L’invention pourrait toutefois trouver une application dans de nombreux autres domaines techniques : aéronautique, ferroviaire, naval, éolien, etc. L’invention est applicable pour limiter les surtensions et/ou les courants de mode commun dans toute chaine électromécanique de type onduleur-câble-moteur. Les caractéristiques du fil de litz 20 et de l’inductance 30 décrits en référence aux figures 3 à 9 ont été données à titre d’exemple et sont nullement limitatives. Les caractéristiques du fil de litz 20 (nombre de brins, diamètre d’un brin, longueur de pas, manière de torsader les brins, etc.) à utiliser pour réaliser le câble 12 et/ou pour réaliser les spires 34 de l’inductance 30 dépendent des caractéristiques de la chaîne électromécanique 10 (résistance des composants formant la chaîne, tension d’alimentation du moteur, etc.). Il en va de même pour les caractéristiques de l’inductance 30 (présence ou non d’un noyau magnétique 31 , et le cas échéant positionnement des spires 34 par rapport à un entrefer ou un coin du noyau, etc.). Ces différentes caractéristiques peuvent être déterminées à l’aide d’un algorithme mettant en oeuvre la méthode des éléments finis, par exemple en fonction de valeurs seuils à respecter pour l’amplitude des surtension et/ou des courant de mode commun, ou en fonction de valeurs cibles du rapport RAC/RDC pour le fil de litz.