Brevet FR2484165A1 — publié le 19811211

La présente invention concerne un ventilateur et plus précisément un ventilateur léger, peu encombrant et à faible moment d'inertie destiné à être utilisé par exemple avec un radiateur pour le refroidissement d'un moteur d'au- tomobile. De l'eau ou un fluide de refroidissement de moteur d'automobile à refroidissement par liquide circule habituel- lement dans un radiateur. Les radiateurs comportent des ven- tilateurs qui aspirent l'air à travers le radiateur afin que l'eau ou le fluide de refroidissement-se refroidisse et puisse à son tour refroidir le moteur. Par exemple, le ven- tilateur est raccordé à une poulie entraînée par le moteur. La poulie, le dispositif d'entraînement de la poulie et le ventilateur occupent un espace considérable dans le compar- timent du moteur. De plus, le ventilateur est entraîné cons- tamment lorsque le moteur fonctionne si bien que la charge subie par celui-ci est accrue. Cette charge est appliquée malgré que, lors de la mise en route ou à vitesse élevée par temps froid, la circulation de l'air assurée par le ventilateur à travers le radiateur pour le refroidissement de l'eau ou du fluide de refroidissement puisse être super- flue. En fait, les moteurs d'automobiles comportent habi- tuellement des thermostats qui empêchent la circulation de l'eau ou du fluide de refroidissement dans le moteur et le radiateur tant que la température du moteur n'atteint pas une valeur prédéterminée. Dans certains véhicules ayant des moteurs montés transversalement et dans d'autres aussi, le ventilateur en- traîné par le moteur a déjà été remplacé par un ventilateur entraîné par un moteur électrique. Dans ces ventilateurs de refroidissement de radiateurs entraînés par un moteur élec- trique, la poulie est remplacée par un moteur électrique classique. La longueur totale de l'ensemble du ventilateur, comprenant un tel moteur électrique, est pratiquement égale à celle d'un ensemble à poulie et ventilateur ou légèrement supérieure. Les moteurs électriques de tels dispositifs sont dans de nombreux cas commandés thermostatiquement afin qu'ils s'arrêtent et se mettent en route en fonction du refroidisse- ment nécessaire du moteur. Cependant, la dimension et le poids total du ventilateur et du moteur électrique nécessitent des précautions pour l'arrangement des structures de montage et la disposition des autres éléments d'automobiles afin que le ventilateur et son moteur aient l'espace nécessaire. On a déjà proposé l'utilisation de moteurs à circuits imprimés ou plats pour l'entraînement des ventilateurs de refroi- dissement des radiateurs, au moins depuis juillet-août 1975, dans l'article de P..Campbell et A.E. Corbett, paru aux pa- ges 34 et 35 de Automotive Design Engineering. Dans ces mo- teurs à circuit imprimé, le porte-balais est placé entre des aimants adjacents et est destiné à coopérer avec un com- mutateur placé circulairement autour de l'axe de rotation du moteur et axialement le long de cet axe. Ainsi, les balais sont au contact de l'induit, en direction perpendiculaire à l'axe de rotation du moteur et du ventilateur. L'invention concerne un ensemble léger, peu encom- brant et efficace comprenant un ventilateur et son moteur, constituant une structure unitaire ayant une longueur axiale qui, mesurée parallèlement à l'axe de rotation du ventila- teur, est pratiquement égale à la longueur axiale du venti- lateur lui-même. L'ensemble moteur comporte un moteur électri- que qui a un rotor supportant les pales du ventilateur au- tour de la périphérie du rotor. Ce dernier peut être un cône plat ou une coupelle peu profonde et il s'agit de préférence d'un disque plat. Le rotor et les pales du ventilateur sont avantageusement formés par une pièce moulée unique si bien que le coût de fabrication est nettement réduit par rapport à celui d'un ventilateur et d'un moteur séparés. Dans un mode de réalisation de l'invention, le rotor a la forme d'une plaque circulaire destinée à sup- porter un induit et un anneau aimanté placé derrière l'in- duit, ce dernier et l'anneau étant concentriques à l'axe de rotation du rotor. Un commutateur à balais est formé dans une zone circonférentielle du diamètre interne de l'induit et se trouve dans son plan. Le rotor a avantageusement une cavité centrale et des surfaces concentriques formant ner- vures si bien que l'induit et l'anneau aimanté peuvent être logés en retrait dans la plaque et la longueur axiale de l'ensemble peut être réduite. L'anneau aimanté est formé d'un ruban magnétique enroulé avec des spires bien serrées. L'induit est formé d'un organe isolant en forme de disque sur lequel des conducteurs électriques sont placés à la fois le long des surfaces avant et arrière,, par mise en oeuvre d'un procédé de fabrication de circuits imprimés tel que décrit dans le brevet des EtatsUnis d'Amérique no 3 144 574 ou d'un procédé d'enroulement de fil tel que décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique no 3 834 014. D'autres configurations d'enroulement de l'induit sont représentées dans les brevets des Etats-Unis d'Amérique no 4 143 288 (figure 1) et 4 107 587 (figure 1). La partie fixe du mo- teur dans un tel mode de réalisation comporte un stator ayant une faible épaisseur et comprenant un ensemble d'ai- mants circulaires formant un arrangement annulaire autour de l'axe de rotation. Le rotor est supporté afin qu'il puisse tourner, par des roulements et un arbre qui est fixé dans le stator. Un jeu de balais est placé près de l'arran- gement annulaire d'aimants et au contact de la zone du com- mutateur plan de l'induit afin que les enroulements soient alimentés électriquement et permettent la rotation de l'in- duit et des ailettes du ventilateur. L'épaisseur globale du ventilateur, entre ses deux faces, y compris l'ensemble mo- teur, est à peu près égale à la dimension interne des ai- lettes du ventilateur si bien que celui-ci peut être placé dans des régions déjà encombrées d'une automobile, par exemple dans l'espace compris entre le radiateur et la ca- landre et, dans le cas des véhicules à air conditionné, entre le radiateur et le condenseur de l'appareil de condi- tionnement d'air. Dans un autre mode de réalisation de l'invention, le rotor ou la partie rotative du moteur comporte un ensemble d'aimants de forme circulaire disposéssuivant un arrangement annulaire autour de l'axe de rotation. Dans ce mode de réali- sation, l'induit et l'anneau aimanté placé derrière l'in- duit et de préférence formé d'un ruban magnétique enroulé à spires serrées, forment la partie fixe du moteur et ils sont placés annulairement autour de l'axe-de rotation. Le rotor est supporté afin qu'il puisse tourner par des roule- ments montés sur un arbre fixé dans le stator. Un anneau de ferrite liée par du caoutchouc, ayant une polarisation al- ternée tous les 450, est placé autour du moyeu du rotor, dans l'alignement des capteurs magnétiques du stator. Ces capteurs magnétiques sont reliés à un décodeur tel que décrit et re- présenté dans la demande de brevet français n0 79.11 417, afin que les champs magnétiques soient formés sélectivement et progressivement dans les enroulements de l'induit, en avant des aimants rotatifs. Ainsi, le moteur n'a pas de balai, dans ce mode de réalisation. Le frottement, l'usure, les bruits des balais et les inconvénients analogues sont éliminés. D'autres caractéristiques et avantages de l'inven- tion ressortiront mieux de la description qui va suivre, faite en référence aux dessins annexés sur lesquels: - la figure 1 est une vue en plan avec des parties arrachées d'un ensemble comprenant un ventilateur en forme de disque et un moteur qui lui est solidaire, selon l'inven- tion, les parties arrachées représentant les aimants du sta- tor et un enroulement de l'induit de l'ensemble; - - la figure 2 est une coupe de l'ensemble de la figure 1 suivant la ligne II-II; - la figure 3 est analogue à la figure 1 mais re- présente un mode de réalisation à moteur sans balai; et - la figure 4 est une coupe de l'ensemble de la figure 3 suivant la ligne IV-IV. Les figures 1 et 2 représentent en plan et en cou- pe un ventilateur 26, formé avec une faible épaisseur dans un mode de réalisation de l'invention. Le ventilateur 26 est fixé à un support non représenté par un boulon 28 et un écrou 30. Le ventilateur comporte un ensemble d'ailettes 32 en une seule pièce, fixé le long de la périphérie d'un en- semble 34 d'entraînement qui est indiqué schématiquement sur la coupe du ventilateur 26. L'ensemble 34 d'entraînement comporte un organe rotatif ou rotor 36, monté concentrique- ment sur un organe fixe qui comporte un stator-38. La dis- tance séparant les faces avant et arrière dé l'ensemble 34 d'entraînement est faible afin qu'une cavité soit délimitée dans le rotor 36, et le stator 38 se loge dans cette cavité. La faible épaisseur de l'ensemble 34 d'entraine- ment est obtenue avantageusement par utilisation d'un moteur à circuit imprimé ayant un entrefer axial, avec une configu- ration à bobine mobile.Le moteur comporte le rotor précité 36, un induit 40, un anneau aimanté 42, formé avantageuse- ment d'une bande magnétique enroulée avec des spires serrées, et un arrangement annulaire d'aimants formé d'un jeu de pôles 44 de forme circulaire réalisé dans un anneau 45 d'une ma- tière constituant un aimant permanent, par exemple une fer- rite de baryum ou de strontium. Les pôles 44 et l'anneau spiralé 42 forment un circuit magnétique. Dans le mode de réalisation des figures l et 2, le moteur comporte en outre un jeu de balais placé dans l'arrangement annulaire des pâles 44, un tel balai 46 étant représenté sur la figure 2. Les balais qui sont montés dans des supports 47, peuvent se dé- placer parallèlement à l'axe de rotation du rotor 36 et sont repoussés élastiquement de manière classique au contact de la partie de l'enroulement 52 de l'induit 40 qui forme le commutateur. Cette partie de l'enroulement 52 est disposée circonférentiellement autour de l'enroulement dans la région adjacente au diamètre interne de l'enroulement 52 et elle est plane dans le plan de rotation du rotor 36. Ainsi, tout déplacement axial du rotor 36 par rapport au stator 38 est compensé facilement par les balais 46 qui sont repoussés élastiquement, sans interruption ou modification du trajet des balais le long du commutateur, sans détérioration du trajet suivi par le ou les balais et sans le bruit qui est dû à ces imperfections. Le rotor est formé de préférence d'une seule pièce moulée d'une matière légère et semi-rigide, dé préférence une matière plastique à résistance élevée aux chocs et ayant une bonne stabilité thermique, étant en outre isolante de l'élec- tricité telle que le polystyrène ou le polyuréthanne. Le rotor 36 a un rebord externe 48 constituant une base de support des ailettes 32 et délimite aussi lacavité dans le rotor 36 afin qu'elle loge les pôles 44 du stator 38 et les balais 46. Une bande circonférentielle 50 est au contact des bords externes des ailettes 32 et donne une certaine rigidité au ventilateur 26. L'anneau aimanté 42 est avantageusement enrobé dans la matière du rotor 36, l'induit 40 étant placé le long de l'anneau 42 et en étant séparé par une distance suffisante du fait de la présence d'un isolateur 51 de ré- sine époxyde chargée de fibres de verre, placé entre l'an- neau 42 et l'enroulement 52 de l'induit 40. Comme l'indique la figure 2, le rotor 36 a la for- me d'une plaque ayant le rebord externe précité 48 ainsi qu'un rebord interne 54 qui est fixé, par un roulement radial 56 et une butée 58, sur un arbre 60 du stator 38. Le roulement 56 et la butée 58 permettent la rotation du rotor 36 autour de l'arbre 60 et le positionnement précis du rotor 36 par rapport au stator 38 afin qu'un espace convenable soit dé- limité entre l'induit 40 et les pôles 44 des aimants, la dis- tance de séparation assurant l'isolement électrique de l'en- roulement 52 par rapport aux pôles 44 mais permettant la propagation du flux magnétique dans l'induit 40 jusqu'à l'anneau aimanté 42 formant un circuit de retour. Le boulon 28 de montage est représenté dans un alésage central de l'ar- bre 60. Une plaque 62 du stator 38, ayant une bonne perméa- bilité magnétique, porte les pôles afin qu'ils aient une orientation parallèle à l'axe du boulon 28 et de l'arbre autour duquel tourne le rotor 36. Le sens de polarisation des aimants 44 alterne comme l'indiquent les désignations N et S sur la figure 1 et comme décrit en référence aux figu- gres 2 et 3 de la demande publiée de brevet français n0 2 328 260.Les enroulements sont aussi portés des deux côtés d'un organe isolant de l'induit 40 et sont inclinés par rapport aux rayons de l'induit 40 afin qu'ils donnent le sens mutuel convenable entre un courant circulant dans les enroulements 52 et le champ d'un pôle 44 comme décrit dans le brevet précité des Etats-Unis d'Amérique n0 3 144 574. De cette manière, lorsque les enroulements 52 reçoivent des courants électriques circulant dans les balais, aux points de contact de ceux-ci avec l'enroulement 52, une force est appliquée aux enroulements 52 et provoque la rotation du rotor 36. Un courant électrique est transmis aux balais 46 par des fils 64, à partir d'une alimentation convenable (non représentée) qui transmet un courant électrique telle qu'une batterie d'accumulateurs d'automobile. - Dans le mode de réalisation des figures 3 et 4, l'ensemble d'entraînement du ventilateur, intégré aux ai- lettes de ce dernier, donnant à l'ensemble une faible épais- seur, est du type à moteur sans balai. Dans ce mode de ré- alisation, l'ensemble 70 du ventilateur est monté sur un support (non représenté) par un boulon 72 et un écrou 74. Les ailettes 76 du ventilateur sont moulées en une seule pièce avec le rotor 78 et le rebord 80 placé circonférentiellement autour du rotor 78 à la périphérie des ailettes 76. Des ai- mants 82 formant un arrangement alternant de pôle Nord et de pôle Sud placé circonférentiellement autour du boulon 72, sont moulées dans le rotor 78. Un anneau 85 d'une matière ayant une bonne perméabilité magnétique telle quDun acier faiblement allié, est moulé dans le rotor 78, derrière l'élément 82. Les ailettes 76, l'anneau 80 et le rotor 78, mis à part les parties moulées à l'intérieur, sont moulés en une seule pièce de matière plastique isolante de l'élec- tricité, semi-rigide, thermiquement stable, légère et ayant une bonne résistance aux chocs, telle que le polystyrène ou de polyuréthanne. Le rotor 78 est monté afin qu'il tourne sur le boulon 72, par un roulement 84 et une butée 86. Le rotor 78 a une cavité entre l'extrémité interne des ailettes 76 et son moyeu 104. Du côté de la cavité le plus proche du moyeu 104, le rotor 78 a un anneau 88 d'une ferrite liée par du caoutchouc, disposé circonférentiellement autour du moyeu et ayant des polarisations alternées formant des pôles Nord et Sud tous les 450, dans un but décrit dans la suite. Dans le moteur sans balai des figures 3 et 4, l'induit 90 est formé par un disque diélectrique 92 et des enroulements 94 et il est fixé par collage à l'aide d'un adhésif 96 isolant de l'électricité, d'un côté d'un anneau aimanté 98 formé d'un ruban magnétique enroulé avec des spires serrées. Cet anneau aimanté 98 est fixé par une colle sur une plaque 102 de montage fixée au moyeu 104 qui est monté en position fixe sur le boulon 72. Des capteurs 106, dont un seul est représenté, sont montés en position fixe sur la plaque 102 de montage et sont reliés par des fils 108 à un mécanisme de commutation tel que décrit dans la demande précitée de brevet français n0 79.11 417. Dans let modes de réalisation de moteur à balais des figures 1 et 2 et de moteur sans balais des figures 3 et 4, l'induit est alimenté à partir du circuit électrique du véhicule, habituellement un circuit à 12 V continus compre- nant une batterie d'accumulateurs et un alternateur. Dans le mode de réalisation à balais des figures 1 et 2, cette ali- mentation s'effectue par l'intermédiaire des balais alors que, dans le mode de réalisation des figures 3 et 4, l'induit est alimenté par un arrangement de commutation tel que décrit dans la demande précitée de brevet français n0 79.11 417, sous la commande du circuit électrique et d'après les posi- tions relatives de l'anneau 88 de ferrite à polarisation alternée et du capteur 106. Dans les deux cas, le ventilateur et son moteur sont peu encombrants et ont une longueur qui correspond sensiblement à celle des ailettes. Il est bien entendu que l'invention n'a été décrite et représentée qu'à titre d'exemple préférentiel et qu'on pourra apporter toute équivalence technique dans ses éléments constitutifs sans pour autant sortir de son cadre. 2 48 4 1 6 5 REVENDICATIONS 1. Ensemble intégré comprenant un ventilateur et un moteur électrique à circuit imprimé, caractérisé en ce qu'il comprend un ensemble formant stator (38), un ensemble formant induit (36) ayant des enroulements plans (52), un dispositif (28, 56, 58) de montage des ensembles afin que l'un de ceux- ci tourne dans un plan en face de l'autre, l'ensemble tour- nant étant solidaire d'un jeu d'ailettes de ventilateur qui en dépassent à sa circonférence, l'ensemble formant stator (38) comprenant un circuit magnétique dirigeant un champ magnétique vers les enroulements plans (52) de l'induit (40) en direction perpendiculaire au plan de l'induit, l'ensemble formant induit (36) comprenant un anneau. (42) formé d'un ru- ban magnétique enroulé en spirale et fixé à l'induit de ma- nière qu'il forme un trajet de retour de flux magnétique du champ magnétique, et un dispositif (46) d'alimentation élec- trique des enroulements plans (52) de l'induit afin que l'un des ensembles soit entraîné en rotation en face de l'autre, avec les ailettes qui lui sont solidaires. 2. Ensemble selon la revendication 1, caractérisé en ce que les enroulements (52) de l'induit (40) sont disposés dans des plans parallèles au trajet plan de rotation. 3. Ensemble selon la revendication 2, caractérisé en ce que le circuit magnétique comprend un jeu de pôles (44) d'aimants formant un arrangement annulaire autour de l'axe de rotation. 4. Ensemble selon la revendication 3, caractérisé en ce que le dispositif d'alimentation électrique (46) comprend un dispositif à balai placé autour de l'axe de rotation et à l'intérieur de l'arrangement annulaire afin qu'il forme un ensemble d'entraînement en forme de disque. 5. Ensemble selon la revendication 3, caractérisé en ce que le dispositif d'alimentation électrique comprend un anneau aimanté polarisé (98) monté sur celui des ensembles qui tourne, et des capteurs (106) montés sur l'autre ensem- ble dans l'alignement de l'anneau aimanté polarisé. 6. Ensemble selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'ensemble formant stator (38) est fixe et l'ensemble à induit (36) qui a les enroulements plans (52) est monté de manière qu'il tourne suivant un trajet formé dans-un plan, en face du stator. 7. Ensemble selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'ensemble à induit comprend un commutateur plan des- tiné à tourner dans le plan dudit trajet. 8. Ensemble selon la revendication 7, caractérisé en ce que le dispositif d'alimentation électrique comprend un dispositif à balai (46) monté sur le stator autour de l'axe de rotation et destiné à se déplacer parallèlement à l'axe de rotation afin qu'il coopère avec le commutateur plan. 9. Ensemble selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'ensemble à induit (36) ayant des enroulements plans est fixe et l'ensemble à stator (38) est monté de manière qu'il tourne en face de l'ensemble à induit, dans le plan dudit trajet. 10. Ensemble selon la revendication 9, caractérisé en ce que le dispositif d'alimentation électrique comprend un anneau aimanté polarisé (98) monté sur l'ensemble formant stator et destiné à tourner autour de l'axe avec celui-ci, et des capteurs montés en position fixe sur l'ensemble for- mant induit en face de l'anneau aimanté polarisé (98).