Brevet FR2515744A1 — publié le 19830506

La présente invention concerne un électro-aimant & double enroulement pour démarreur de moteur à combustion interne, et particuliêrement de voiture automobile, du type capable de provoquer, par la création d'un champ magnétique, le déplacement du noyau mobile d'une position de repos à une position de travail (phase d'arrachement) et ensuite le maintien du noyau dans cette position de travail (phase de maintien) pendant laquelle il commande au moyen d'un dispo- sitif d'embrayage, le branchement du démarreur au moteur thermique, et au moyen d'un élément de connexion électrique, la fermeture du circuit d'alimentation du démarreur et est en outre en mesure, de provoquer par l'annulation du champ magnétique (phase de détente) le retour en position de repos du noyau et des pièces commandées. Dans les électro-aimants, du type ci-dessus mentionné, on distingue trois phases de fonctionnement; une phase initiale ou d'arrachement, une phase intermédiaire ou de maintien, et une phase finale ou de détente Les deux enroulements sont normalement appelés enroulement d'arra- chement ou de maintien suivant que leur excitation dans une de ces phases est prépondérante ou bien la seule. La phase d'arrachement se vérifie dès que l'opérateur tourne la clé d'allumage du moteur thermique en position de démarrage Par cette manoeuvre, on excite les deux enroulements qui, dans cette phase initiale, se trouvent en parallèle, en donnant lieu à un champ magnétique qui provoque le déplacement du noyau mobile de l'électro-aimant et des pièces qui lui sont reliées, d'une position de repos vers une position de travail Ces pièces comprennent, d'un côté le dispositif d'embrayage qui assure le branchement mécanique du démarreur au moteur thermique et d'autre part, un élément de branchement électrique qui assure le branche- ment de la batterie d'alimentation audit démarreur. On notera que dans la phase d'arrachement le champ magnétique résultant est produit essentiellement par l'en- 2. roulement d'arrachement étant donné qu'alors l'enroulement de maintien est parcouru par un courant de faible intensité. La phase de maintien coïncide avec le temps d'alimen- tation du démarreur et bien entendu avec le démarrage simultané du moteur thermique. Dans cette phase, cependant, le noyau et les pièces qu'il entraîne sont maintenus en position de travail par l'effet de l'excitation du seul enroulement de maintien, l'autre enroulement (enroulement d'arrachement) étant exclu parce qu'il est court-circuité. Enfin, la phase de détente a lieu dès que la clé d'allumage est ramenée en position de repos Par cette muanoeuvre, on obtient l'annulation du champ magnétique et le noyau et les diverses pièces qu'il commande viennent en position de repos L'annulation du champ se vérifie du fait que les deux enroulements, branchés en série dans cette phase, ont le même nombre de spires et sont traversés par des courants de sens contraire et par conséquent les ampères/spires totaux sont nuls Les électro-aimants à double enroulement du type décrit ci-dessus présentent certains inconvénients et certaines limites Tout d'abord, les deux enroulements sont faiblement exploités aussi bien dans la phase d'arrachement que dans celle de maintien En effet, dans la phase d'arrachement, l'enroulement de main- tien, comme expliqué ci-dessus, est parcouru par un courant de faible intensité et par conséquent le champ nécessaire pour provoquer le déplacement du noyau, etc doit être produit presque exclusivement par les ampères/spires de l'enroulement d'arrachement Mais, cet enroulement, qui doit avoir le même nombre de spires que l'enroulement de maintien pour obtenir l'annulation du champ dans la phase de détente, doit nécessairement employer des conducteurs ayant une section plus grande pour supporter des intensités de courant élevées, ce qui a pour résultat d'augmenter le poids, l'encombrement et le coût de l'électro-aimant. Le courant qui traverse l'enroulement de maintien en phase d'arrachement est de faible intensitéparve que c'est ce m 5 me courant qui traverse successivement ledit enroule= ment nr 4 Bhase dea L i;'L N dN a;aiur doi tre lwitee parce qu'un courant de valeur élevée provoauerait des dompgaux circuits électriques branches et en outre déchargerait excessivement la batterie, compte tenu du fait que la phase de maintien dure un temps relativement long, de l'ordre de quelques dizaines de secondes. L'exploitation déficiente des deux enroulements est encore plus évidente dans la phase de maintien En effet, dans cette phase on alimente seulement l'enroulement de maintien, l'autre étant court-circuité et donc non utilisé. Enfin, dans les électro-aimants connus, la condition nécessaire pour que dans la phase de ?' l _ S y avoir l'annulation du champ magnétique et par conséquent le retour à la position de repos du noyau et des pilces qu'il commande, est que le nombre de spires de l'enroulement d'arrachement soit égal à celui de l'enroulement de maintien. Cette condition constitue une contrainte qui limite les possibilités de projet de l'électro-aimant Le but principal de la présente invention est de réaliser un électro-aimant pour démarreur du type décrit ci-dessus, dans lequel les deux enroulements sont exploités au maximum de façon que l'électro-aimant soit plus léger et moins encombrant par rapport aux électro-aimants classiques, à égalité de puissance. Un autre but de la présente invention est de réduire,, en outre, le poids de l'électroaimant, en utilisant, pour une égalité d'encombrement des enroulements d'aluminium au lieu d'enroulements en cuivre. Un dernier objet de l'invention est de réaliser un électro-aimant qui soit en mesure, pendant la phase de maintien, de maintenir le noyau et les pièces qu'il commande en position de travail, méme s'il se vérifie un certain abaissement de la tension. Enfin, une dernier but de la présente invention est de réaliser un électro-aimant dans lequel le nombre de spires d'un enroulement ne soit pas lié au nombre de spires de l'autre. Selon l'invention, les buts cidessus sont réalis 6 S à l'aide d'un électro-aimant à double enroulement dont les deux enroulements sont alimentés au degré maximum d'exploita- tion aussi bien en phase d'arrachement dans laquelle ils se trouvent branchés en parallèle qu'en phase de maintien ou ils se trouvent branchés en série, tandis qu'ils sont tous les deux privés d'alimentation en phase de détente, et pour lesquels le branchement parallèle-série des enroulements et l'alimentation du démarreur sont réalisés à l'aide de moyens de commuta 1 t- commandes par le noyau de l'électro-aimant grâce à un équipement mobile. De cette façon, les deux enroulements sont toujours introduits et exploités au maximum dans les deux premières phases et, par conséquent, il est possible d'employer des conducteurs en cuivre à section réduite et/ou à nombre de spires réduit, ce qui a l'avantage de réduire le poids et l'encombrement de 1 'électro-aimant. En variante, à égalité d'encombrement, les enroulements peuvent être en aluminium. Dans la phase de maintien, les deux enroulements en série, à égalité d'intensité, créent un champ magnétique double puisque le nombre d'ampères/spires est lui-même double, ce qui assure le maintien en position de travail des pièces concernées même s'il se produit un abaissement de tension. En phase de détente, l'annulation du champ magnétique S'effectue du fait que les deux enroulements ne sont pas parcourus par un courant Par conséquent, pour le retour en position de repos du noyau et des pièces qu'il commande, aucun rapport n' est exigé entre le nombre de spires des deux enroulements, spires qui peuvent donc être fixées librement par rapport à d'autres exigences du projet. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention ressortiront de la description qui va suivre, faite en regard des dessins annexes, d'une forme préférée de réalisation de l'électro-aimant. Sur ces dessins, la figure l représente une vue, partiellement en coupe, du dispositif d'embrayage et de démarrage du moteur thermique, muni d'un électro-aimant conformément à l'invention; la figure 2 représente, à une échelle agrandie, l'électro- aimant de la figure I; la figure 3 est une coupe partielle suivant la ligne III-III de l'électro-aimant de la figure 2; et la figure 4 représente le schéma électrique de l'électro- aimant selon l'invention dans les diverses phases de fonctionnement. Le dispositif de la figure i comprend, d'une façon connue, un moteur électrique à courant continu 1, ci-après dénommé démarreur, et un électroaimant à double enroulement 2 Sur l'arbre 3 du moteur est monté, pour correspondre à une partie à cannelures, un manchon bulissant 4, -et vis-àvis de l'extrémité de commande, un pignon 5 destiné à s'engager dans une couronne dentée 6 du moteur à combustion interne ou moteur thermique (non représenté). Le manchon et le pignon sont accouplés entre eux au moyen d'un dispositif de roue libre 7 connu. L'électro-aimant 2 comprend un noyau mobile 8 relié au manchon 4 aumoyen d'un levier 9 et un noyau fixe 10. Autour des deux noyaux et à l'intérieur du corps ferro- magnétique 11, on a disposé les deux enroulements concen- triques 12 et 13 dont le premier est à l'intérieur. Le repère numérique 14 indique la borne d'entrée de l'électro-aimant branchée directement à la batterie du véhicule, et le repère numérique 15 indique la borne de sortie branchée au moteur 1, enfin le repère numérique 16 indique la calotte isolante de fermeture. En fonctionnement, comme cela sera décrit plus en détail par la suite, l'excitation de l'électro-aimant provoque ' d'abord un déplacement axial de l'ensemble manchon 4 pignon , de telle façon que ce dernier vienne s'engrener avec la couronne 6 et, successivement, entra Ine la fermeture du circuit d'alimentation du moteur 1 qui entraîne, par l'in- termédiaire de l'accouplement pignon-couronne, le moteur thermique jusqu'au démarrage de ce dernier. Lorsque le moteur thermique a démarré, l'électro- aimant est désexcité et les divers organes reprennent la position de repos qui est celle représentée à la figure 1. L'alimentation des enroulements 12, 13 et du moteur 1 est réalisée à l'aide de moyens de commutation commandés par le-noyau 8, par l'intermédiaire d'un élément mobile 17, le tout plus clairement visible sur les figures 2, 3 et 4, dans lesquelles les pièces correspondantes sont indiquées à l'aide des mêmes repères numériques. L'élément mobile 17 comprend une tige isolante mobile 18 qui se termine du côté du noyau mobile par une tête 18 ', et un manchon 19, également isolant, qui entoure librement, ladite tige et qui peut se déplacer dans un trou 20 du noyau fixe 10. La tête 18 ' est normalement éloignée du manchon 19 par un intervalle H. Les moyens de commutation qui concourent à l'excitation des enroulements 12 et 13 et à l'alimentation du moteur 1 sont constitués par deux contacts mobiles coopérant chacun avec un double couple de contacts fixes Les contacts mobiles et les contacts fixes sont coaxiaux. Un premier contact mobile est constitué par une pla- quette métallique percée 21, traversée par la tige 18, et serrée de manière élastique entre deux coupelles 22-23, montées de façon à pouvoir se déplacer sur la tige 18 et qui se rencontrent sur un bord intermédiaire de la tige formée, par exemple, par une bague seeger 24. Le montage élastique de la plaquette '21 est assur C au moyen de deux re rts '- " 25 et 2 ? nontÈs autor de la tige, et dont l'un 25 se trouve entre le fond de la calotte 16 et la coupelle 22 qui lui fait face, et l Vautre 26 entre la coupelle 23 et l'extrémité qui lui fait face du manchon 19. Ces ressorts sont préchargés, mais le ressort 25 a une charge supérieure à celle du ressort 26. La plaquette 21 coopère avec un double couple de contacts fixes, un couple inférieur 27, 28 et un couple supérieur 29, 30. Dans les conditions de repos, le ressort 25 maintient la plaquette 21 en po Itlo" de repos, c'est=lJe contact avec le couple inférieur de contacts 27, 28 (couple de repos), tandis que dans les conditions de travail, c'est-à-dire lorsque la tige 18 est entraînée par le noyau mobile 8, ladite plaquette est maintenue par le ressort 26 en position de travail, c'est-à-dire au contact du couple supérieur de contacts 29, 30 (couple de travail). Pour réaliser la compression du fonctionnement, on notera, dès maintenant, que la course h que doit effectuer la plaquette 21 pour venir au contact des contacts supê- rieurs 29, 30 est inférieure à la course H que la tête 18 g de la tige 18 doit effectuer pour venir au contact de l'extrémité lui faisant face du manchon 19 Un second contact mobile est constitué lui aussi par une plaquette métallique percée 31, traversée par la tige 18 et par le manchon 19, qui coopère avec un double couple de contacts fixes, un couple inférieur 32, 33 (couple de repos) fixés au noyau 10 par la petite base isolante 34 et un couple supérieur 35, 36 (couple de travail) reliés respectivement aux bornes 14, 15. L'expression inférieur et supérieur utilisée pour les quatre couples de contacts se rapporte évidemment aux dessins. Dans les conditions de repos, la plaquette 31 est maintenue au contact du couple inférieur 32, 33 par l'action du ressort 26 qui agit sur elle par l'intermédiaire d'un bord 19 ' de l'extrémité du manchon 19, extrémité qui a la forme d'un gobelet et présente un siège pour l'appui dudit ressort 26. Dans les conditions de travail, au contraire, la plaquette 31 est au contact du couple supérieur 35, 36 et branche la batterie B au moteur 1. Un troisième ressort 37 également disposé autour du manchon 19, entre la plaquette 31 et un bord de contact par exemple une bague seeger 38, porté par le manchon 19, a pour but C"appliquez, pendant le fonctionnement, ladite plaquette 31 sur les contacts fixes supérieurs 35, 36. Le branauhentent électrique des quatre couples de contacts fixes 27-28 et 29-30, d'une part, et 32-33, 35-36 d'autre part, est représenté sur les schémas de la figure 4 qui montrent les diverses pièces de l'électroaimant à l'état de repos (figure 4 a), dans la phase d'arrachement (figure 4 b), dans la phase de maintien (figure 4 c) et dans la phase de détente (figure 4 d). On note, dans ces schémas, que l'enroulement 12-peut être branché par une de ses extrémités a la batterie B par l'intermédiaire de l'interrupteur ou de la clé d'allumage I et par l'autre extrémité est branché au contact de repos 32 de la plaquette 31, qui a son tour est relié au contact de travail 29 de la plaquette 21. On note également que l'enroulement 13 est branché par une extrémité à la batterie B par l'intermédiaire du contact de repos 28, de la plaquette 21, du contact de repos 27 et de l'interrupteur I et par l'autre extrémité, il est à la masse Le contact de repos 33 de la plaquette 31 est également mis à la masse. Les contacts 35 et 36 constituent manifestement des contacts d'alimentation du démarreur 1. On décrira maintenant le fonctionnement de l'électro- aimant en se reportant en particulier aux schémas de la figure 4. Conditions de repos (figure 4 a) Les plaquettes 21 et 31 branchent respectivement les contacts de repos 27-28 et 32-33 Les plaquettes sont appliquées sur les contacts respectifs par les ressorts 25 et 26 (figures 2 et 3) qui ont également pour fonction de ramener la tige 18 et le manchon 19 en position de repos. Phase d'arrachement (figure 4 b) Cette phase commence par la fermeture de l'interrup- teur I et est très brève. Les deux enroulements 12 et 13 se trouvent alors en parallèle et sont alimentés par la batterie B par l'inter- médiaire de l'interrupteur I Le circuit d'alimentation de l'enroulement 13 comprend la plaquette 21 en position 27-28 tandis que le circuit d'alimentation de l'enroulement 12 comprend la plaquette 31 en position 32, 33 Les flèches indiquent le sens du courant qui concorde. Par suite de l'excitation des deux enroulements, on crée un champ magnétique qui provoque le déplacement du noyau mobile 8 vers le noyau fixe 10. Pendant ce déplacement, le noyau 8 vient d'abord au contact de la tête 18 ' de la tige 18, puis en continuant sa course, il commute, grâce au déplacement de la tige 18 de la plaquette 21 sur des contacts respectifs supérieurs ou de travail 29, 30 La commutation de la plaquette 21 se fait naturellement sous la poussée du ressort 26. Simultanément, le noyau 8 par l'intermédiaire du levier 9 et du manchon coulissant 4, commande d'abord l'engrènement partiel du pignon 5 sur la couronne 6 et ensuite pendant la course H et le déplacement successif, l'engrènement complet desdits organes. Lorsque la plaquette 31 est appliquée aux contacts d'alimentation 35, 36, le moteur 1 est branché à la batterie B, par conséquent il se met en route en entraînant le moteur thermique. On notera que dans la phase mentionnée ci-dessus, les deux enroulements 12 et 13-continuent ensemble à créer le champ magnétique et ils peuvent ainsi être exploités au maximum et dans la même mesure, avec l'avantage de pouvoir réduire le poids et l'encombrement de l'électro-aimant. En maintenant le même encombrement que pour les électro- aimants classiques, il est possible d'employer des enroule- ments en aluminium, en obtenant ainsi une réduction ultérieure du poids. On notera également que la course h de la plaquette 21 étant inférieure à la course H que doit effectuer la tête 18 ' pour rejoindre le manchon 19, on est certain de la continuité du champ magnétique pendant toute la phase de commutation des enroulements, étant donné que l'enroulement 12 continue à rester excité En effet, il ne peut pas y avoir d'ouverture des contacts 32, 33 si l'on n'a pas auparavant fermé les contacts 29,30. Phase de maintien (figure 4 c) Dans cette phase les deux enroulements 12, 13 sont branchés en série par 1 'intermédiaire de la plaquette 21 en position 29, 30 et le démarreur 1 est alimenté par l'inter- médiaire de la plaquette 31 en position 35, 36. Les courants dans les deux enroulements (voir les flèches) ont le même sens et par conséquent les ampères/ spires totaux sont la somme des ampères/spires des deux enroulements. Ceci constitue une garantie en ce qui concerne le maintien en position fonctionnelle de toutes les pièces commandées par le noyau 8. Phase de détente (figure 4 d) Cette phase a lieu par le retour en position de-repos de l'interrupteur I. A cet instant, les deux enroulements branches en série, ne sont plus alimentés et par suite le champ magnétique s'annule et la tige 18 et le manchon 19 sont ramenés en position de repos (figure 4 a) sous l'action des ressorts , 26 (figures 3, 4) Simultanément, on réalise le dégagement du pignon 5 de la couronne 6, mais à ce moment le moteur i combustion interne a démarré. L'annulation du champ magnétique, comme on l'a vu, s'obtient par l'absence de courant dans les enroulements. Par conséquent, A la différence des électro-aimants classiques, il ne doit y avoir aucun rapport à satisfaire entre le nombre de spires des deux enroulements pour obtenir, en phase de détente, l'annulation deu champ magng- tique En outre, en l'absence d'utres contraintes, les conducteurs des deux enroulements peuvent avoir le même diamètre. Les avantages obtenus grâce à l'électro-aimant selon l'invention, consistent en premier lieu en une réduction du poids, objectif recherché aujourd'hui par les constructeurs automobiles en vue d'obtenir une réduction relative de la consommation de carburant D'autres avantages, cependant, sont également obtenus dans la réduction de l'encombrement et des coûts. Avec des électro-aimants utilisant des enroulements de cuivre, on est parvenu à obtenir une réduction de poids et d'encombrement respectivement, de 16 % et de 17 %, à égalité de puissance. Par contre, si l'on emploie l'aluminium pour les enroulements, la réduction du poids est de 19 %, l'encombre- ment restant intact. Les données ci-dessus concernent l'unité présentée sur la figure 2 Les avantages économiques sont relatifs principalement au poids moindre et donc au coût moindre des conducteurs; mais également du fait que le système de fabrication des bobines est plus simple En effet, en l'absence d'un rapport fixé entre le nombre de spires des deux enroulements, il n'y a plus de contraintes dans les tolérances sur le nombre de spires en question, et en outre, on peut utiliser un conducteur du même diamètre pour les deux enroulements. Les avantages énumêrés ci-dessus sont obtenus sans aucun préjudice pour le rapport entre les courants absorbés dans les phases de maintien et d'arrachement, qui reste 1:4 comme cela est d'ailleurs le cas en moyenne pour les électro-aimants classiques. Enfin, dans la description ci-dessus, on a mentionné des connexions électriques réalisées par des plaquettes- conductrices commandées par un élément mobile constitué par une tige et un manchon Il est clair, toutefois, que les connexions peuvent être d'un type différent et que le nombre et la disposition des contacts fixes-et la structure de l'élément mobile peuvent être différents. Il est clair, par conséquent, que l'on peut apporter des modifications et des variantes à la solution de construction illustrée, sans sortir pour cela du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1 Electro-aimant à double enroulement pour démarreur de moteur à combustion interne, en particulier de voitures automobiles, d'un type capable de provoquer, par la création d'un champ magnétique, le déplacement du noyau mobile d'une position de repos à une position de travail (phase d'arra- chement) et sucessivement, le maintien du noyau dans ladite position de travail (phase de maintien) dans laquelle il commande, par l'intermédiaire d'un dispositif d'embrayage, le branchement du démarreur au moteur à combustion interne et par l'intermédiaire d'un élément de connexion électrique; la fermeture du circuit d'alimentation du démarreur, et en outre capable de provoquer par l'annulation du champ magnétique (phase de détente) le retour en-position de À 15 repos du noyau et des pièces qu'il commande, caractérisé en ce que les deux enroulements ( 12, 13) sont alimentés au degré maximal d'exploitation aussi bien en phase d'arrachement dans laquelle ils se trouvent branches en parallèle (figure 4 b) qu'en phase de maintien dans laquelle ils se trouvent branches en série (figure 4 c), tandis qu'ils sont tous les deux dêsexcités en phase de détente (figure 4 d) et en ce que le branchement parallèle-série des enroulements et l'alimentation du démarreur ( 1) sont réalisés à l'aide de moyens commutation commandés par le noyau de l'électro-aimant grâce à un élément mobile ( 17). 2 Electro-aimant à double enroulement selon la revendication 1, caractérise en ce que les moyens de commutation comprennent un premier et un second éléments mobiles de connexion électrique, lesdits éléments dans une première position (position de repos) réalisant le branchement en parallèle des enroulements, tandis que dans une seconde position (position de travail) le premier élément réalise le branchement en série des enroulements et le second élément réalise le branchement de la source électrique au démarreur. 3 Electro-aimant à double enroulement selon la reven- dication 2, caractérisé en ce que lesdits éléments de connexion sont constitués par deux plaquettes métalliques ( 21, 31)-dont chacune coopère avec un double couple de contacts fixes coaxiaux, pour réaliser la commutation parallèle-série des enroulements et la fermeture du circuit d'alimentation du démarreur. 4 Electro-aimants à double enroulement selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'élément mobile ( 17) comprend d'une part une tige isolante ( 18)entraînée par le noyau pour actionner le premier élément de connexion ( 21), et d'autre part, un manchon isolant ( 19) entourant la tige et entraîné par cette dernière, pour actionner le second élément de connexion ( 31); ledit manchon étant entraîné par la tige après que cette dernière ait amené le premier élément en position-de travail. Electro-aimant selon les revendications 2, 3 et 4 caractérisé en ce que le premier élément mobile 21 est serré de manière élastique entre deux coupelles ( 22, 23), coulis- santes sur-la tige, mais séparées entre elles par un taquet axial présenté par la tige elle-même; l'action élastique résultante sur les coupelles étant telle qu'elle maintient normalement ledit élément mobile en position de repos appli- qué sur les contacts fixes respectifs ( 27, 28). 6 Electro-aimant selon la revendication 5, caractérisé en ce que le premier élément mobile ( 21) est serré de manière élastique entre les coupelles au moyen de deux ressorts opposés ( 25, 26), disposés autour de la tige, un premier ressort ( 25) étant monté entre la calotte ( 16) de l'électro- aimant et la coupelle ( 22) lui faisant face et le second ressort ( 26) ayant une charge inférieure au premier est monté entre l'autre coupelle ( 23) et l'extrémité lui faisant face du manchon ( 19)-. 7 Electro-aimant selon les revendication 2, 3, 4 et 6 caractérisé en ce que le second élément mobile est monté autour du manchon, dont le bord, par suite de l'action dudit second ressort ( 26) maintient normalement ledit 61 lément en position de repos, appligue sur' les contacts fîxes res- pectifs ( 32, 33). 8 Electrc,-aîmant se Lon l,eveto 7, ccarrctêrvîr î ern ce que le secorindl eie en ( 31 8 en posîtïor L travail, est applique sjur les c cntacts fixes respect Iifs per un ressort ( 37) monté autc Iu, du nmanch 6 N entre un t Eiq I 12 et axial de ce dernier et ledit second eéi-ment ( 31)