Brevet FR2658962A1 — publié le 19910830

La présente invention concerne un dispositif de commutation de vitesse pour moteur électrique multipolaire à flux constant Elle trouve application en particulier dans les groupes motoventilateurs utilisés dans l'automobile. La température du moteur thermique d'une automobile varie selon diverses conditions Ainsi, sur des routes escarpées, dans un environnement chaud, le moteur thermique a tendance à dégager beaucoup de chaleur Pour le refroidir, il est utilisé un fluide caloporteur qui parcoure le moteur et qui évacue les calories récupérées vers l'extérieur et plus particulièrement après avoir traversé un échangeur de chaleur parcouru par un flux d'air de refroidissement, généralement de l'air extérieur, ce flux d'air pouvant être accéléré, de façon à obtenir un grand débit, par l'hélice d'un ventilateur entraîné par un moteur électrique à courant continu, l'ensemble (hélice et moteur électrique) étant dénommé groupe motoventilateur. L'alimentation en courant électrique du moteur électrique est fournie par la batterie et l'alternateur embarqués du véhicule, et est commandé par l'intermédiaire d'un circuit de commande électrique qui permet de réguler la température du moteur. En particulier, un débit d'air de refroidissement de valeur relativement faible est exigé en fonctionnement normal Dans la majorité des cas, on sait déjà obtenir un fonctionnement silencieux d'une telle installation. Cependant, en fonctionnement extrême, il est parfois nécessaire d'augmenter le flux d'air utile au refroidissement des parties chaudes du moteur thermique qui mobilise l'automobile Le groupe motoventilateur va donc recevoir une commande destinée à augmenter le débit d'air de refroidissement En contrepartie, le bruit dégagé par ce groupe motoventilateur est important, ce qui nuit à l'habitabilité du véhicule. Les moteurs électriques équipant les groupes motoventilateurs sont des moteurs à flux constant dans lesquels la vitesse de rotation du moteur ne dépend pas du couple résistant dans une large gamme de valeurs De tels moteurs sont peu encombrants, peu consommateurs de courant et ont un prix de revient relativement faible. De ce fait, d'ailleurs, l'application de l'électronique de contrôle de l'art antérieur ne se fait pas facilement, car le coût peu élevé du moteur exige aussi que la commande de sa vitesse de rotation soit peu couteuse. C'est un objet de l'invention de fournir un moyen de commande de la vitesse du moteur électrique à flux constant qui soit peu couteux. Dans l'application principale pour laquelle l'invention est prévue, les moteurs thermiques des automobiles n'atteignent que rarement des températures élevées Dans l'art antérieur, on a déjà proposé des dispositifs de commande qui permettent d'obtenir deux vitesses de rotation du moteur électrique du groupe motoventilateur. De tels dispositifs de commutation comportent en général une résistance électrique qui est mise en circuit à petite vitesse et est destinée à réduire la tension aux bornes d'au moins un balai d'alimentation de l'induit du moteur électrique Cette réduction de tension a pour effet de réduire la vitesse de rotation du moteur d'une vitesse nominale à une vitesse plus faible. Ces dispositifs de l'art antérieur présentent deux inconvénients principaux: tout d'abord, la résistance électrique est un composant relativement coûteux dont le prix correspond à peu près à 30 % du coût du dispositif de commutation; d'autre part, en fonctionnement modéré du véhicule, afin de ne pas aggraver le bilan thermique à cause de la résistance, on demande en général que cette résistance soit disposée dans un flux d'air de direction déterminée, ce qui est rendu difficile par l'encombrement des réceptacles o sont installés les groupes motoventilateurs. La présente invention apporte remède à ces inconvénients de l'art antérieur. En effet, l'invention concerne un dispositif de commutation de vitesse pour des moteurs multipolaires à flux constant à alimentation en courant continu, et se caractérise principalement par le fait que le dispositif de commutation comporte un moyen destiné à réduire jusqu'à annuler le courant continu sur au moins l'un des balais d'alimentation de l'induit du moteur. Dans un mode de réalisation, le moyen pour diminuer la valeur du courant sur l'un des balais est constitué par un interrupteur, disposé sur un chemin d'alimentation Cet interrupteur, dans l'application à un groupe motoventilateur, peut être déclenché en fonction des conditions d'environnement thermique du moteur thermique que le groupe motoventilateur doit refroidir. L'invention concerne aussi un groupe motoventilateur, particulièrement destiné au refroidissement des moteurs à explosion thermique d'automobiles qui comporte un moteur multipolaire à flux constant et alimentation en courant continu, et caractérisé en ce qu'il comporte aussi un dispositif de commutation de vitesse jusqu'à annulation du courant traversant au moins un pôle de l'induit. La présente invention sera mieux comprise au moyen de la description et des dessins annexés qui sont la figure 1, le schéma d'un dispositif de commutation de vitesse selon l'art antérieur, la figure 2, le schéma d'un dispositif de commutation de vitesse selon un premier mode de réalisation de l'invention, la figure 3, le schéma d'un dispositif de commutation de vitesse selon un second mode de réalisation de l'invention; la figure 4, le schéma d'un dispositif de commutation de vitesse selon un troisième mode de réalisation de l'invention; -la figure 5, le schéma d'un dispositif de commutation de vitesse selon un quatrième mode de réalisation de l'invention. Dans les figures annexées, on a représenté un moteur tétrapolaire disposant de quatre balais d'alimentation en courant continu de l'induit Il est entendu que l'invention ne se limite pas à un nombre déterminé de pôles pour ce genre de machines à courant continu à flux constant. A la figure 1, on a représenté un dispositif de commutation de vitesse selon l'art antérieur Un moteur tétrapolaire à flux constant, référencé 1, comporte un premier balai 2 et un second balai 3 connectés à au moins une source d'alimentation de polarité négative 4. Deux autres balais respectivement 5 et 6 sont connectés à la polarité positive 7 de la source d'alimentation en courant continu précitée. Sur la ligne 8 de connexion entre les balais 5 et 6 et la borne positive de l'alimentation 7, on interpose un dispositif de commutation de vitesse référencé 9. Dans l'application à un groupe motoventilateur, le dispositif de commutation est asservi à une mesure de l'environnement thermique Ainsi qu'on l'a déjà décrit, le ventilateur du groupe est destiné à modérer au moins une caractéristique de cet environnement comme la température du bloc moteur. A cet effet, on utilise un thermocontact 10 à deux positions 11 et 12 destinées: la première il à régler le moteur 1 sur une allure dite petite vitesse et la seconde 12 à régler le moteur 1 sur une allure dite grande vitesse, en fait la vitesse nominale du moteur tétrapolaire à flux constant 1. On connecte une première borne 13 d'une résistance électrique 14 sur l'interrupteur 11 du thermocontact 10, et sa seconde borne 15 est connectée par la ligne 8 aux balais 5 et 6 de polarité positive du moteur tétrapolaire 1. En fonctionnement dans des conditions thermiques modérées, la résistance 14 est parcourue par le courant destiné aux enroulements connectés aux balais 5 et 6 de l'induit De ce fait, une fraction du courant est consommée par effet Joule dans la résistance 14 La chute de tension aux bornes de la résistance entraîne un affaiblissement du couple moteur et, pour un couple mécanique résistant donné, une diminution de la vitesse de rotation du moteur par rapport à sa vitesse nominale. Quand les conditions thermiques mesurées atteignent une certaine valeur, le thermocontact 10 déclenche un second commutateur 12 qui vient activer la bobine électromagnétique 16 d'un relais 17 dont le contact 18 vient réaliser un court-circuit de la résistance 14 De ce fait, le courant appelé par les balais 5 et 6 sur le pôle 7 de la source d'alimentation continue traverse la ligne 19 de court-circuit de la résistance et la tension aux bornes des balais 5 et 6 est restaurée à sa valeur nominale. De ce fait, on retrouve une alimentation équilibrée des quatre pôles du moteur et un fonctionnement en régime nominal de celui-ci Le groupe motoventilateur atteint sa pleine vitesse de façon à modérer l'environnement thermique désiré. Afin de porter remède aux inconvénients précités de l'art antérieur, la présente invention permet d'éviter le recours à une résistance électrique coûteuse et dont la localisation dans l'ensemble est difficile à réaliser. A la figure 2, on a représenté un premier mode de réalisation de la présente invention Selon l'invention, le moteur tétrapolaire 1 de la figure 2 comporte des balais respectivement 2, 3, 5 et 6 Le seul balai 2 est connecté au pôle négatif 4 de la source d'alimentation en courant continu Dans un mode préféré de réalisation, le moteur électrique à courant continu à flux constant utilisé est un moteur à induit dont les bobinages sont imbriqués. Le balai 6 est connecté par la ligne 8 au pôle positif 7 de la source d'alimentation en courant continu. Sur la ligne 8 est interposé un dispositif de commutation de vitesse 20 selon l'invention Selon l'invention, le dispositif 20 comporte un thermocontact à deux positions 21 analogue au thermocontact 10 de la figure 1 et qui joue le même rôle que celui précité Cependant le contact 22 est directement connecté par la ligne 8 au balai 6 sans passer par l'intermédiaire d'une résistance électrique. Selon l'invention, le second contact 23 du thermocontact 21 est connecté à un relais 24 comportant une bobine électromagnétique 25 qui connecte, selon les conditions d'environnement, des alimentations d'une première polarité positive 26 connectée par l'intermédiaire du contact 27 au balai 5 et d'une seconde polarité négative 28 par l'intermédiaire du contact 29 au balai 3 Quand les conditions thermiques atteignent un premier seuil, le thermocontact 21 ferme son contact 22, le contact 23 étant ouvert Le courant entre par le balai 6 et ressort par le balai 2 seulement ce qui provoque une réduction du couple moteur et, partant, une vitesse de rotation inférieure à la vitesse nominale Les balais consécutifs 3 et 5 sont découplés de toute source d'alimentation. Quand les conditions thermiques atteignent un second seuil prédéterminé, le thermocontact 21 ferme alors son contact 23 ce qui a pour effet de mettre en circuit simultanément les balais 5 à la polarité positive 26 et 3 à la polarité négative 28 Dans cette seconde position, l'ensemble des balais est alimenté en courant électrique de manière équilibrée, et on atteint ainsi la vitesse nominale du moteur ainsi qu'il est connu. A la figure 3, on a représenté un second mode de réalisation de la présente invention On a remarqué que dans le premier mode de réalisation de l'invention, on avait économisé la résistance électrique par rapport au dispositif équivalent de l'art antérieur Cependant, on a été contraint d'ajouter un relais électromagnétique à deux contacts alors que le dispositif équivalent de l'art antérieur comportait un seul contact Afin d'améliorer encore les possibilités de réduction de coût, la présente invention propose un montage selon lequel on utilise un relais à un seul contact comme selon l'art antérieur. A cet effet, à la figure 3 comme dans le cas de l'art antérieur représenté à la figure 1, les balais 2 et 3 opposés, sont connectés à la polarité négative 4 de la source d'alimentation en courant continu D'autre part, le balai 6 est connecté à une polarité positive 37 par l'intermédiaire du dispositif de commutation de vitesse représenté à la figure 3. Dans ce mode de réalisation, une polarité positive 7 d'une source d'alimentation en courant continu est connectée à un thermocontact 31 à deux niveaux déclenchant des contacteurs 32 et 33 comme il a été décrit aux figures 1 et 2 pour les références 10 et 21. En fonctionnement en petite vitesse, le contact 32 du thermocontact 31 est fermé ce qui a pour effet d'alimenter la bobine 35 d'un relais 34 à un seul contact 36 Le contact 36 de ce relais 34 est fermé de même et la ligne 8 est connectée à la borne positive 37 d'une source d'alimentation en courant continu. Dans le fonctionnement en grande vitesse, le thermocontact 31 déclenche le second contact 33 quand un seuil est détecté, ce qui a pour effet de fournir une alimentation positive 7 au balai 5 On constate ainsi qu'en fonctionnement en petite vitesse, du courant circule dans trois des balais d'alimentation 2, 3 et 6 de l'induit Cependant, le balai alimenté par l'intermédiaire de la ligne 8 est traversé par un courant égal à la somme de ceux qui passent dans les balais 2 et 3 De ce fait, le moteur fonctionne en petite vitesse dans un régime déséquilibré. Dans un autre mode de réalisation représenté en figure 4, on s'est totalement affranchi non seulement de la résistance mais aussi du relais électromagnétique. Pour cela, les balais 2 et 3 sont connectés à la polarité négative 4 de la source d'alimentation en courant continu et les balais 5 et 6 sont connectés à la polarité positive 7 par l'intermédiaire d'un dispositif de commutation de vitesse 40. Ce dispositif de commutation 40 est constitué uniquement d'un thermocontact 41 à deux contacts 42,43. Ainsi en fonctionnement et à petite vitesse, le contact 42 du thermocontact 41 est fermé et le balai 6 est connecté au pôle positif 7 par la ligne 8. Dans le fonctionnement à grande vitesse, le thermocontact 41 déclenche le second contact 43 et le balai 5 est également connecté au pôle positif 7. De ce fait en petite vitesse, le courant traverse les balais 2,3 et 6 alors qu'à grande vitesse le courant passe dans tous les balais d'alimentation de l'induit. Dans le mode de réalisation de la figure 5, le balai 2 est connecté directement à la polarité négative 4, le balai 6 peut être connecté soit à une polarité positive 7 soit à une polarité positive 50 alors que le balai 5 peut être connecté à la polarité positive 7 et le balai 3 peut être connecté à une polarité négative; ces divers possibilités de connexion se faisant par l'intermédiaire d'un dispositif de commutation 52. Le dispositif de commutation comprend un premier élément de commutation 53 permettant de relier le balai 6 à la polarité positive 50 par un contact 54 tout en déconnectant le balai 3 de la polarité négative 51 par un contact 55 et un second élément de commutation 56 permettant de relier les balais 5 et 6 à la polarité positive 7 par des contacts 57,58. Ces deux éléments de commutation 53-56 sont prévus pour fonctionner dans une configuration dans laquelle lorque l'un de ces éléments est actionné, l'autre est relâché. Ainsi pour la petite vitesse l'élément de commutation 53 est actionné de façon à ce que l'alimentation du balai 6 soit effectuée par le contact 54 tout en déconnectant le balai 3 de la polarité négative 51 par le contact 55, le courant pouvant ainsi uniquement du balai 6 vers le balai 4. Pour la grande vitesse, l'élément de commutation 53 est ramené à son état initial visible sur la figure 5 dans lequel le balai 6 n'est plus alimenté pour la polarité positive 50 et le balai 3 est connecté à la polarité négative 51 par le contact 55, puis l'élément de commutation 56 est actionné de manière à ce que les contacts 57 et 58 permettent de relier les balais 5 et 6 à la polarité négative 7, le courant prenant ainsi dans les quatre balais. Dans un autre mode de réalisation de l'invention, les contacts électromagnétiques et le thermocontact sont remplacés par des commutateurs ou interrupteurs à semi- conducteurs Ce sont des transistors de puissance fonctionnant en commutation qui fonctionnent de façon sensiblement équivalente à celle décrite ci-dessus. L'invention permet ainsi de s'adapter notamment à de l'Electronique centralisée, en se déclenchant par un bus de signaux embarqués De même, l'état du groupe moto ventilateur peut être surveillé. L'invention peut se transposer dans d'autres domaines que celui des Groupes Moto Ventilateurs pour l'automobile En particulier, le thermocontact peut être remplacé par tout interrupteur commandé convenable. L'invention peut recourir à plusieurs sources d'alimentation en courant continu et même se cumuler avec des tensions ajustables en fonction des points de consigne. D'une manière générale, les moteurs électriques explicités dans l'invention comportent un induit qui comporte plusieurs voies alimentées par l'intermédiaire de balais. Le moyen d'annulation du dispositif selon l'invention comporte au moins un interrupteur semi- conducteur commandable comme un transistor de commutation polarisé en état ouvert de façon à ouvrir ou fermer selectivement la connexion d'au moins un balai de l'induit à sa polarisation normale. il REVENDICATIONS 1 Dispositif de commutation de vitesses pour moteur électrique à courant continu à flux constant et dont l'induit comporte plusieurs voies, caractérisé en ce qu'il comporte un moyen ( 20; 30) destiné à réduire jusqu'à annuler le courant continu d'alimentation sur au moins un balai d'alimentation ( 3, 5; 6) de l'induit. 2 Dispositif selon la revendication 1, le moteur ( 1) étant du type à induit à bobinage imbriqué alimenté par l'intermédiaire de balais ( 2, 3, 5, 6), caractérisé en ce que le moyen de réduction jusqu'à l'annulation du courant dans au moins un balai comporte un contacteur ( 21) à au moins deux positions, la première ( 22) dans laquelle au moins une paire de balais ( 3, 5) consécutifs sont déconnectés d'une source d'alimentation ( 26, 28) en courant continu, la seconde ( 23) dans laquelle au moins une paire ( 3, 5) de balais consécutifs, antérieurement non raccordés, est raccordée aux bornes de la source d'alimentation ( 26, 28) en courant continu. 3 Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que le contacteur ( 21) comporte deux contacts enclenchables successivement, le second ( 23) étant connecté à un relais électromagnétique ( 24) comportant lui-même deux contacts enclenchés par l'actionnement d'une bobine électromagnétique ( 25) par l'enclenchement du contact ( 23), le premier contact ( 27) fournissant une première polarité ( 26) à au moins un premier balai ( 3), le second contact ( 29) une seconde polarité ( 28) au second balai ( 5) de la paire de balais non encore sous tension. 4 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen d'annulation comporte au moins un interrupteur semiconducteur commandable comme un transistor de commutation polarisé en état ouvert de façon à ouvrir ou fermer sélectivement la connexion d'au moins un balai de l'induit à sa polarisation normale. Groupe motoventilateur du type comportant un moteur électrique ( 1) à courant continu et à flux constant, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif de commutation de vitesses ( 20) selon l'une des revendications précédentes. 6 Groupe motoventilateur selon la revendication , caractérisé en ce que le dispositif de commutation de vitesses ( 20) est asservi à une mesure de l'environnement thermique grâce à un thermo-contacteur ( 21).