Brevet FR2729801A1 — publié le 19960726

" Dispositif pour équilibrer une machine soufflante à un étage avec un moteur électrique à commutation électroni- que à induit tournant extérieur " Etat de la technique. L'invention concerne un dispositif d'équilibra- ge d'une machine soufflante à moteur électrique, comprenant principalement une machine soufflante radiale, de préfé- rence à un étage, et d'un moteur à courant continu à commu- tation électronique à induit tournant extérieur (moteur dit EC) entraînant la machine soufflante et tournant à vitesse de rotation élevée. Dans le cas des machines tournantes à moteur électrique, connus (DE-43 07 798 Ai) qui est en principe une soupape combinée, la machine soufflante est utilisée notamment comme machine soufflante secondaire pour insuf- fler de l'air complémentaire dans le canal d'échappement d'un moteur à combustion interne; cette machine soufflante est entraînée par un moteur à courant continu. Le moteur à courant continu est muni d'un commutateur et de balais. Comme une machine soufflante de ce type, en particulier lorsqu'elle est utilisée comme pompe pour l'air secondaire, tourne à des vitesses de rotation élevées, cela se traduit par une usure considérable des balais et du commutateur. Les défaillances peuvent entraîner des dommages considéra- bles et être très coûteux. De plus, l'usure inévitable des balais et du commutateur limite le temps de fonctionnement de la machine soufflante. Un autre point de vue connu pour une telle ma- chine soufflante est celui de la construction du moteur et de la machine soufflante proprement dite. Le rotor du mo- teur à courant continu, muni d'un commutateur, est monté sur un axe. Cet axe dépasse largement le rotor. Sur la par- tie en saillie de l'axe se trouvent les rotors du ventila- teur. Ainsi, le moteur et la machine soufflante sont juxtaposés et présentent une longueur correspondante, im- portante. Pour faciliter la compréhension il convient d'expliquer brièvement le concept de machine soufflante pour air secondaire. On connaît deux procédés pour augmen- ter l'effet d'un catalyseur régulé, à savoir la réinjection des gaz d'échappement et l'alimentation en air secondaire. Ces procédés minimisent la formation des oxydes d'azote et réduisent la teneur en monoxyde de carbone et en hydrocar- bures avant que les gaz d'échappement n'arrivent dans le catalyseur. Dans le cas de l'alimentation en air secon- daire, le canal des gaz d'échappement reçoit de l'air frais à un point aussi proche que possible en aval du moteur à combustion interne, dont on veut éliminer les hydrocarbures et le monoxyde de carbone résultant de la combustion. On arrive ainsi à une postcombustion des gaz d'échappement à des températures supérieures à 600 C. De plus, le cataly- seur reçoit de la chaleur résultant de cette combustion complémentaire. Cela est particulièrement important pour leur " démarrage à froid " lorsque le moteur utilise un mé- lange relativement riche si bien qu'automatiquement la te- neur en CO et en HC dépasse les proportions usuelles. Par l'introduction d'air secondaire dans les gaz d'échappement chauds on met pratiquement en route une postcombustion qui assure une oxydation complémentaire ou combustion complémentaire du monoxyde de carbone et des hy- drocarbures non brûlés dans le moteur. L'alimentation en air secondaire entraîne également un autre effet. Le cata- lyseur régulé travaille d'abord de façon optimale seulement à partir d'une certaine température de fonctionnement. Cette phase de chauffage peut durer un certain temps pendant lequel le véhicule parcourt plusieurs kilomè- tres. La postcombustion par un système d'alimentation en air secondaire augmente tout particulièrement la tempéra- ture des gaz d'échappement au cours de cette phase de chauffage. Les températures élevées permettent une mise en oeuvre régulée plus rapide du catalyseur qui peut ainsi jouer plus rapidement son rôle à savoir éliminer les poi- luants. La machine soufflante à moteur électrique, con- nue, décrite ci-dessus, est soumise à une usure et à une construction de grandes dimensions. Cela correspond à des coûts importants et à un encombrement élevé. Ces problèmes sont résolus par un dispositif selon une demande de brevet antérieure de la demanderesse. Cette solution consiste en principe à utiliser un moteur à commutation électronique à vitesse de rotation élevée com- biné à un ventilateur radial. Du fait de la vitesse de rotation nominale éle- vée qui peut être de l'ordre de 30 000 t/min., les exigen- ces concernant la qualité d'équilibrage du rotor sont extrêmement strictes. Il est connu de façon générale d'équilibrer les rotors de ventilateur d'air secondaire en enlevant de la matière de la tôle de recouvrement du rotor. Par ailleurs, il est connu d'enfoncer des billes dans une rainure pour assurer l'équilibrage en cas de balourd (Sté Carl Schenck AG, D-64293 Darmstadt). La difficulté de l'équilibrage est que le rotor peut avoir une structure très différente dans les zones créant le balourd. Il s'agit, d'une part, du rotor du ventilateur, et, d'autre part, de la partie rotative du convertisseur électromécani- que du moteur à courant continu. En outre, du fait de la longueur très réduite de l'axe du moteur et du rotor de ventilateur, il est difficilement possible, voire impossi- ble, d'équilibrer le rotor en le plaçant dans un dispositif d'équilibrage à entraînement extérieur. Avantages de l'invention. La présente invention concerne un dispositif d'équilibrage d'une machine soufflante entraînée par un mo- teur électrique caractérisé en ce qu'il comporte un dispo- sitif d'équilibrage dans lequel on place la machine soufflante complètement montée sans couvercle de boîtier, et on branche électriquement, on munit le dispositif d'équilibrage d'un dispositif de commande du moteur de la machine soufflante, ainsi que d'un dispositif pour court- circuiter l'électronique du moteur de la machine souf- flante, elle-même, et en ce que pour l'entraînement de la partie à équilibrer de la machine soufflante on utilise son convertisseur électromécanique, commandé à cet effet par le dispositif de commande équipant le dispositif d'équilibra- ge, et on effectue l'équilibrage essentiellement dans deux plans d'équilibrage parallèles, écartés axialement, à sa- voir, d'une part, dans le plan de la machine soufflante ra- diale, en enlevant éventuellement de la matière, et, d'autre part, dans le plan d'équilibrage situé en regard, au niveau de la face frontale du rotor à induit extérieur, avec un apport éventuel de matière. Le dispositif d'équilibrage selon l'invention offre l'avantage de permettre un équilibrage complet de la machine soufflante à l'état monté, en réunissant avantageu- sement de manière combinatoire deux procédés d'équilibrage exécutés à une vitesse de rotation qui n'entraîne aucun dommage pour la machine soufflante non encore équilibrée. Le moteur de la machine soufflante est utilisé avantageuse- ment comme entraînement pour l'équilibrage. Selon l'invention, on prévoit un dispositif d'équilibrage qui reçoit toute la machine soufflante dont le montage est terminé, sans le couvercle du boîtier, qui est branché électriquement. Le dispositif d'équilibrage est muni d'un dispositif de commande du moteur de la machine soufflante ainsi que d'un dispositif pour court-circuiter l'électronique du moteur de la machine soufflante. Pour l'entraînement de la partie à équilibrer de la machine soufflante on utilise son convertisseur électromécanique qui est commandé à cet effet par le dispositif de commande prévu dans le dispositif d'équilibrage. L'opération d'équilibrage se fait essentiellement dans deux plans d'équilibrage distants axialement l'un de l'autre et paral- lèles. Cela se fait d'une part dans le plan de la machine soufflante radiale avec un enlèvement si possible de ma- tière et cela se fait d'autre part dans le plan d'équilibrage qui se situe en regard de la face frontale du rotor extérieur (face frontale des aimants annulaires) avec si possible mise en place de matière. Selon un développement avantageux de l'invention, l'opération d'équilibrage se fait à une vi- tesse de rotation inférieure à la vitesse de rotation nomi- nale du moteur à commande électronique de la machine soufflante. Selon un développement particulièrement avanta- geux, le moteur a commande électronique du type à induit extérieur, tourne à une vitesse de rotation nominale d'environ 30 000 t/min.. Selon un autre développement avantageux de l'invention il est particulièrement intéressant de prévoir un manchon qui relie le boîtier polaire du rotor du moteur à commande électronique et le rotor du ventilateur sous la forme d'un ensemble indissociable avec l'axe du rotor et ce manchon est arrondi frontalement avec une courbure telle que l'on arrive à un guidage de l'écoulement, régulier et à faible perte de charge, à l'entrée d'air du rotor. Selon un autre développement avantageux de l'invention, dans la première phase de compensation on en- lève de la matière sur l'une ou sur les deux tôles de re- couvrement du rotor. Selon un développement avantageux, dans le se- cond plan de compensation on applique de la matière sur la face frontale du rotor extérieur, de préférence dans une rainure prévue à cet effet. De manière particulièrement avantageuse selon un autre développement de l'invention, les poids d'équilibrage se présentent par exemple sous la forme de billes que l'on presse notamment dans la rainure de la pa- roi frontale du rotor à induit extérieur ou qcue l'on fixe également par d'autres techniques comme par exemple le col- lage, l'impression à chaud ou le soudage par ultrasons de masses d'équilibrage suffisantes de forme appropriée, au niveau de la face frontale du rotor à induit extérieur. Une autre possibilité avantageuse consiste à appliquer un mas- tic d'équilibrage. Le montage selon l'invention se caractérise d'une manière particulièrement avantageuse en ce qu'il con- vient tout particulièrement pour équilibrer une machine soufflante à moteur électrique comme par exemple une ma- chine soufflante d'air secondaire servant à injecter de l'air complémentaire dans des dispositifs comme par exemple le canal des gaz d'échappement d'un moteur à combustion in- terne et comportant un moteur à courant continu sans balai, à commutation électrique, tournant rapidement, c'est-à-dire un moteur dit EC, et un ventilateur radial. Dessins. La présente invention sera décrite ci-après à l'aide d'un exemple de réalisation représenté dans les des- sins dans lesquels: - la figure 1 montre un schéma par blocs du dispositif selon l'invention pour équilibrer une machine soufflante à entraînement électrique, - la figure 2 est une vue de dessus du boîtier représenté en trait mixte de la machine soufflante à équi- librer et - la figure 3 est une vue de côté selon la li- gne 23-23 de la figure 2, le boîtier étant représenté en trait mixte, pour la machine soufflante à équilibrer. Description de l'exemple de réalisation. La vue schématique de la figure 1 montre une machine soufflante 1 à équilibrer et un dispositif d'équilibrage 2 selon la présente invention. La machine soufflante 1 comporte, selon cet exemple de réalisation préférentiel, un moteur électrique à courant continu à com- mutation électronique, sans balai, tournant rapidement, c'est-à-dire un moteur encore appelé moteur EC, de la ma- chine soufflante 1 représentée à l'intérieur de la partie en trait mixte à la figure 1 avec deux enroulements de sta- tor 3, 4, d'un rotor 5 muni d'aimants permanents et d'une commande de moteur 10. La commande de moteur 10 est reliée aux pôles plus et moins d'une tension d'alimentation Ubatt par l'intermédiaire de bornes 6 et 7. Par une borne 8 de l'entrée de commande, la commande de moteur 10 reçoit des signaux extérieurs pour la mise en marche et l'arrêt de la machine soufflante 1. La commande de moteur 10 elle-même crée les impulsions de courant pour le fonctionnement sou- haité, nécessaires à l'alimentation des enroulements 3 et 4. Lorsque la machine soufflante 1 est reliée au dispositif d'équilibrage 2, on relie directement pour l'équilibrage le pôle positif 6 à la borne de raccordement 8 par un cavalier de court-circuit 9. Cela peut se faire à l'aide d'une fiche de forme particulière. Le dispositif d'équilibrage 2 est relié par trois contacts de contrôle et de branchement 201, 202, 203 à des points de contact appropriés correspondants 101, 102, 103 avec les lignes de sortie de la commande du moteur 10 reliées aux enroulements 3 et 4. De plus, le dispositif d'équilibrage 2 est muni d'un dispositif de commande non représenté particulièrement qui fournit les impulsions de courant aux enroulements 3 et 4 pendent la phase d'équilibrage, pour que le rotor 5 puisse tourner dans la direction de la flèche w. Pendant l'équilibrage, on utilise ainsi le convertisseur électromécanique du moteur à com- mande électronique pour entraîner la partie à équilibrer. Le dispositif d'équilibrage 2 comporte en outre un capteur donnant la position angulaire du rotor 5 servant à dé- terminer l'emplacement angulaire du balourd. Aux figures 2 et 3, en vue de dessus et en coupe selon la ligne 23, est représenté un mode de réalisa- tion particulier et préférentiel de la machine soufflante 1 à équilibrer. Le boîtier 100 est indiqué par des traits mixtes. La machine soufflante 1, de forme compacte, as- pire l'air par un ajutage d'aspiration 31; il comprime l'air à l'aide du rotor 32 dans un ventilateur radial à un étage entraîné par un moteur à courant continu 36, sans ba- lai, à commutation électronique et à vitesse de rotation élevée; l'air comprimé est fourni par l'intermédiaire d'un canal en spiral 33 à un ajutage de pression portant la ré- férence 34. La machine soufflante 1 se compose d'un corps de base 35 en métal réalisé de préférence comme pièce cou- lée sous pression en Al ou Mg. Ce corps de base 35 porte le moteur à courant continu 36 et une plaque de circuit impri- mé 37 avec la commande 10 du moteur. De plus, le corps de base 35 comporte trois oeillets de fixation 38 en forme de brides par lesquelles la machine soufflante 1 se fixe le cas échéant avec des éléments de découplage, appropriés, par exemple sur la carrosserie d'un véhicule automobile. La machine soufflante est entourée par le boîtier 100, esquis- sé; celui-ci est également fixé au corps de base 35 ou peut être vissé à celui-ci. La plaque de circuit imprimé 37 comporte l'électronique de commande et de puissance non représentée de la commande 10 du moteur pour assurer la commande du mo- teur électrique 36 et commander le débit d'air en fonction de la vitesse de rotation. Le moteur à courant continu à commutation électronique 36 est un moteur à induit exté- rieur. Son paquet de tôles de stator 12 est glissé et serré sur un support approprié du corps de base 35. Un axe 27 est monté à rotation sur les paliers 39. Un manchon ou moyeu 28 est fixé à l'extrémité de l'axe 29; ce moyeu porte le ro- tor 32 du ventilateur radial à un étage et le rotor 5. Le rotor 5 du moteur à commutation électronique 35 à induit extérieur se compose, selon un mode de réalisa- tion préférentiel, comme cela est décrit dans la demande antérieure DE-44 40 125 de la Demanderesse, un boîtier po- laire 17 logeant un aimant annulaire 18 fixé par des élé- ments à ressort 19. L'aimant annulaire 18 peut être constitué, selon une réalisation préférentielle, d'un maté- riau à aimantation permanente lié dans de la matière plas- tique. Le boîtier polaire 17 a la forme d'une tasse ou d'une cloche réalisée de préférence par emboutissage pro- fond. Le boîtier polaire 17 et le rotor de ventilateur 32 sont réunis à l'aide du manchon 28 pour former une pièce indissociable elle-même fixée sur une extrémité de l'axe 29. Le manchon 28 présente sur son côté frontal, c'est-à- dire le côté d'aspiration d'air du rotor 32, une courbure qui peut correspondre à un arc de cercle. Cette courbure, symétrique à l'axe 29, assure à la jonction entre l'ajutage d'aspiration 31 et le rotor 32, une arrivée régulière et un guidage à faible perte de charge de l'air à l'entrée du ro- tor 32. Dans le dispositif selon la présente invention, le rotor 20 à équilibrer (figure 3) et qui se compose d'une partie rotative du moteur à courant continu 36 et du rotor de ventilateur 32, reliés solidairement par l'intermédiaire du manchon 28 pour former une pièce unique, est équilibré dans deux plans d'équilibrage 21 et 22. Le plan 21 se situe au niveau du rotor 32 de la machine soufflante radiale. Dans ce plan d'équilibrage on supprime le balourd une fois déterminé par enlèvement de matière. La matière est enlevée de l'une ou des deux tôles de recouvrement 321, 322 du ro- tor 32. L'autre plan d'équilibrage 22 est parallèle au pré- cédent mais à une distance axiale, dans la zone de la face frontale du rotor 5 du moteur à commande électronique 36. Dans ce plan 22 on équilibre en fixant si possible de la matière. Dans l'exemple de réalisation du rotor 5, repré- senté aux figures 2 et 3, dans la face frontale de l'aimant permanent annulaire 18, il y a une rainure continue 180. Dans cette rainure 180 on introduit par exemple des billes 181 comme masses d'équilibrage. Il est clair que l'on peut également utiliser des éléments d'équilibrage de formes différentes et de mas- ses appropriées comme masselottes d'équilibrage placées dans le plan d'équilibrage 22. Les techniques utilisées à cet effet pour fixer les masses d'équilibrage peuvent être très différentes; il peut s'agir par exemple de collage, d'impression, d'enfoncement, de soudage à chaud ou de pres- sage à froid ou encore de soudage aux ultrasons. On peut également utiliser un mastic d'équilibrage pour éliminer le balourd dans le plan d'équilibrage 22 en ajoutant de la ma- tière. Pour l'équilibrage, on place et on fixe la ma- chine soufflante 1, dont le montage est terminé, sauf le boîtier 100, dans le dispositif d'équilibrage 20 en utili- sant les oeillets de fixation 38. La borne d'entrée de com- mande 8 et la borne 6 de la tension positive d'alimentation sont court-circuitées par des cavaliers de court-circuit 9. Aux points de contact 101, 102, 103, formés par exemple par l1 des chemins conducteurs (voir figures 2 et 3) ainsi que les chemins conducteurs 102 selon la figure 3, on branche le dispositif d'équilibrage 2 par ses contacts de contrôle 201, 202, 203 sur ces points de contact. On relie ainsi les enroulements 3 et 4 du moteur à commande électronique au dispositif de commande du dispositif d'équilibrage 2. Le dispositif de commande accélère rapidement le moteur à com- mande électronique à la vitesse de rotation d'équilibrage comprise par exemple entre 3 000 et 5 000 tours par minute. I0 Le dispositif d'équilibrage détermine, à l'aide du capteur d'angle 25 et des efforts qui se produisent aux trois oeillets de fixation 38, les valeurs et emplacements néces- saires dans les deux plans d'équilibrage 21, 22 pour enle- ver de la matière et appliquer de la matière. La vitesse de rotation d'équilibrage est ainsi considérablement plus fai- ble que la vitesse de rotation nominale qui est elle-même par exemple de l'ordre de 30 000 t/min.; bien que le con- vertisseur électromécanique de la machine soufflante 1 soit lui-même utilisé pour entraîner le rotor 20 à équilibrer. Grâce à cette vitesse de rotation d'équilibrage, faible, on évite des dommages inutiles. De manière avantageuse, l'invention permet de façon simple et sûre d'assurer un équilibrage complet d'une machine soufflante radiale, à l'état monté, en utilisant le convertisseur électromécanique de la machine soufflante. Cela permet d'effectuer l'équilibrage dans deux plans d'équilibrage. Comme une utilise une vitesse de rotation d'équilibrage considérablement plus faible que la vitesse de rotation nominale de la machine soufflante, celle-ci ne subit aucun dommage lors de l'équilibrage et qui pourrait être provoqué par des vitesses d'équilibrage trop élevées. R E V E N D I C A T I ONS S 1 ) Dispositif d'équilibrage d'une machine soufflante (1) à moteur électrique, comprenant principale- ment une machine soufflante radiale (32), de préférence à un étage, et d'un moteur à courant continu (36) à commuta- tion électronique à induit tournant extérieur (moteur dit EC) entraînant la machine soufflante et tournant à vitesse de rotation élevée, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif d'équilibrage (2) dans lequel on place la ma- chine soufflante complètement montée sans couvercle de boî- tier (100), et on branche électriquement (101, 102, 103; 201, 202, 203), on munit le dispositif d'équilibrage (2) d'un dispositif de commande du moteur (36) de la machine soufflante (1), ainsi que d'un dispositif (9) pour court- circuiter l'électronique (10) du moteur de la machine souf- flante (1), elle-même, et en ce que pour l'entraînement de la partie (20) à équilibrer de la machine soufflante (1) on utilise son convertisseur électromécanique (5, 12), comman- dé à cet effet par le dispositif de commande équipant le dispositif d'équilibrage (2), et on effectue l'équilibrage essentiellement dans deux plans d'équilibrage (21, 22) pa- rallèles, écartés axialement, à savoir, d'une part, dans le plan de la machine soufflante radiale (32), en enlevant éventuellement de la matière, et, d'autre part, dans le plan d'équilibrage (22) situé en regard, au niveau de la face frontale du rotor à induit extérieur (5), avec un ap- port éventuel de matière. 2 ) Dispositif selon la revendication 1, carac- térisé en ce que la phase d'équilibrage se fait à une vi- tesse de rotation inférieure à la vitesse de rotation nominale du moteur à commande électronique (36) de la ma- chine soufflante (1). 3 ) Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le moteur à commande électronique (36) à induit tournant extérieur fonctionne à une vitesse de rotation nominale de l'ordre de 30 000 t/min.. 4 ) Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le rotor (5) du moteur à commande électronique (36) est réuni avec le rotor (32) de la machine soufflante radiale pour former un ensemble in- dissociable fixé à une extrémité de l'axe (29) du rotor. ) Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par un manchon (28) qui relie un boîtier polaire (17) du rotor (5) du moteur à commande électronique (36) et le rotor de ventilateur (32) en un en- semble indissociable avec l'axe (29) du rotor et ce manchon (28) présente une face frontale avec un arrondi assurant un écoulement régulier et à faible perte de charge de l'air à l'entrée du rotor de ventilateur (32). 6 ) Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que dans le premier plan d'équilibrage (21) on effectue un enlèvement de matière sur l'une ou les deux tôles de recouvrement (321, 322) du rotor de ventilateur (32). 7 ) Dispositif selon l'une quelconque des re- vendications précédentes, caractérisé en ce que dans le se- cond plan d'équilibrage (22) on effectue un apport de matière sur la face frontale du rotor de l'induit extérieur (5), de préférence dans une rainure (180) qui est prévue à cet effet. 8 ) Dispositif selon la revendication 7, carac- térisé en ce qu'on applique des masses d'équilibrage (181) par exemple sous la forme de billes, en les enfonçant no- tamment dans la rainure (180) ou en utilisant d'autres techniques telles que le collage, l'impression à chaud ou le soudage par ultrasons de masses d'équilibrage suffisan- tes et de formes appropriées au niveau de la face frontale du rotor de l'induit extérieur (5). 9 ) Dispositif selon l'une quelconque des re- vendications 7 ou 8, caractérisé en ce qu'on applique un mastic d'équilibrage. ) Dispositif selon l'une quelconque des re- vendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est ap- pliqué notamment pour équilibrer une machine soufflante (1) à moteur électrique et en particulier une machine souf- flante d'air secondaire servant à insuffler de l'air com- plémentaire dans des dispositifs comme par exemple le canal des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne, comportant un moteur à courant continu (36) sans balai, à commutation électronique, à vitesse de rotation élevée, c'est-à-dire un moteur EC ainsi qu'un ventilateur radial (32).