Brevet FR2827438A1 — publié le 20030117

L'invention concerne une machine électrique tournante polyphasée, associable à un moteur tel que le moteur à combustion interne, dit aussi moteur thermique, d'un véhicule automobile et apte à être utilisé, d'une part, comme générateur électrique lorsqu'elle est entraînée par le moteur et, d'autre part, comme moteur électrique pour le démarrage du moteur auquel elle est associée, la machine comprenant un arbre porteur d'un rotor à pôles magnétiques entourés d'un stator polyphasé constituant un induit et doté d'enroulements définissant les phases de la machine, un pont de diodes de redressement du courant engendré par les enroulements du stator lorsque la machine fonctionne en mode générateur et un dispositif d'alimentation en courant électrique des enroulements du stator lorsque la machine fonctionne en mode moteur. Une telle machine, du type réversible, appelée usuellement"alterno-démarreur"est par exemple décrit dans le document EP-A-0260176. Dans cette machine connue, le dispositif d'alimentation en courant des enroulements du stator en mode de fonctionnement moteur comporte essentiellement des moyens de commutation électronique comportant des interrupteurs statiques tels que des transistors ou des thyristors branchés en parallèle sur les diodes du pont redresseur et commandés à partir d'un ensemble électronique auquel sont associés des capteurs de position angulaire du rotor pour fournir à l'ensemble les informations sur les positions angulaires du rotor, les capteurs pouvant être constitués par des capteurs à effet hall ou des capteurs optoélectriques Cette machine électrique réversible connue présente l'inconvénient que le dispositif d'alimentation en courant, qui vient d'être décrit, utilise un grand nombre de composants spécifiques et est donc d'un coût relativement élevé. La présente invention a pour but de proposer une machine électrique tournante réversible du type défini plus haut, qui pallie cet inconvénient. Pour atteindre ce but, le dispositif d'alimentation en courant des enroulements du stator est réalisé sous forme d'un onduleur mécanique apte à être couplé à l'arbre précité de la machine et relié aux enroulements du stator. L'invention sera mieux comprise, et d'autres buts, caractéristiques, détails et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement dans la description explicative qui va suivra faite en référence aux dessins schématiques annexés donnés uniquement à titre d'exemple illustrant un mode de réalisation de l'invention et dans lesquels : - La figure 1 est une vue schématique et simplifiée d'une machine électrique tournante réversible et constituant un alterno-démarreur selon l'invention ; - La figure 2 est une vue en coupe de la ligne II-II de la figure 1, les balais ayant été omis ; - La figure 3 est une vue en direction de la flèche III de la figure 1 ; - La figure 4 montre le schéma électrique de la machine électrique tournante polyphasée réversible selon la figure 1, et - La figure 5 illustre, sous fourme de courbes caractéristiques le couple C en fonction de la vitesse de rotation Q de la machine selon l'invention, fonctionnant en moteur. Comme on le voit sur la figure 1, une machine électrique tournante réversible selon l'invention, c'est- à-dire constituant un alterno-démarreur, comporte essentiellement un alternateur classique 1, un dispositif d'alimentation en courant des enroulements du stator de l'alternateur lorsque la machine doit fonctionner en mode moteur et qui est susceptible d'être couplé à l'arbre de l'alternateur 1, ainsi qu'un dispositif 3 d'accouplement du dispositif d'alimentation 2 à l'alternateur 1. L'alternateur 1, qui peut être un alternateur triphasé de structure classique pour véhicule automobile comporte essentiellement, de manière connue en soi, un arbre 5 porteur d'un rotor 6 à griffes pourvues d'un bobinage d'excitation non représenté, dont les extrémités sont reliées, de façon bien connue par des liaisons filaires à des pistes collectrices 8,9 en forme de bagues portées par l'extrémité arrière de l'arbre 5. Le rotor est entouré par un stator bobiné 11 doté ici de trois enroulements pour la définition de trois phases. Les trois enroulements sont indiquées en 12 à 14 sur le schéma électrique de la figure 4. Le stator constitue un induit. Au stator est associé, de façon connue en soi, un pont de diodes de redressement du courant alternatif engendré par l'alternateur lorsqu'il fonctionne en générateur. Ce pont redresseur n'est pas représenté sur la figure 1 mais est indiqué en 16 sur le schéma électrique de la figure 4. L'arbre 5 de l'alternateur porte, à son extrémité opposée à celle pourvue des pistes collectrices 8 et 9, une poulie 18 autour de laquelle passe une courroie non représentée de transmission pour entraîner en rotation l'arbre 5 lors d'un fonctionnement en mode générateur ou pour transmettre le mouvement de rotation pour le démarrage par exemple d'un moteur à combustion interne d'un véhicule automobile. La figure 1 montre encore en 20 et 21 les roulements par lesquels l'arbre 5 est supporté dans le palier avant 23 et le palier arrière 24 supportant le stator. La figure 1 indique ensuite en 25 le porte-balais associé au pistes 8,9 et le régulateur classique de l'alternateur. Les références 19 et 22 désignent des ventilateurs avant et arrière. Il n'est pas nécessaire de décrire plus en détails la structure de l'alternateur 1, qui, comme indiqué plus haut, est conventionnel, d'une part, et, d'autre part, parce que les détails de sa structure standard n'interviennent pas dans l'invention. Par contre une particularité de l'alternateur 1, ajoutée à sa structure standard, réside dans le fait que l'arbre 5 est prolongé du côté des pistes collectrices 8 et 9 et que ce prolongement désigné par la référence 26 forme un bout cannelé comportant autant de cannelures 27 que de paires de pôles de l'alternateur. Selon une caractéristique essentielle de l'invention, le dispositif d'alimentation en courant 2 des enroulements 12,13, 14 du stator 11 de l'alternateur 1 est formé par un commutateur mécanique. Ce commutateur comporte trois parties, à savoir deux bagues lisses 30, 31 et un collecteur à lames 33. Les bagues et le collecteur sont portés par un corps rotatif 34 dont l'arbre est indiqué en 35. Le corps 34 est solidaire en rotation de l'arbre 35. Celui-ci est supporté par des paliers tel que le palier 37. Les bagues 30,31 et le collecteur 33 sont axialement juxtaposés sur le corps 34 à la périphérie de celui-ci. Le collecteur est situé entre les bagues. Les bagues 30,31 sont reliées chacune via un balai 39,40 et par l'intermédiaire d'un contact 42,43 d'un contacteur de puissance 44 aux bornes positive et négative d'une batterie Bat. La bague 30 est ainsi appelée bague positive et la bague 31 bague négative. Le collecteur à lames 33 porte sur sa surface périphérique, successivement dans la direction périphérique, une lame neutre 46, une lame positive 47, une lame neutre 46, une lame négative 48, une lame neutre 46 une lame positive 47 et ainsi de suite, comme le montre la figure 2. Le nombre de chaque type de lame est égal au nombre de paires de pôles de l'alternateur 1. Les lames positives 47 sont reliées électriquement à la bague positive 30, les lames négatives 48 à la bague négative 31. Au collecteur 33 sont associés trois balais 50,51, 52 qui sont disposés autour du collecteur en contact de frottement avec les lames. Les balais sont écartés les uns des autres d'un angle électrique de 1200. Les balais 50,51, 52 sont reliés respectivement aux enroulements 12,13 et 14 du stator de l'alternateur 1 par exemple de la manière représentée sur la figure 1. Ainsi chaque borne d'enroulement reçoit lors de la rotation du corps rotatif 34 successivement les potentiels positif, neutre, négatif, neutre, positif et ainsi de suite. Par conséquent l'ensemble qui vient d'être décrit fonctionne en onduleur mécanique. La figure 3 illustre encore une possibilité avantageuse d'un réglage fin de la position angulaire des balais 51 par rapport aux écarts de positionnement relatif du stator et du rotor. Ce réglage se fait avantageusement par rotation relative dans la limite de lumières 76 de forme oblongue dans la direction périphérique d'un support de balais, non représenté spécifiquement sur la figure 1, par rapport à la partie de carter de l'onduleur, qui est indiqué en 78 sur la figure 1. On comprend que la machine réversible selon l'invention peut fonctionner en mode moteur, c'est-à-dire comme démarreur d'un moteur à combustion interne, lorsque le dispositif 2 d'alimentation des enroulements de phase du stator de l'alternateur 1, constitué par l'onduleur, est couplé à l'alternateur. A cette fin l'extrémité avant 54 de l'arbre 35 de l'onduleur 2 est cannelée axialement. Le nombre des cannelures axiales 56 est égal au nombre des cannelures 27 du bout 26 de l'arbre rotor de l'alternateur, c'est-àdire au nombre des paires de pôles de celui-ci. L'extrémité cannelée 54 de l'onduleur se trouve axialement en face du bout cannelé 26. Sur cette extrémité cannelée 54 est disposé librement coulissant un manchon d'accouplement 58 intérieurement cannelé. Ce manchon est axialement déplaçable par le dispositif d'accouplement 3 entre une position dans laquelle il est retiré sur l'extrémité cannelée 54 telle que représentée sur la figure 1 et une position d'accouplement de l'onduleur à l'alternateur dans laquelle le manchon est simultanément engagé sur le bout cannelé 26 de l'extrémité 56. Le dispositif d'accouplement 3 comprend essentiellement une fourchette 60 montée pivotante en 62 et dont une extrémité 64 est articulée à la périphérie du manchon 58 tandis que son autre extrémité 66 qui est coudée est articulée à un noyau mobile 68 d'une bobine de solénoïde 70. Le noyau est pourvu d'une tige 72 de fermeture et d'ouverture des contacts 42,43 du contacteur de puissance 44 représenté sur la figure 4. Lorsque la bobine 70 est excitée, le noyau 68 se déplace via le manchon 58 et les extrémités cannelées 26, 54 à l'encontre d'un ressort de rappel 74. Le déplacement a pour conséquence le déplacement du manchon 58 dans sa position d'accouplement de l'onduleur 2 à l'alternateur 1 et la fermeture des contacts 42,43. Concernant le fonctionnement de la machine électrique tournante réversible selon l'invention, lorsqu'elle doit fonctionner en mode alternateur elle est entraînée par le moteur thermique du véhicule automobile auquel elle est associée et l'onduleur est débrayé. Le manchon 58 occupe la position représentée sur la figure 1. Lorsque l'on souhaite faire démarrer le moteur thermique on convertit la machine en démarreur en alimentant la bobine 70 du contacteur de puissance. L'excitation de la bobine provoque le déplacement du noyau 68 qui, en revanche, entraîne l'accouplement de l'onduleur 2 à l'alternateur 1 via le manchon 58 et les extrémités cannelées 26,54 et la fermeture des contacts 42 et 43. A la suite de cette fermeture des contacts et de la liaison ainsi établie entre les pôles de la batterie Bat et les bagues 30,31 de l'onduleur un courant peut s'écouler par les lames du collecteur 33 et les balais 50,51, 52 dans les enroulements du stator de l'alternateur 1, produisant un couple C permettant le démarrage du moteur thermique. Lorsque le démarrage est terminé, on coupe le courant dans la bobine 70, ce qui permet au ressort 74 de repousser la fourchette 60 qui ramène alors le manchon dans sa position de débrayage initial de l'onduleur 2. La machine fonctionne alors en mode alternateur. Lors des phases de démarrage l'invention réutilise avantageusement la surexcitation rotorique telle que décrite dans le brevet EP0260176. Dans le mode de réalisation de l'invention qui vient d'être décrit et est représenté sur la figure, les cannelures 27 du rotor de la machine sont droites et s'étendent axialement. Il est à noter que le choix du nombre des cannelures du rotor et de l'onduleur égal au nombre de paires de pôles assure le positionnement correct de l'onduleur par rapport à l'alternateur et ainsi l'alimentation appropriée des enroulements 12,13, 14 du stator de l'alternateur. Selon une variante de l'invention les cannelures 27 portées par le bout d'arbre de rotor 26 pourraient être hélicoïdales. Dans ce cas, le contacteur de puissance 44 comporte une deuxième bobine (non représentée). Celle-ci est alimentée dès l'obtention d'une certaine vitesse de rotation. Ceci permet un calage différent par translation dans la partie hélicoïdale qui décale en rotation l'onduleur mécanique 2 et optimise la courbe de couple C en fonction de la vitesse de rotation de manière continuellement variable ou pas-à-pas, comme on le voit sur la figure 5. Cette figure montre en I la courbe obtenue avec une cannelure droite sans utilisation d'une deuxième bobine. La courbe II illustre le couple C en fonction de la vitesse de rotation avec utilisation de la deuxième bobine en tout ou rien et la courbe III le couple obtenu avec utilisation de la deuxième bobine du contrôle de déplacement de la fourchette. REVENDICATIONS 1. Machine électrique tournante polyphasée, associable à un moteur tel que le moteur à combustion interne d'un véhicule automobile et apte à être utilisé, d'une part, comme générateur électrique lorsqu'elle est entraînée par le moteur et, d'autre part, comme moteur électrique pour le démarrage du moteur auquel elle est associée, la machine comprenant un arbre porteur d'un rotor à pôles magnétiques entourés d'un stator polyphasé constituant un induit et doté d'enroulements définissant les phases de la machine, un pont de diodes de redressement du courant engendré par les enroulements du stator lorsque la machine fonctionne en mode générateur et un dispositif d'alimentation en courant électrique des enroulements du stator lorsque la machine fonctionne en mode moteur, caractérisée en ce que le dispositif d'alimentation en courant (3) des enroulements du stator est réalisé sous forme d'un onduleur mécanique (2) apte à être couplé à l'arbre précité de la machine et relié aux enroulements (12-14) du stator. 2. Machine selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comprend un alternateur (1) de structure conventionnelle à l'arbre du rotor (5) de laquelle est couplé l'onduleur mécanique (2) lorsque la machine fonctionne en mode moteur. 3. Machine selon la revendication 2, caractérisée en ce que l'onduleur (2) est réalisé sous forme d'un corps rotatif (34) porteur d'un collecteur à lames (33) comprenant sur sa surface périphérique une succession de lames positives (47), négatives (48), et neutres (46), une lame neutre étant toujours interposée entre une lame positive et une lame négative, et des balais (50,51, 52) d'application du potentiel électrique des lames (46, 47, 48) aux enroulements (12,13, 14) de l'alternateur (1). 4. Machine selon la revendication 3, caractérisée en ce que le corps rotatif (34) porte une bague positive (30) et une bague négative (31) susceptibles d'être reliées aux bornes respectivement positive et négative d'une source d'énergie électrique telle que la batterie (Bat) d'un véhicule automobile, et en ce que les lames positives (47) et négatives (48) sont reliées électriquement aux bagues positives (30) et négatives (31). 5. Machine selon la revendication 4, caractérisée en ce que les bagues positives (30) et les bagues négatives (31) sont reliées à la source (Bat) précitée par des balais (39,40) via des contacts (42,43) d'un contacteur de puissance (44). 6. Machine selon l'une des revendications 3 à 5, caractérisée en ce qu'elle comprend un dispositif (3) d'accouplement de l'onduleur (2) à l'alternateur par l'intermédiaire d'une pièce (58) d'accouplement d'une extrémité (54) de l'arbre (35) du corps rotatif d'onduleur (34) à un bout d'arbre du rotor (26) de l'alternateur (1). 7. Machine selon la revendication 6, caractérisée en ce que le bout d'arbre (26) et l'extrémité (54) sont cannelés et la pièce d'accouplement (58) est formée par un manchon intérieurement cannelé qui est axialement coulissant entre une position débrayée sur ledit bout (26) ou ladite extrémité (54) et une position d'accouplement dans laquelle il est engagé simultanément sur ledit bout et ladite extrémité et que le nombre de cannelures du bout d'arbre (26) et de l'extrémité (54) est égal au nombre de paires de pôles de l'alternateur (1). 8. Machine selon la revendication 7, caractérisée en ce que le dispositif d'accouplement comporte une fourchette (60) de déplacement du manchon (58) qui est monté pivotant (en 62) et articulée à une extrémité du manchon à l'autre extrémité, un noyau mobile (68) d'une bobine (70) d'un contacteur de puissance (44) à exciter lorsque la machine doit fonctionner en moteur. 9. Machine selon la revendication 8, caractérisée en ce que le noyau mobile (68) constitue l'organe de fermeture de contacts (42,43) de connexion électrique des bagues (30,31) de l'onduleur (2) aux bornes de la batterie (Bat) lors de l'excitation de la bobine (70). 10. Machine selon l'une des revendications 7 à 9, caractérisée en ce que les cannelures (27) du bout de l'arbre (26) de l'alternateur et les cannelures (56) de l'extrémité d'arbre (54) du corps rotatif (34) de l'onduleur sont des cannelures droites. 11. Machine selon d'une des revendications 7 à 9, caractérisée en ce que les cannelures (27) du bout d'arbre (26) de l'alternateur sont hélicoïdales et le contacteur de puissance (44) comprend une deuxième bobine d'optimisation du couple (C) produit en mode moteur, en fonction de la vitesse de rotation de la machine.