Brevet FR2850215A1 — publié le 20040723

ARMATURE D'UNE MACHINE ELECTRIQUE ROTATIVE ET DEMARREUR COMPORTANT L'ARMATURE Description La présente invention se rapporte à une armature comprenant un collecteur pour une machine électrique rotative et un démarreur comportant l'armature. Ces dernières années, la dégradation de l'environnement 10 général, tel que le réchauffement général provoqué par le dioxyde de carbone atmosphérique croissant pose un problème. Pour protéger l'environnement général, les véhicules sont confrontés à la tâche d'améliorer l'économie de carburant et les moteurs des véhicules ont été améliorés. En ce qui concerne un 15 démarreur de véhicule fourni en tant qu' équipement auxiliaire pour le moteur, il est nécessaire de réduire la dimension et le poids du moteur du démarreur, qui est relativement lourd dans le démarreur. Pour satisfaire ce besoin, le document JP-B-2 924 605 20 (USP5 508 577, USP5 650 683, USP5 864 193) décrit une machine électrique rotative qui n'a pas besoin de prévoir séparément un collecteur. En particulier, les surfaces du collecteur sont fournies par la partie du bobinage d'armature. En outre, dans la machine électrique rotative, un traitement d'évidement, qui est 25 généralement nécessaire pour un collecteur classique, n'est pas requis. De ce fait, les cots de fabrication et le nombre de procédés de fabrication sont diminués. La présente invention est réalisée au vu des éléments ci-dessus, et c'est un objectif de la présente invention de 30 fournir une armature légère et compacte pour une machine électrique rotative, qui soit capable d'améliorer les performances. Conformément à la présente invention, une armature destinée à une machine électrique rotative comporte un collecteur. Le 35 collecteur définit une surface de glissement de balai sur laquelle un balai de la machine électrique rotative établit un contact et glisse. Le collecteur comprend un moyen destiné à augmenter une surface de contact avec le balai sur la surface de glissement de balai. En conséquence, du fait qu'une surface de contact prédéterminée est fournie par le moyen d'augmentation de surface de contact, une chute de tension de contact, qui est provoquée par une diminution de la surface de contact, est limitée. Il est 5 donc possible d'améliorer les performances de l'armature légère et compacte. De préférence, le moyen d'augmentation de surface de contact est fourni par une pluralité de rainures formées sur la surface de glissement du balai. D'autres objectifs, caractéristiques et avantages de la 10 présente invention seront mieux mis en évidence d'après la description détaillée suivante faite en faisant référence aux dessins annexés, dans lesquels des parties identiques sont désignées par des numéros de référence identiques et dans lesquels: La figure 1 est une vue en coupe transversale simplifiée d'une armature conforme à un premier mode de réalisation de la présente invention, La figure 2 est une vue d'extrémité de l'armature, vue le long d'un axe de rotation, conforme au premier mode de 20 réalisation de la présente invention, La figure 3 est une vue en coupe transversale agrandie d'un segment de collecteur de l'armature conforme au premier mode de réalisation de la présente invention, et La figure 4 est une vue latérale d'une armature, comprenant 25 une coupe transversale partielle, conforme à un second mode de réalisation de la présente invention. Des modes de réalisation de la présente invention seront décrits ci-après en faisant référence aux dessins. En se référant à la figure 1, dans le premier mode de 30 réalisation, une armature 1 de la présente invention est utilisée par exemple pour un moteur d'un démarreur de véhicule. Le moteur est un moteur à courant continu et l'armature 1 agit comme rotor. L'armature 1 comprend un arbre d'armature 2, un noyau d'armature 3 supporté par l'arbre d'armature 2, un 35 bobinage d'armature 4 enroulé autour du noyau d'armature 3, et un collecteur 5. L'arbre d'armature 2 est supporté avec possibilité de rotation par un premier roulement 6 et un second roulement 7. Le premier roulement 6 est maintenu sur un flasque d'extrémité 40 (non représenté) qui referme une extrémité arrière d'un moteur. Le second roulement 7 est maintenu sur une paroi de séparation (non représentée) qui est formée d'une façon solidaire avec une culasse du moteur (non représentée). L'extrémité de l'arbre d'armature 2 (l'extrémité gauche de la figure 1) est munie d'une 5 roue solaire 2a. Par exemple, la roue solaire 2a s'engrène avec un train planétaire d'un dispositif de train planétaire de réduction (non représenté) de manière à ce que la rotation de l'arbre d'armature 2 soit transmise au train planétaire. Le noyau de l'armature 3 est constitué d'une pile de minces 10 plaques d'acier en forme de disque. Le noyau de l'armature 3 est monté sur l'arbre d'armature 2. En outre, le noyau de l'armature 3 s'engage avec des dentelures 2b formées sur une surface circonférentielle de l'arbre d'armature 2. A la périphérie du noyau de l'armature 3, on forme un nombre 15 prédéterminé de fentes 3a. Les fentes 3a sont disposées à des intervalles égaux dans le sens de la circonférence du noyau de l'armature 3. En outre, chacune des fentes 3a s'étend depuis une première extrémité axiale jusqu'à une seconde extrémité axiale du noyau de l'armature 3. Le bobinage de l'armature 4 est constitué d'éléments conducteurs intérieurs 8 et d'éléments conducteurs extérieurs 9. Chacun des éléments conducteurs intérieurs 8 comporte un tronçon de bobinage intérieur 8a et une paire d'extrémités de bobinage intérieur 8b s'étendant depuis les extrémités axiales du tronçon 25 de bobinage intérieur 8a. L'élément conducteur intérieur 8 est disposé sur le noyau de l'armature 3 de manière à ce que le tronçon de bobinage intérieur 8a soit situé dans la fente 3a et que les extrémités du bobinage intérieur 8b soient situées pratiquement parallèlement aux surfaces d'extrémités axiales du 30 noyau de l'armature 3. En outre, les extrémités du bobinage intérieur 8b sont munies de protubérances 8c dépassant axialement à l'extérieur du noyau de l'armature 3, aux extrémités. Chacun des éléments conducteurs extérieurs 9 comporte un 35 tronçon de bobinage extérieur 9a et une paire d'extrémités de bobinage extérieur 9b s'étendant depuis les extrémités axiales du tronçon de bobinage extérieur 9a. L'élément conducteur extérieur 9 est disposé de manière à ce que le tronçon de bobinage extérieur 9a soit situé radialement à l'extérieur du 40 tronçon de bobinage intérieur 8a à l'intérieur de la fente 3a et que les extrémités du bobinage extérieur 9b soient situées axialement à l'extérieur des extrémités du bobinage intérieur 8b. Après montage sur le noyau de l'armature 3, les éléments 5 conducteurs intérieurs 8 et les éléments conducteurs extérieurs 9 sont reliés électriquement et mécaniquement à la protubérance 8c des extrémités du bobinage intérieur 8b et des extrémités du bobinage extérieur 9b par exemple par soudage (parties de soudage W sur la figure 1) . Donc, le bobinage d'armature 4 est 10 constitué. Du papier d'isolement de fente (non représenté) est intercalé entre la paroi de la fente 3a et le tronçon de bobinage intérieur 8a et entre le tronçon de bobinage intérieur 8a et le tronçon de bobinage extérieur 9a. En outre, des plaques 15 d'isolement en résine 10, 11 sont intercalées entre la surface d'extrémité axiale du noyau de l'armature 3 et les extrémités du bobinage intérieur 8b et entre les extrémités du bobinage intérieur 8b et les extrémités du bobinage extérieur 9b, respectivement. Dans le premier mode de réalisation, le collecteur 5 est un collecteur du type en bout. Le balai 13 est agencé pour être en face des surfaces d'extrémités axiales des extrémités du bobinage extérieur 9b et entrer en contact avec celles-ci, lesquelles sont disposées sur une extrémité axiale du noyau de 25 l'armature 3 (extrémité droite sur la figure 1) dans la direction axiale. A savoir, les extrémités du bobinage extérieur 9b sur une extrémité axiale sont utilisées comme segments de collecteur. Les surfaces d'extrémités axiales des extrémités du bobinage extérieur 9b fournissent les surfaces du collecteur. 30 Ci-après, les extrémités du bobinage extérieur 9b avec lesquelles le balai 13 entre en contact sont appelées segments de collecteur 12. Le balai 13 est maintenu dans un porte-balai (non représenté) qui est fixé sur le flasque d'extrémité. Le 35 balai 13 est sollicité vers les surfaces du collecteur des segments 12 par un ressort (non représenté) qui est prévu sur une extrémité du balai 13 sur une face opposée au collecteur 5. Comme indiqué sur la figure 2, les segments 12 sont disposés régulièrement avec des intervalles 14 entre eux dans le sens de 40 la circonférence. Les intervalles 14 correspondent à l'évidement qui est formé dans un collecteur classique. De ce fait, les segments 12 sont isolés les uns des autres. En outre, les segments 12 sont isolés des extrémités du bobinage intérieur 8b par la plaque isolante 11. Sur les surfaces de collecteur des segments 12, une pluralité de rainures 15 sont formées en rangées circulaires. Les rainures 15 sont sensiblement concentriques avec l'arbre d'armature 2 et sont espacées les unes des autres à des intervalles sensiblement égaux dans une direction radiale de 10 l'armature 1. Les rainures 15 fournissent un moyen pour augmenter une surface de contact du collecteur 5 avec le balai 13. Dans le mode de réalisation, la pluralité de rainures 15 est formée entièrement sur les surfaces du collecteur, comme indiqué 15 sur la figure 2. Les rainures 15 peuvent être formées au moins sur des parties ou des zones sur lesquelles le balai entre en contact et glisse pendant la rotation. Les parties des surfaces du collecteur sur lesquelles le balai entre en contact et glisse sont appelées surfaces de glissement de balai de la présente 20 invention. Les rainures 15 sont formées de telle manière que la largeur de chaque rainure 15 se réduit progressivement depuis la surface du collecteur vers la partie inférieure. C'est-à-dire que la largeur de la rainure 15 est diminuée progressivement avec sa 25 profondeur. En particulier, comme indiqué sur la figure 3, au moins l'une des parois latérales définissant la rainure 15'est inclinée suivant un angle de c par rapport à une direction longitudinale de l'arbre d'armature 2. Une dimension (la largeur) C de chaque sommet qui est entre les rainures 30 adjacentes 15 et incluse dans la surface du collecteur est inférieure à une moitié du pas P entre les rainures 15 (C Pour limiter la détérioration de la résistance des segments due aux rainures 15, la profondeur H de la rainure 15, c'est-à-dire la dimension entre la surface du collecteur et la 35 partie inférieure de la rainure 15 est inférieure à une moitié de l'épaisseur T du segment 12 (H Ici, le collecteur 12 est formé d'un matériau présentant une dureté supérieure à celle du matériau qui constitue le balai 13. La figure 4 représente l'armature 1 du second mode de réalisation. Dans le second mode de réalisation, l'armature 1 comporte un collecteur du type cylindrique 5. Le collecteur de type cylindrique 5 est constitué de segments 12 qui sont 5 disposés à la manière d'un cylindre autour de l'arbre d'armature 2. Les segments 12 sont connectés au bobinage d'armature 4. Le balai 13 est disposé pour être face aux surfaces périphériques des segments 12 et entrer en contact avec celles-ci. Les surfaces périphériques des segments 12 procurent les surfaces du 10 collecteur. D'une manière similaire au premier mode de réalisation, la pluralité de rainures 15 est formée sur les surfaces de collecteur des segments 12. Les rainures 15 sont formées dans une direction circonférentielle du collecteur cylindrique 5 et 15 sont espacées les unes des autres à des intervalles approximativement égaux dans la direction axiale. Au moins l'une des parois latérales définissant la rainure 15 est inclinée par rapport à la direction perpendiculaire à l'arbre de l'armature 2 suivant l'angle c '. Donc, la largeur de chaque rainure 15 est 20 diminuée progressivement depuis les surfaces du collecteur vers la partie inférieure. La relation entre la profondeur H de la rainure 15 et l'épaisseur T du segment 12 et la relation entre la largeur C de chaque sommet et le pas P des rainures 15 sont similaires à celles du premier mode de réalisation. Ensuite, un effet avantageux des premier et second modes de réalisation sera décrit. Lorsque le balai 13 entre en contact et glisse sur les surfaces du collecteur pendant la rotation de l'armature 1, les parties de contact du balai 13 opposées aux sommets entre les 30 rainures 15 subissent une abrasion ou s'usent. En conséquence, des rainures ou des formes ondulées sont formées sur la surface d'extrémité du balai 13, et donc l'extrémité du balai 13 peut pénétrer à l'intérieur des rainures 15 et établir un contact avec les parois latérales des rainures 15. La zone de contact des surfaces du collecteur et du balai 13 et les performances du mode de réalisation sont comparées à celles du collecteur comportant des surfaces de collecteur planes. Tout d'abord, la surface de contact entre le collecteur 5 et le balai 13 des modes de réalisation est entre une fois et 40 demi et deux fois celle de la surface du collecteur plat. Du fait que la surface de contact est augmentée dans les modes de réalisation, la densité de courant sur la surface de contact pendant que l'alimentation électrique est fournie est approximativement entre 50 % et 60 %. De ce fait, comme la perte 5 par chute de tension est réduite en conséquence, la production de puissance est augmentée. Par exemple, si le mode de réalisation est employé pour un démarreur de la classe 1,6 KW, la production de puissance maximum est augmentée approximativement de 9,0 %. En général, la réduction de taille du collecteur 5 et du balai 13 résulte en une augmentation de la densité de courant sur la surface de contact pendant l'activation. Pour résoudre cela, il est nécessaire d'augmenter une force de sollicitation du balai 13. Cependant, l'augmentation de la force de 15 sollicitation résulte en une augmentation de la perte de couple. Dans ce cas, de ce fait, il est nécessaire d'augmenter la proportion du matériau, tel que le fer, par exemple, pour augmenter la longueur du noyau. Donc, il est encore difficile de réduire la dimension et le poids du moteur. En ce qui concerne 20 le démarreur de véhicule, en fait, pour traiter la réduction de dimension et de poids, le rapport de réduction de vitesse est augmenté de manière à ce que le couple du moteur soit réduit et que la vitesse de rotation soit élevée. De ce fait, le degré de perte de couple du moteur lui-même est susceptible d'augmenter. En revanche, dans des modes de réalisation, il n'est pas nécessaire d'augmenter la force de sollicitation du balai 13. Donc, ceci ne provoque pas d'augmentation de la perte de couple. En conséquence, il est possible de réduire davantage la dimension et le poids du démarreur. De plus, le balai 13 pénètre dans les intérieurs des rainures 15. Pour cette raison, le balai 13 glisse de façon stable sur les surfaces du collecteur. En conséquence, il est moins susceptible de générer des étincelles. De plus, ceci augmente la durée de vie du balai 13. Ceci est avantageux pour 35 le démarreur de véhicule car la vitesse de rotation du moteur dans un état chargé est susceptible d'augmenter plus que la vitesse au ralenti du moteur. Du fait que la stabilité du glissement du balai 13 est améliorée, la perte de la chute de tension entre le collecteur 40 15 et le balai 13 durant le ralenti est réduite. Pour cette raison la vitesse de ralenti du moteur est augmentée. Dans des modes de réalisation, la vitesse de ralenti est augmentée de 20 % par rapport à celle du collecteur classique comportant des surfaces de collecteur plates. Ceci est efficace pour un moteur du type à champ magnétique qui engendre un champ magnétique avec des aimants permanents. Dans le démarreur de véhicule, il est nécessaire de faire suivre la vitesse de rotation du démarreur avec la vitesse de rotation du moteur immédiatement après le démarrage du moteur. Dans le 10 moteur du type à champ magnétique, comme la vitesse de ralenti est basse, un pôle magnétique auxiliaire est prévu pour augmenter la vitesse de ralenti. Dans les modes de réalisation, cependant, la vitesse de ralenti est améliorée sans utiliser le pôle magnétique auxiliaire. Pour cette raison, si le moteur 15 électrique des modes de réalisation est employé dans le moteur du type à champ magnétique, la vitesse du ralenti peut être augmentée sans utiliser les pôles magnétiques auxiliaires. Ceci résulte en une réduction des cots. Comme le matériau du collecteur 5 est plus dur que le balai 20 13, la surface de contact augmente à mesure que la surface de contact du balai 13 s'use sur les surfaces du collecteur. Pour cette raison, il n'est pas nécessaire de former au préalable la surface de contact du balai 13 pour qu'elle corresponde à la forme des surfaces du collecteur. A un stade précoce du contact par glissement du balai 13 sur les surfaces du collecteur, la force de sollicitation du balai 13 est appliquée sur les sommets entre les rainures 15. Si la largeur C du sommet est inférieure à une moitié du pas P, la pression de surface ou la contrainte sur le sommet est plus 30 élevée que celle des autres parties. En conséquence, le balai 13 s'use en premier sur les sommets du collecteur 5. Pour cette raison le balai 13 se conforme à la forme des surfaces du collecteur à un stade précoce. Ceci permet un contact par glissement amélioré du balai 13 sur les surfaces du collecteur. Au moins l'une des parois latérales définissant la rainure est inclinée de manière à ce que la largeur de chaque rainure 15 soit réduite progressivement depuis le haut vers le bas. La paroi inclinée peut être incurvée. Comme la force de sollicitation du balai 13 peut être reçue par les parois 40 latérales des rainures 15, la surface de contact est augmentée. En général, les surfaces plates du collecteur sont traitées par un outil de coupe courant. Dans les modes de réalisation, en revanche, les rainures 15 sont faites par exemple par découpe ou usinage plastique par pressage. Comme les surfaces du collecteur 5 sont traitées en utilisant un dispositif de découpe de forme ou une matrice de pressage, la pluralité de rainures 15 est formée en même temps. En conséquence, les cots de traitement sont diminués. La présente invention ne doit pas être limitée au mode de 10 réalisation décrit, mais elle peut être mise en oeuvre d'autres manières sans s'écarter de l'esprit de l'invention. REVENDICATIONS 1. Armature (1) destinée à une machine électrique rotative comportant un balai 13, l'armature (1) comprenant: un collecteur (5) définissant une surface de glissement de balai sur laquelle le balai (13) entre en contact et glisse, dans laquelle le collecteur (5) comprend un moyen destiné à augmenter une surface de contact avec le balai (13). 2. Armature (1) selon la revendication 1, dans laquelle le collecteur (5) est un collecteur du type en bout dans lequel la surface de glissement du balai est disposée perpendiculairement à un axe de rotation, le moyen est muni de rainures (15) sur la surface de 15 glissement de balai, et les rainures (15) sont disposées en rangées circulaires sensiblement concentriques avec l'axe de rotation. 3. Armature (1) selon la revendication 1, dans laquelle le collecteur (5) est un collecteur de type cylindrique dans lequel la surface de glissement de balai est disposée sur une circonférence de cylindre ayant un axe concident avec un axe de rotation, le moyen est muni de rainures (15) sur la surface de 25 glissement de balai, et les rainures (15) sont formées dans une direction circonférentielle et espacées les unes des autres dans une direction axiale. 4. Armature (1) selon la revendication 2 ou 3, dans laquelle les rainures (15) sont formées de telle sorte que la largeur de chaque rainure se réduise progressivement depuis la surface de glissement de balai vers le fond de la rainure (15). 5. Armature (1) selon la revendication 4, dans laquelle chacune des rainures (15) est formée de telle sorte qu'au moins l'une des parois latérales définissant la rainure (15) soit une surface plate et soit inclinée. il 6. Armature (1) selon la revendication 4 ou 5, dans laquelle chacune des rainures (15) est formée de telle sorte qu'au moins l'une des parois latérales définissant la rainure soit incurvée. 7. Armature (1) selon l'une quelconque des revendications 2 à 6, dans laquelle les rainures (15) sont formées de telle sorte que chaque sommet défini entre les rainures (15) présente une largeur (C) inférieure à une moitié d'un pas (P) entre les rainures (15), le sommet étant contenu dans la surface de 10 glissement de balai. 8. Armature (1) selon l'une quelconque des revendications 2 à 7, dans laquelle le collecteur (5) est constitué d'une pluralité de segments (12) définissant chacun la surface de 15 glissement de balai, et chacune des rainures (15) est formée de telle sorte qu'une profondeur (H) de la rainure (15) soit inférieure à une moitié d'une épaisseur (T) du segment (12). 9. Armature (1) selon l'une quelconque des revendications 2 20 à 8, dans laquelle les rainures (15) sont formées par l'un d'une découpe et d'un usinage plastique par pressage. 10. Armature (1) selon l'une quelconque des revendications 2 à 9, dans laquelle le collecteur (5) est fait d'un matériau 25 présentant une dureté supérieure à celle du matériau constituant le balai. 11. Armature (1) selon l'une quelconque des revendications 2 à 10 comprenant en outre: un arbre d'armature (2), un noyau d'armature (3) supporté avec possibilité de rotation par l'arbre d'armature (2), et un bobinage d'armature (4) enroulé autour du noyau de l'armature (3), dans lequel la surface de glissement de balai 35 est contenue dans une surface d'extrémité axiale du bobinage d'armature (4). 12. Armature (1) selon la revendication 8 ou 9, comprenant en outre un arbre d'armature (2), un noyau d'armature (3) supporté avec possibilité de rotation sur l'arbre d'armature (2), et un bobinage d'armature (4) disposé sur le noyau d'armature (3), dans lequel les segments (12) sont connectés au bobinage de l'armature (4). 13. Démarreur de véhicule comprenant l'armature (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 12.