Brevet FR2870571A1 — publié le 20051125

La présente invention concerne un dissipateur de puissance résistif, destiné à la commande d'un moteur électrique, en particulier d'un moteur électrique à plusieurs vitesses pour l'entraînement en rotation d'un ventilateur. Cette invention s'applique plus particulièrement au domaine de l'équipement des véhicules automobiles, soit pour le groupe motoventilateur de refroidissement du moteur à combustion interne propulsant le véhicule concerné, soit pour la moto-ventilation d'une installation de chauffage et/ou de climatisation pulsant l'air dans l'habitacle du véhicule. En considérant ici une installation de chauffage et/ou de climatisation pour véhicule automobile, le ventilateur pulsant l'air est habituellement entraîné en rotation par un moteur électrique à courant continu, dans le circuit électrique d'alimentation duquel sont montées en série des résistances électriques de dissipation de puissance. Un commutateur, pouvant être actionné manuellement depuis le tableau de bord du véhicule, permet d'insérer un nombre variable de ces résistances dans le circuit d'alimentation du moteur électrique, de manière à faire varier par paliers la tension d'alimentation du moteur électrique, donc la vitesse de rotation de ce moteur et du ventilateur qu'il entraîne, et par conséquent le débit d'air pulsé par le ventilateur. II est connu de placer de telles résistances dans le flux d'air du ventilateur de manière à obtenir un refroidissement permanent de ces résistances. De plus, une protection thermique est habituellement associée à ces résistances électriques de dissipation de puissance. Dans leur réalisation traditionnelle, les résistances de dissipation ici considérées sont constituées à partir de fil électriquement conducteur résistif, enroulé en bobine. En particulier, chaque résistance peut être formée par un tel fil résistif enroulé autour d'un support mécanique thermiquement conducteur, mais électriquement isolant, par exemple en céramique. A titre d'exemple, il est ici fait référence au document FR 2521344 A, dans lequel il s'agit d'un support tubulaire, des supports plats étant également utilisés. Une autre forme de réalisation connue, constituant une variante de la précédente, consiste à former les résistances dissipatrices par un fil résistif, enroulé en bobine mais sans support, chaque bobine n'étant maintenue que par ses extrémités sur un support approprié, par exemple en forme de "U". Des exemples sont donnés par les documents DE 4217037 C et FR 2433821 A, ou encore par le document FR 2721152 A (au nom du Demandeur) . Le flux d'air peut ainsi traverser la bobine perpendiculairement à son axe. Dans toutes ces réalisations, la protection thermique est assurée, notamment en cas de blocage du moteur électrique associé, par un 5 thermofusible judicieusement disposé. Ces réalisations restent relativement complexes et couteuses, tant par le nombre de leurs composants que par les opérations d'assemblage, relativement délicates, nécessaires à leur fabrication industrielle. A cet égard, on notera que le montage de résistances dissipatrices nécessite la réalisation aussi bien d'assemblages mécaniques que de connexions électriques. De plus, en utilisation, les réalisations actuelles présentent une fragilité et des risques, et nécessitent une protection par un capot, en particulier pour éviter une détérioration par le seul exercice d'une pression manuelle, ou un court-circuit en cas de contact accidentel avec un objet métallique. Les composants métalliques extérieurs risquent aussi, en cas d'échauffement des résistances, d'entraîner un incendie du véhicule. Un autre type connu de réalisation, pour les résistances dissipatrices ici considérées, consiste à former celles-ci par un dépôt d'encre résistive sur un support en tôle émaillée ou un support à base d'alumine, selon une technique apparentée à celle des circuits imprimés. Dans ce cas, la protection thermique est réalisable par des soudures à l'étain ayant un point de fusion calibré. Un exemple de cet état de la technique est donné par le brevet US 5274351. Ce dernier type de réalisation n'évite pas tous les inconvénients 25 précédemment exposés, en particulier les problèmes de confection des connexions électriques. La présente invention vise à fournir, pour la réalisation d'un dissipateur de puissance résistif du genre ici concerné, une solution technique nouvelle, radicalement différente des technologies de résistances bobinées et de circuits imprimés, et qui procure une simplification de la fabrication du dissipateur de puissance par une diminution du nombre de ces composants et des opérations d'assemblage, tout en obtenant un produit mécaniquement résistant et offrant toute sécurité, la conception proposée favorisant en outre l'échange thermique avec l'air ambiant. A cet effet, l'invention a pour objet un dissipateur de puissance résistif, destiné à la commande d'un moteur électrique, en particulier d'un 2870571 3 moteur électrique à plusieurs vitesses pour l'entraînement en rotation d'un ventilateur, le dissipateur de puissance étant prévu pour être placé dans le flux d'air du ventilateur, ce dissipateur de puissance étant essentiellement caractérisé par le fait qu'il comporte au moins un module qui est réalisé en matière thermoplastique électriquement conductrice et qui comporte une série d'ailettes parallèles espacées, constituant autant d'éléments résistifs unitaires, qui relient entre elles deux parties latérales formant des zones d'alimentation électrique de ces éléments résistifs unitaires ainsi que de connexion électrique de l'ensemble du module. Ainsi, l'idée inventive consiste à réaliser le dissipateur de puissance à base d'un matériau synthétique, notamment une matière thermoplastique injectable, rendue électriquement conductrice (de manière connue en soi) par inclusion de fibres ou micro-fibres conductrices, pouvant être en carbone ou métalliques. Il est ainsi formé directement un corps rigide, muni d'ailettes parallèles séparées par des interstices, par lesquels peut circuler l'air déplacé par le ventilateur associé. Chaque ailette constituant un élément résistif unitaire, le module possède une résistance totale qui est la résultante de tous les éléments résistifs, montés électriquement en parallèle entre les deux parties latérales qui forment leurs zones d'alimentation, en même temps que leurs supports mécaniques. Un profilage longitudinal adapté des ailettes conductrices, avec une section d'épaisseur croissante puis décroissante, permet de créer entre ces ailettes des interstices du genre "Venturi", c'est-à-dire d'abord convergents puis divergents, dans leur profil longitudinal, qui sont particulièrement adaptés à la circulation du flux d'air déplacé par le ventilateur. Le choix du nombre des ailettes, de leur longueur, de leur largeur et de leur épaisseur permet d'ajuster la valeur ohmique du dissipateur, pour un matériau constitutif donné. La surface d'échange thermique de ces ailettes avec l'air peut 30 également être ajustée, notamment par un profilage transversal strié ou ondulé qui augmente cette surface d'échange. Selon un mode de réalisation du dissipateur de puissance résistif objet de l'invention, les deux parties latérales du ou de chaque module, qui forment les zones d'alimentation électrique des éléments résistifs unitaires constitués par les ailettes reliant ces deux parties latérales, comportent des lames ou plaques métalliques surmoulées réalisant la connexion électrique de 2870571 4 l'ensemble du module; la lame ou plaque, ainsi enrobée dans chaque partie latérale, assure l'amenée du courant électrique au module, et aussi sa distribution vers les différents éléments résistifs unitaires, en faisant le contact avec les fibres ou micro-fibres conductrices de la matière thermoplastique. Les lames ou plaques métalliques peuvent être ouvragées, par exemple perforées ou grillagées ou moletées ou pourvues de micro-pointes, afin d'augmenter leur surface de contact avec la matière thermoplastique électriquement conductrice. Selon d'autres modes de réalisation du dissipateur de puissance résistif objet de l'invention, les deux parties latérales d'un module reçoivent, sur leurs faces extérieures respectives, un dépôt électrochimique de type cuivrage, étamage, chromage ou analogue, ou un dépôt métallique sous vide réalisant la distribution du courant électrique vers les éléments résistifs unitaires, constitués par les ailettes reliant ces deux parties latérales; de préférence, lesdites parties latérales sont prolongées par des languettes également recouvertes par ce dépôt conducteur, pour former des zones de connexion électrique de l'ensemble du module. Pour former l'équivalent d'un bloc de résistances habituel, destiné à la commande d'un moteur électrique à plusieurs vitesses, une première solution consiste ici à juxtaposer deux ou plusieurs modules, tels que précédemment définis, dans un même plan transversal à la direction du flux d'air, les parties latérales de deux modules adjacents étant confondues en un montant commun. Une autre solution consiste à disposer deux ou plusieurs modules, tels que précédemment définis, de telle sorte qu'ils se succèdent dans la direction du flux d'air, les différents modules pouvant, dans ce cas, être montés sur un boîtier support commun, auxquels ils sont aussi connectés électriquement. Dans tous les cas, et en comparaison notamment avec les réalisations connues à résistances bobinées, le dissipateur de puissance résistif objet de l'invention permet une diminution du nombre de composants, notamment par suppression des résistances individuelles, du capot de protection, et du thermofusible. En effet, la fonction de sécurité, notamment en cas de blocage du moteur électrique associé, est assurée de façon "automatique" par la fusion de la matière thermoplastique conductrice constitutive du dissipateur de puissance, étant entendu que le point de ramolissement de cette matière est situé plus bas que la température maximale 2870571 5 admissible. La rigidité mécanique du dissipateur de puissance objet de l'invention, et son absence de conduction électrique notable en surface, assurent aussi toute sécurité, sans nécessité d'un capot de protection. La structure du dissipateur de puissance résistif, objet de l'invention, permet aussi de diminuer le nombre d'opérations nécessaires à la fabrication du produit, par suppression des opérations de montage et de sertissage des composants, et par intégration des connexions électriques. Si l'on excepte les connexions, ce dissipateur de puissance est dépourvu de composants métalliques extérieurs qui présenteraient des risques de court-circuit, en cas de contact avec un objet métallique, et qui risqueraient, lors de l'échauffement du dissipateur de puissance, de provoquer un incendie du véhicule. La configuration et la répartition des ailettes assurent un échange thermique optimal avec le flux d'air, pulsé par le ventilateur, pour conserver un 15 équilibre thermique d'ensemble approprié. Ainsi, dans l'ensemble, le dissipateur de puissance résistif, objet de l'invention, apporte une solution simple, fiable et économique. De plus, le dissipateur de puissance objet de l'invention s'avère adapté à des tensions électriques d'alimentation plus élevées, telles qu'elles sont susceptibles d'être appliquées dans le futur au domaine de l'automobile. De toute façon, l'invention sera mieux comprise à l'aide de la description qui suit, en référence au dessin annexé représentant, à titre d'exemples, quelques formes d'exécution de ce dissipateur de puissance résistif destiné à la commande d'un moteur électrique: Figure 1 est une vue en perspective d'un module de dissipateur de puissance résistif, conforme à la présente invention; Figure 2 est une vue en coupe horizontale de ce module selon Il-II de figure 1; Figure 3 en est une vue partielle en coupe verticale, suivant III-III 30 de figure 1; Figure 4 est une vue partielle en section, suivant IV-IV de figure 2, d'une variante de ce module avec profilage ondulé des ailettes; Figure 5 est une vue en coupe d'un dissipateur de puissance 35 résistif, formé de trois modules accolés; 2870571 6 Figure 6 est une vue en perspective d'un autre dissipateur de puissance résistif, formé par la succession de trois modules. En se référant tout d'abord aux figures 1 à 3, il est décrit un module, désigné globalement par le repère 2, sur la base duquel sont réalisables des dissipateurs de puissance résistifs, destinés à la commande d'un moteur électrique multi-vitesses qui entraîne en rotation un ventilateur, le module 2 étant prévu pour être placé dans le flux d'air pulsé par le ventilateur. Le module 2 possède, de façon générale, deux parties latérales parallèles 3, en forme générale de plaques rectangulaires, qui sont reliées entre elles par une série d'ailettes 4, parallèles et espacées selon un "pas" régulier, ces ailettes 4 s'étendant chacune dans un plan perpendiculaire aux plans des deux parties latérales 3. Entre les ailettes 4 successives sont ainsi ménagés des interstices 5, qui débouchent sur deux faces opposées du module 2. Ce module 2 est réalisé en une matière thermoplastique conductrice de l'électricité. Il s'agit, par exemple, d'une matière moulable à base de polyamide, notamment de polyamide 12, pouvant représenter environ 60% de la masse totale de l'ensemble, dans laquelle sont incluses avec une répartition homogène des fibres de carbone, pouvant représenter environ 40% de la masse totale de l'ensemble. Les ailettes 4, qui s'étendent à la manière de barreaux entre les deux parties latérales 3 du module 2, constituent chacune un élément résistif unitaire. Comme le montre en particulier la figure 3, chaque ailette 4 possède, dans le sens de sa longueur, un profil particulier avec une section d'épaisseur d'abord croissante, entre un premier bord 6 et sa région centrale 7, puis décroissante entre cette région centrale 7 et le bord opposé 8. II en résulte que chaque interstice 5, délimité par deux ailettes 4 consécutives, possède un profil du genre "Venturi", d'abord convergent, puis divergent. L'ensemble des ailettes 4 constitue autant d'éléments résistifs unitaires, montés électriquement en parallèle entre les deux parties latérales 3 opposées, lesquelles forment des zones d'alimentation électrique de ces éléments résistifs unitaires. Dans la forme de réalisation ici considérée, et comme le montre plus particulièrement la figure 2, chaque partie latérale 3 du module 2 comporte une lame métallique 9 noyée par surmoulage dans l'épaisseur de la matière thermoplastique conductrice de cette partie latérale 3. Chaque lame métallique 9 possède une portion dépassant à l'extérieur de la matière thermoplastique conductrice, comme le montre la figure 1. Ainsi, les deux lames métalliques 9 constituent, par leurs portions extérieures, des bornes d'amenée du courant électrique au module 2 et, par leurs portions noyées dans la matière thermoplastique conductrice, des moyens de distribution du courant électrique vers les différents éléments résistifs unitaires constitués par les ailettes 4, étant entendu que chaque lame métallique 9 fait le contact avec les micro-fibres conductrices, par exemple en carbone, incluses dans la matière thermoplastique du module 2. De plus, les portions dépassantes des deux lames métalliques 9 peuvent constituer des moyens de tenue mécanique du module 2 sur un support tel que socle, boîtier ou autre (comme précisé ci-après). En position montée, le module 2 est placé dans le flux d'air pulsé par le ventilateur, de telle sorte que l'air traverse tous les interstices 5 formés entre les ailettes 4, comme indiqué par une flèche F sur la figure 3. Comme le montre la figure 4, les ailettes 4 peuvent posséder un profil transversal ondulé, sur leurs deux faces principales en contact avec le flux d'air, de manière à augmenter la surface d'échange de ces ailettes 4 avec l'air. Pour un moteur électrique à plusieurs vitesses, les modules tels que précédemment décrits sont multipliés, tous ces modules étant placés dans le même flux d'air. Selon une première possibilité, illustrée par la figure 5, le dissipateur de puissance est formé de trois modules 2a, 2b, et 2c, globalement situés dans un même plan transversal à la direction du flux d'air pulsé. Les trois modules 2a, 2b et 2c possèdent des ailettes 4 en nombre différent, leur procurant des valeurs ohmiques différentes. Les parties latérales 3 de deux modules adjacents, soit 2a et 2b d'une part, et 2b et 2c d'autre part, sont confondues. Cette disposition permet de mettre les modules 2a, 2b et 2 c en série. Dans toutes les parties latérales 3 sont noyées des lames métalliques 9 d'amenée et de répartition du courant, telles que décrites précédemment. Les portions extérieures de toutes les lames 9 sont repliées sur un même socle 10, qui forme le support commun aux trois modules 2a, 2b et 2c, les extrémités de toutes ces lames 9 étant ainsi rapprochées dans un connecteur 11. Un système de commutation, non représenté, raccordé au connecteur 11, permet d'insérer un module 2a, 2b ou 2c au choix, ou un nombre variable de ces modules, dans le circuit d'alimentation du moteur électrique, de manière faire varier par paliers la tension d'alimentation de ce moteur, donc sa vitesse de rotation et celle du ventilateur et, par conséquent, le débit d'air pulsé par ce ventilateur. Selon une autre possibilité, illustrée par la figure 6, le dissipateur de puissance résistif est formé de trois modules 2a, 2b, 2c, disposés successivement dans la direction du flux d'air pulsé, direction symbolisée par la flèche F. Les trois modules 2a, 2b et 2c, qui ici encore possèdent des ailettes 4 en nombre différent, sont montés sur un boîtier support commun 12, le premier module 2a étant représenté séparé du boîtier 2 tandis que les deux autres modules 2b et 2c sont représentés dans leur position montée sur ce boîtier 2. Chaque module 2a, 2b ou 2c comprend ici encore une série d'ailettes 4, parallèles et espacées, reliant deux parties latérales planes 3. En considérant plus particulièrement le module 2a, qui apparaît de façon complète sur la figure 5, les deux parties latérales 3 sont prolongées audelà de l'ailette 4 inférieure, de manière à former deux languettes 13 opposées de fixation du module 2a. Les deux parties latérales 3 du module 2a, y compris leurs prolongements en forme de languettes 13, sont ici recouvertes, sur leurs faces extérieures, par un dépôt électriquement conducteur 14, qui peut être formé suivant diverses techniques: dépôt électrochimique de type cuivrage, étamage, chromage ou analogue, ou dépôt métallique sous vide. La face supérieure du boîtier support 12 présente des paires de fentes 15, prévues pour l'enfichage des languettes 13 des différents modules 2a, 2b et 2c. Ces languettes 13, recouvertes d'un dépôt métallique 14 (comme décrit précédemment), permettent l'amenée de courant électrique à chaque module 2a, 2b ou 2c, grâce à des lames de liaison électriquement conductrices (non représentées) logées dans le boîtier support 12 et aboutissant à un connecteur commun 16. Un commutateur extérieur permet, par l'intermdéidaire du connecteur 16 et des lames de liaison, la mise en circuit successive des résistances électriques constituées par les modules 2a, 2b et 2c. Comme il va de soi, l'invention ne se limite pas aux seules formes d'exécution de ce dissipateur de puissance résistif destiné à la commande d'un moteur électrique, qui ont été décrites ci-dessus, à titre d'exemples; elle en embrasse au contraire toutes les variantes de réalisation et d'application 2870571 9 respectant le même principe. C'est ainsi, notamment, que l'on ne s'éloignerait pas du cadre de la présente invention: - en modifiant les détails de forme des modules, tels que le nombre et le profil des ailettes; - en changeant la forme des ailettes, par exemple en leur donnant une allure incurvée leur permettant de s'inscrire au mieux dans le flux d'air, notamment si le dissipateur de puissance est placé dans un coude d'un conduit; - en utilisant une autre composition de matière thermofusible conductrice, tant pour sa matrice en polymère que pour sa charge conductrice; - dans le cas de lames métalliques d'amenée et de répartition du courant, en réalisant celles-ci de manière perforée ou grillagée ou moletée, ou pourvues de micro-pointes ou encore ouvragées d'une autre façon, afin d'augmenter la surface de contact entre ces lames et la matière thermoplastique électriquement conductrice; - en groupant des modules en nombre plus ou moins élevé, pour constituer un dissipateur de puissance résistif complet; - en destinant ce dissipateur de puissance résistif à des moteurs électriques ayant un nombre de vitesses quelconque, et pouvant entraîner des ventilateurs de toute fonction: ventilateur de refroidissement du moteur thermique du véhicule, ventilateur de l'installation de chauffage etlou de climatisation de l'habitacle de véhicule, etc... REVENDICATIONS 1. Dissipateur de puissance résistif, destiné à la commande d'un moteur électrique, en particulier d'un moteur électrique à plusieurs vitesses pour l'entraînement en rotation d'un ventilateur, le dissipateur de puissance étant prévu pour être placé dans le flux d'air du ventilateur, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un module (2) qui est réalisé en matière thermoplastique électriquement conductrice et qui comporte une série d'ailettes parallèles espacées (4), constituant autant d'éléments résistifs unitaires, qui relient entre elles deux parties latérales (3) formant des zones d'alimentation électrique de ces éléments résistifs unitaires ainsi que de connexion électrique de l'ensemble du module (2). 2. Dissipateur de puissance résistif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est réalisé sur la base d'une matière thermoplastique injectable, rendue électriquement conductrice par inclusion de fibres ou micro-fibres conductrices, pouvant être en carbone ou métallique. 3. Dissipateur de puissance résistif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les ailettes (4), constituant les éléments résistifs unitaires, possèdent un profilage longitudinal avec une section d'épaisseur croissante puis décroissante, créant entre ces ailettes (4) des interstices (5) du genre "Venturi", d'abord convergents puis divergents, dans leur profil longitudinal. 4. Dissipateur de puissance résistif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les ailettes (4) possèdent un 25 profilage transversal strié ou ondulé (figure 4). 5. Dissipateur de puissance résistif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les deux parties latérales (3) du ou de chaque module (2), qui forment les zones d'alimentation électrique des éléments résistifs unitaires constitués par les ailettes (4) reliant ces deux parties latérales (3), comportent des lames ou plaques métalliques surmoulées (9) réalisant la connexion électrique de l'ensemble du module (2), ainsi que la distribution du courant électrique vers les différents éléments résistifs unitaires. 6. Dissipateur de puissance résistif selon la revendication 5, 35 caractérisé en ce que les lames ou plaques métalliques (9) sont ouvragées afin d'augmenter leur surface de contact avec la matière thermoplastique électriquement conductrice. 7. Dissipateur de puissance résistif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les deux parties latérales (3) du ou de chaque module (2) reçoivent, sur leurs faces extérieures respectives, un dépôt électrochimique (14) de type cuivrage, étamage, chromage ou analogue ou un dépôt métallique sous vide, réalisant la distribution du courant électrique vers les différents éléments résistifs unitaires, constitués par les ailettes (4) reliant ces deux parties latérales (3). 8. Dissipateur de puissance résistif selon la revendication 7, caractérisé en ce que les parties latérales (3) d'un module (2) sont prolongées par des languettes (13), également recouvertes par le dépôt conducteur (14), pour former des zones de connexion électrique de l'ensemble du module (2). 9. Dissipateur de puissance résistif selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que deux ou plusieurs modules (2a, 2b, 2c) sont juxtaposés dans un même plan transversal à la direction (F) du flux d'air, les parties latérales (3) de deux modules adjacents (2a, 2b; 2b, 2c) étant confondues en un montant commun. 10. Dissipateur de puissance résistif selon l'ensemble des revendications 5 et 9, caractérisé en ce que les lames métalliques (9) noyées dans les parties latérales (3) sont repliées sur un même socle (10), qui forme un support commun aux modules (2a, 2b, 2c), les extrémités de toutes ces lames (9) étant rapprochées dans un connecteur (11). 11. Dissipateur de puissance résistif selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que deux ou plusieurs modules (2a, 2b, 2c) sont disposés de telle sorte qu'ils se succèdent dans la direction (F) du flux d'air, les différents modules (2a, 2b, 2c) étant, de préférence, montés sur un boîtier support commun (12), auquel ils sont connectés électriquement. 12. Dissipateur de puissance résistif selon l'ensemble des revendications 8 et 11, caractérisé en ce que le boîtier support (12) présente des paires de fentes (15) prévues pour I'enfichage des languettes (13) des différents modules (2a, 2b, 2c), le dépôt métallique (14) de ces languettes (13) permettant l'amenée de courant électrique à chaque module grâce à des lames de liaison électriquement conductrices logées dans le boîtier support (12) et aboutissant à un connecteur commun (16).