Brevet FR2862444A1 — publié le 20050520

Domaine de l'invention La présente invention concerne un moteur électrique notamment pour des machines outils à main, comportant au moins un balai électro-conducteur pour le passage du courant électrique vers un collec- teur tournant autour d'un axe de rotation, le balai ayant une surface active adaptée à une surface de circulation du collecteur pour s'appuyer contre cette surface de circulation du collecteur. Elle concerne en outre une machine outil à main équipée d'un moteur selon l'invention. Etat de la technique Dans le cas des moteurs électriques notamment des moteurs série ou moteurs universels, le passage du courant électrique alimentant le moteur se fait par des balais en carbone vers le collecteur de l'induit. Pour avoir un bon passage de courant entre les balais et le col- lecteur on utilise des balais dont la surface active est adaptée au rayon du collecteur. Habituellement, on choisit pour le rayon de la surface active, un rayon supérieur de 10 à 20 % de celui du collecteur pour assurer un rodage des balais aussi bon que possible et pour que le passage du courant pendant la phase de rodage se fasse sur une surface aussi grande que possible. Les balais passent ainsi sur les lamelles du collecteur. Ces lamelles sont juxtaposées en laissant des rainures pour former ainsi la surface périphérique du collecteur. Exposé et avantages de l'invention L'invention concerne un moteur électrique du type défini ci- dessus caractérisé en ce que la surface active du balai présente en position de contact avec le collecteur à l'arrêt, au moins une arête amont selon le sens de rotation, et qui s'écarte de la surface de circulation correspondante du collecteur. L'arête avant du balai est écartée dans la direction radiale de la surface de circulation correspondante du collecteur, vers l'extérieur de façon que pour un balai basculé vers l'avant dans le sens de rotation, le collecteur peut glisser sous la surface active. La distance de l'arête avant compense pour l'essentiel le basculement du balai lorsque le collecteur tourne. La surface active est adaptée aux conditions géométriques du commutateur en rotation et non du commutateur à l'arrêt. Cela permet d'éviter que le basculement du balai laisse dans la zone arrière de la sur- face active un intervalle qui limiterait la surface de contact à une zone étroite proche de l'arête avant alors qu'à l'arrêt du collecteur cette surface de contact se trouve sensiblement au milieu entre le collecteur et le balai. On réduit également le risque que l'arête avant bute contre des irrégularités par exemple un dépassement de lamelles à la périphérie du collecteur et que le balai risque même de se soulever. La distance à respecter entre l'arête et la surface de circulation correspondante résulte des dimensions géométriques du support de balai et du balai ainsi que du jeu souhaité entre ces éléments. Le spécialiste saura optimiser cette distance suivant la situation. Déjà pendant la phase de rodage, lorsque le balai mis en forme s'adapte à la surface du collecteur, pratiquement toute la surface active du balai tournée vers le collecteur sera disponible comme surface de contact même si pendant la rotation du collecteur, le balai est entraîné dans le sens de rotation et bascule du fait des tolérances et de l'entrefer dans le support de balai. Une tolérance de fabrication du balai et de son support se traduit en prin- cipe par un entrefer créé par le basculement du balai lorsque le collecteur tourne, comme indiqué ci-dessus et dans le cas des balais connus cela se traduit par une surface de contact fortement réduite. L'entrefer est d'autre part souhaité pour que le balai ou un ensemble de balais répartis à la périphérie du collecteur soit facilement accessibles même lorsqu'il y a de la poussière. Cela est important surtout dans les applications aux moteurs électriques de machines outils à main dans lesquels l'air de refroidissement, aspiré est chargé d'une quantité importante de poussière véhiculée à l'intérieur et arrivant ainsi au niveau du support de balai. Le basculement du balai est utilisé par la géométrie de balai modifiée selon l'invention pour réaliser une surface de contact aussi grande que possible. Grâce à la nouvelle géométrie du balai, on augmente même l'intervalle entre le balai et son support ce qui est particulièrement avantageux lorsque le moteur fonctionne dans de l'air chargé de poussière. De plus cela permet d'augmenter les tolérances de fabrica- tion du support de balai et du balai lui-même, se traduisant par une fabrication plus économique. La surface importante diminue la densité de courant au ni- veau de la surface de contact et les contraintes thermiques appliquées au collecteur. Dans le cas contraire, le collecteur risque d'être endommagé dès la phase de rodage par une densité de courant excessive agissant lo- calement et réduisant ainsi la durée de vie du collecteur en charge. Grâce à l'appui pratiquement complet entre le balai et le collecteur on évite éga- lement le battement et ainsi le soulèvement du balai même si les lamelles présentent une variation brusque de dimension au niveau de la surface périphérique du commutateur c'est-à-dire une hauteur différente. Alors que dans les corps de balai habituels, pour des moteurs universels tournant rapidement, une variation de hauteur de lamelles de seulement 2 peut provoquer un soulèvement durable des balais, on évite dans une très large mesure cet inconvénient par la réalisation de l'invention. On évite l'accrochage de l'arête avant du balai, en avant de l'axe de rotation du collecteur rapporté à son sens de rotation, dans les rainures entre les différentes lamelles. L'accrochage pourrait produire des étincelles et brûlure des balais. On réduit ainsi l'usure des arêtes et la brûlure sur les arêtes des lamelles. On améliore également le déparasitage et la durée de vie du moteur électrique. Si la surface active s'écartée de la surface de circulation au niveau de son arête arrière et de son arête avant, et si une zone de contact touche dans la surface activée le collecteur, on utilise cette surface active disponible du balai de manière optimale pour un collecteur tournant dans les deux sens de rotation. Si l'axe du cylindre géométrique formé par le segment périphérique de la surface active est non coaxial à l'axe de rotation c'est-à-dire écarté de cet axe, la fabrication du balai se fait grâce à une forme géométrique simple. En particulier, l'axe se trouve à une distance donnée parallèlement à l'axe de rotation. De manière préférentielle, le cylindre a une section de forme circulaire. En variante, le cylindre peut également avoir une section elliptique ou une autre section de ce type qui peut paraître intéressante au spécialiste. Si le balai présente des surfaces latérales parallèles entre lesquelles se situe le plan médian du balai, ce plan coupant la surface active et si l'axe de rotation se situe dans le plan médian, alors le balai a une forme facile à fabriquer et dont l'adaptation à la surface active du collecteur peut se faire en toute sécurité grâce à la situation géométrique simplifiée. De manière préférentielle, l'axe de rotation et l'axe sont contenus dans un plan perpendiculaire à l'axe du balai ce qui simplifie la géométrie. L'adaptation de la surface active du balai peut se faire de ma- nière définie. Si dans le cas d'un collecteur tournant dans le sens de rotation des aiguilles d'une montre, l'axe se situe à gauche du plan médian lorsqu'on regarde dans la direction de fonctionnement, le basculement du balai dans la direction opposée au sens de rotation peut être pris en compte au préalable lorsqu'on réalise la surface active. Le sens de fonctionnement est par exemple la direction de fonctionnement définie par l'outil équipant la machine de préférence une machine outil à main, lors- que l'utilisateur regarde l'outil de la machine. Le basculement du balai assisté dans le cas d'un collecteur tournant à droite crée un contact sur une grande surface entre la surface active et le collecteur. Cela permet d'augmenter les tolérances de fabrication grâce à cet effet. Si pour un collecteur tournant dans le sens contraire des aiguilles d'une montre, vu dans la direction de travail, l'axe se trouve à droite du plan médian, on peut tenir compte du basculement correspondant du balai dès la fabrication de la surface active. Un basculement du balai pour un commutateur tournant à gauche assure un contact sur une partie importante de la surface active avec le collecteur. Cet effet permet d'accentuer les tolérances de fabrication. Si la surface active du balai dans le cas d'un collecteur tournant dans les deux sens est formée par deux segments périphériques juxtaposés appartenant à deux cylindres juxtaposés, parallèles à l'axe de rotation, on optimise la surface de circulation ou surface active disponible lorsque le commutateur tourne dans les deux sens de rotation. On peut ainsi assurer que dans l'un des deux sens de rotation, par basculement du balai, on aura une grande surface de contact. Les axes des deux cylindres dont les segments périphériques constituent la surface active se situent des deux côtés du plan mé- dian. En outre les axes sont de préférence équidistants du plan médian. Une disposition symétrique facilite l'usinage précis de la surface active du balai. Si le balai comporte au moins une arête avec un congé, on évite encore mieux l'accrochage de l'arête dans les lamelles dans un sens de rotation. Habituellement, un balai ne comporte aucun congé ou qu'un congé indéfini pour le sens de rotation du collecteur. Dans ces conditions, l'accrochage du balai aux lamelles est favorisé en particulier dans le cas d'une variation brusque de hauteur de lamelles. Si le balai comporte deux arêtes avec congé, on évite l'accrochage aux lamelles quel que soit le sens de rotation. Si l'angle du congé est compris entre 5 et 35 et de préférence compris entre 10 et 30 , cela garantit que même des variations im- portantes de hauteur de lamelles ne font pas buter l'arête du balai lorsque le collecteur tourne. Si le congé a une largeur de l'ordre de 0,2 à 2 mm et de préférence une largeur comprise entre 0,5 et 1,5 mm, on réduit d'autant la perturbation par une éventuelle variation de hauteur de lamelles. Le choc pourrait produire comme indiqué ci-dessus une usure de l'arête sur les lamelles ainsi que le battement et le soulèvement du balai. Or ce congé réduit la composante de la force agissant dans le sens du soulèvement du balai et permet ainsi un fonctionnement plus calme, avec un bon appui du balai. On peut également voir des congés plus importants ou plus réduits et le spécialiste saura trouver un optimum intéressant entre les éventuel-les difficultés de fabrication de petits congés et la réduction inutile de la surface d'appui par des congés importants. Si le rayon des segments périphériques de la surface active est supérieur d'au moins 10 % au rayon de la surface de circulation correspondante du collecteur, on se trouve dans des conditions géométriques avantageuses pour le contour de la surface active du balai et de la surface de circulation du collecteur. Une machine outil à main équipée d'un moteur électrique selon l'invention se caractérise par de meilleures propriétés concernant l'usure des balais et une réduction des difficultés de déparasitage. Dessins La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide d'exemples de réalisation représentés schématiquement 25 dans les dessins annexés dans lesquels: la figure 1 est une coupe d'un balai habituel; la figure 2 montre en coupe un balai selon la figure 1 en contact avec les lamelles d'un collecteur; la figure 3 est une coupe d'un mode de réalisation préférentiel d'un 30 balai; la figure 4 est une coupe d'un mode de réalisation préférentiel d'un balai avec deux segments périphériques; la figure 5 montre en coupe un mode de réalisation préférentiel d'un balai en contact avec un collecteur tournant dans le sens contraire des 35 aiguilles d'une montre; la figure 6 montre en coupe un mode de réalisation préférentiel d'un balai en contact avec un collecteur tournant dans le sens des aiguilles d'une montre; la figure 7 est une coupe d'un mode de réalisation préférentiel d'un balai avec un congé au niveau de l'arête. Description de modes de réalisation La figure 1 montre les conditions géométriques d'un balai habituel 10 par une coupe du balai 10; celui-ci comporte une surface active ou surface de circulation 16, courbe pour s'appliquer contre un col-lecteur non représenté. Le plan de coupe est perpendiculaire à l'axe de rotation non représenté du collecteur. Le dispositif a une hauteur axiale perpendiculairement au plan de la figure de sorte qu'à la figure les cercles ou les arcs de cercle représentent des cylindres de section circulaire ou des surfaces cylindriques de section circulaire. Le balai 10 a essentielle-ment une forme de prisme avec des surfaces latérales parallèles; la sur-face active ou surface de circulation 16 a une forme correspondant à la surface de circulation à la périphérie du collecteur et constitue le segment périphérique d'un cylindre géométrique de rayon R2 autour de l'axe de rotation 46 du collecteur. Le plan médian 24 passe par le milieu des sur-faces latérales parallèles 54, 56 du balai 10. La surface active 16 est symétrique par rapport au plan médian 24. L'axe de rotation 46 se situe dans le plan médian 24 du balai 10. Lorsque le moteur électrique tourne en particulier au moment du démarrage, le balai 10 bascule et n'est plus appliqué que par une zone étroite proche de l'arête avant contre le collecteur. Le balai 10 est électro-conducteur; il est notamment en graphite. La figure 2 montre une coupe d'un collecteur 12 et d'un balai 10 habituel selon la figure 1. Le balai 10 est tenu dans un support ou carquois 44 et il touche le collecteur 12; celui-ci comporte un ensemble de lamelles 44 dont seulement une lamelle est référencée pour des rai-sons de clarté ; ces lamelles constituent la surface de circulation 14 correspondante du collecteur. La surface de circulation 14 a un rayon R1. La surface de circulation 16 ou surface active du balai 10 est plus large qu'une lamelle 40 et déborde des deux cotés d'une lamelle 40 de façon à couvrir partiellement les lamelles 40 voisines à gauche et à droite. L'axe du cylindre de rayon R2 dont un segment périphérique correspond à la surface active 16 coïncide avec l'axe de rotation 46 du collecteur 12; ces deux axes se situent ainsi dans le plan médian 24 passant au milieu entre les deux surfaces latérales 54, 56 par le milieu du balai 10. Pour cette raison, la surface active 16 est située au milieu et à plat contre la surface de circulation 14 à la périphérie du collecteur 12 lorsque le collecteur 12 est arrêté. Du fait de l'entrefer entre le balai 10 et le support 44, le balai 10 s'aligne immédiatement lorsque le moteur commence à tourner, dans une direction et bascule autant que le permet l'entrefer entre le balai 10 et le support 44. Il se forme ainsi un intervalle entre la surface active 14 du balai 10 et la surface de circulation 14 du commutateur 12 au niveau de l'arête arrière selon le sens de rotation. La figure 3 montre en coupe un mode de réalisation préférentiel d'un balai 10 selon l'invention. On utilise dans cette figure les mêmes références qu'aux figures précédentes pour désigner des mêmes éléments. Le plan médian 24 du balai 10 représenté ici par une droite en trait interrompu, ne passe plus par l'axe 18 du cylindre géométrique 20, représenté en pointillés par un cercle à la figure 3 et dont un segment périphérique 22 est formé par la surface active 16. En revanche l'axe 18 est distant de la distance A du plan médian 24. Les arêtes 58, 60 du balai 10 se trouvent ainsi à des hauteurs différentes lorsque le collecteur 12 est à l'arrêt et que le balai 10 n'est pas basculé, hauteurs rapportées à la perpendiculaire géométrique au plan médian 24. Cela se traduit également par une distance différente des arêtes 58, 60 par rapport au collecteur 12 au repos (figure 2). L'axe 18 se situe à droite du plan médian 24 si le moteur électrique tourne vers la gauche dans le sens contraire des aiguilles d'une montre. Dans ce cas, l'arête 58 du balai 10 vu de devant dans le sens de rotation est plus éloignée du commutateur 12 en rotation que l'arête opposée 60 qui se trouve à l'arrière selon le sens de rotation. Le sens de rotation prévu du commutateur 12, immobile est indiqué par un trait en pointillés. Si au démarrage du moteur électrique, le balai 10 bascule vers la droite dans le sens contraire de celui des aiguilles d'une montre, les lamelles 40 ne butent plus contre le début du collecteur 12 par l'arête 58 mais glissent sous celle-ci et arrivent en contact avec la surface active 16. Lorsque le collecteur 12 tourne, le balai 10 bascule dans le support si bien qu'à l'arrêt, l'arête avant, écartée, s'appuie maintenant contre la sur-face circulation 14 du collecteur 12 et l'arête arrière 60 ne se soulève pratiquement plus. Si le sens de rotation du moteur électrique est l'inverse et se fait dans le sens des aiguilles d'une montre, en faisant tourner le corps 10 dans la direction opposée alors l'axe 18 se trouve à gauche du plan médian 24. Dans ces conditions, l'arête avant 58 plus éloignée du collecteur 12 se trouve du côté gauche du balai 10; le balai 10 basculerait vers la gauche sous l'effet du mouvement de rotation du commutateur 12. La figure 4 montre une réalisation préférentielle du balai 10 pour un collecteur 12 tournant dans les deux directions. La surface active 16 du balai 10 est formée par deux segments périphériques juxtaposés, appartenant à deux cylindres juxtaposés d'axes médians 32, 34. De manière préférentielle, les deux cylindres ont le même rayon. Les axes 32, 34 des deux cylindres et les segments périphériques 28, 30 se situent sur différents cotés du plan médian 24 et sont ainsi de préférence équidistantes de l'axe 24 de la distance A. Lorsque le commutateur 12 est arrêté, les deux arêtes 36, 38 sont écartées du collecteur 12. Certes lorsque le colle- teur 12 est immobile, l'arête avant 36 ou 38 est légèrement décalée et pendant une phase de rodage du balai 10 en marche à droite ou en marche à gauche, on aura néanmoins toujours des surfaces de contact beau-coup plus grandes que pour les balais 10 habituels. Les figures 5 et 6 montrent les conditions dans lesquelles pour un collecteur 12 tournant dans les deux sens, pour un balai 10 selon la figure 4, on forme la surface active 16 de deux segments périphériques 32, 34 de deux cylindres. Le plan médian 24 est indiqué par un trait interrompu pour l'état non basculé et l'état basculé. A l'arrêt, les deux arêtes 36, 38 du collecteur 12 sont écartées. Suivant le sens de rotation on aura dans un cas l'une des arêtes et dans l'autre cas, l'autre arête 36, 38 qui constitue l'arête avant et s'applique contre la surface de circulation 14 correspondante. La figure 5 montre le collecteur 12 tournant dans le sens contraire des aiguilles d'une montre c'est-à-dire vers la gauche comme cela est indiqué par une flèche. Du fait de l'entrefer 48 entre le balai 10 et un support de balai 44, le balai 10 peut basculer vers la droite si le col-lecteur 12 tourne vers la gauche. Du fait de la modification de la géométrie du balai 10, les lamelles 40 ne butent plus contre l'arête avant 36 du balai 10 dans ce sens de rotation; la surface active 16 s'appuie à plat par une surface de contact 52 contre les lamelles 40. L'arête arrière 38 est écartée car le balai 10 est prévu pour les deux sens de rotation. La figure 6 montre le cas d'un collecteur 12 tournant dans le sens de rotation des aiguilles d'une montre c'est-à-dire vers la droite. Le corps de balai 10 peut basculer vers la gauche dans le support 44 sans que les lamelles 40 butent contre l'arête avant 34 du balai 10. Dans ce cas également, la surface de contact 52 est importante bien que l'arête arrière 36 soit légèrement soulevée par rapport à la surface de circulation 14 correspondante. La figure 7 montre une réalisation préférentielle d'un balai 10 avec une arête 62 à congé ; le congé 50 a une largeur L de préférence de l'ordre de 0,5 - 1,5 mm à partir de l'arête 62. Le congé 50 forme un angle a de l'ordre de préférence 10 - 30 . De façon avantageuse, le balai 10 comporte deux arêtes 62 avec congé si le moteur électrique est prévu pour tourner dans les deux sens. De manière préférentielle on applique le moteur électrique dans des machines outils à main utilisant un moteur électrique universel. io NOMENCLATURE 10. Balai 12. Collecteur 14. Surface de circulation 16. Surface active 18. Axe 20. Cylindre 22. Segment périphérique 24. Plan médian 26. Prolongement 28. Segment périphérique 29. Segment périphérique 32. Axe 34. Axe 36. Arête 38. Arête 40. Lamelles 42. Rainures entre les lamelles 44. Support 46. Axe de rotation 48. Entrefer 50. Congé 52. Surface de contact 54. Surface latérale 56. Surface latérale 58. Arête 60. Arête 62. Arête R2. Rayon R1. Rayon a Angle de phase A Distance L Largeur REVENDICATIONS 1 ) Moteur électrique notamment pour des machines outils à main, comportant au moins un balai (10) électro-conducteur pour le passage du courant électrique vers un collecteur (12) tournant autour d'un axe de rotation (46), le balai (10) ayant une surface active (16) adaptée à une surface de circulation (14) du collecteur (12) pour s'appuyer contre cette surface de circulation (14) du collecteur (12), caractérisé en ce que la surface active (16) du balai (10) présente en position de contact avec le collecteur (12) à l'arrêt, au moins une arête (36, 38, 58, 62) amont selon le sens de rotation, et qui s'écarte de la surface de circulation (14) correspondante du collecteur (12). 2 ) Moteur électrique selon la revendication 1, caractérisé en ce que la surface active (16) s'écarte de la surface de circulation correspondante (14) au niveau de son arête avant et de son arête arrière (36, 38, 58, 62) et touche le collecteur (12) par une zone de contact à l'intérieur de la surface active (16) . 3 ) Moteur électrique selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'axe (18) du cylindre géométrique (20) que forme un segment périphérique (22) de la surface active (16) n'est pas coaxial à l'axe de rotation (46). 4 ) Moteur électrique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le balai (10) comporte des surfaces latérales (54, 56) parallèles et entre lesquelles se situe un plan médian (24) du balai (10) qui coupant la sur30 face active (16), l'axe de rotation (46) se situant dans le plan médian (24). 5 ) Moteur électrique selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'axe de rotation (46) et l'axe (18) sont situés dans un plan perpendiculaire 35 au plan médian (24) du balai (10). 6 ) Moteur électrique selon l'une des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que pour un collecteur (12) tournant dans le sens de rotation des aiguilles d'une montre lorsqu'on regarde dans la direction du fonctionnement, l'axe (18) se situe à gauche du plan médian (24). 7 ) Moteur électrique selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que pour un commutateur (12) tournant dans le sens contraire des aiguilles d'une montre, lorsqu'on regarde dans la direction de fonctionnement, l'axe (18) se situe à droite du plan médian (24). 8 ) Moteur électrique selon l'une des revendications 3 à 7, caractérisé en ce que la surface active (16) du balai (10) pour un commutateur (12) tournant dans les deux sens de rotation se compose de deux segments périphéri- ques juxtaposés (28, 30) de deux cylindres géométriques (20) juxtaposés, parallèles à l'axe de rotation (46). 9 ) Moteur électrique selon la revendication 8, caractérisé en ce que les axes (32, 34) des deux cylindres (20) dont les segments périphériques (28, 30) constituent la surface active (16) se situent sur des côtés différents du plan médian (24). 10 ) Moteur électrique selon la revendication 9, 25 caractérisé en ce que les axes (32, 34) sont équidistants du plan médian (24). 11 ) Moteur électrique selon les revendications 3 à 10, caractérisé en ce que le cylindre (20) a une section circulaire. 12 ) Moteur électrique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le balai (10) présente au moins une arête (62) avec un congé. 13 ) Moteur électrique selon la revendication 12, caractérisé en ce que l'arête présente un angle de congé (a) de l'ordre de 5 à 35 . 14 ) Moteur électrique selon l'une des revendications 12 à 13, caractérisé en ce que le congé (50) a une largeur de l'ordre de 0,2 à 2 mm. 15 ) Moteur électrique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le rayon des segments périphériques (2, 28, 30) qui foiinent la surface active (16) est supérieur d'au moins 30 % au rayon de la surface de circulation (14) correspondante du collecteur (12). lo 16 ) Machine outil à main équipée d'un moteur électrique selon l'une des revendications 1 à 15.