Brevet FR2928045A1 — publié le 20090828

L'invention concerne un dispositif à balai destiné à assurer une liaison électrique avec un collecteur dans une machine électrique tournante. La machine électrique tournante peut par exemple être un démarreur, un alternateur, ou un alterno-démarreur pour véhicule automobile. Une telle machine électrique tournante comporte un rotor entraîné en rotation autour d'un axe de rotation lorsque cette machine fonctionne. Ce rotor est pourvu, à l'arrière, d'un collecteur comprenant des pièces de contact connectées électriquement à un bobinage du rotor. Des balais sont prévus pour être mis en contact avec le collecteur en vue d'alimenter électriquement le bobinage. Les brevets US 2 029 171 et FR 2 565 042 décrivent un balai coopérant avec un collecteur, ce balai présentant un contour extérieur en arc de cercle et étant monté rotatif autour d'un axe. Ce balai s'applique contre le collecteur grâce à l'action exercée par un ressort spiral placé dans un logement central ménagé au sein du balai. Le brevet FR 1 378 561 décrit un balai en carbone ou en graphite, de forme demi-annulaire. Ce balai est monté dans un porte-balai avec possibilité de glisser dans celui-ci par l'action d'un ressort spiral en vue d'appliquer une extrémité de ce balai contre le collecteur. Au cours de leur vie, les balais décrits ci-dessus subissent un mouvement de rotation ou de coulissement, du fait de leur usure. Ce mouvement entraîne une variation de l'élongation linéaire ou angulaire du ressort qui s'applique sur le balai. Par conséquent, la force de rappel développée par le ressort sur le balai varie au cours de la vie de celui-ci. Le balai s'applique ainsi sur le collecteur avec une pression qui varie au cours du temps. Il existe un risque que cette pression devienne insuffisante pour assurer un contact électrique satisfaisant entre le balai et le collecteur, ce qui peut conduire à une défaillance électrique de la machine. L'invention a notamment pour but de remédier à cet inconvénient. L'invention a ainsi pour objet un dispositif à balai destiné à assurer une liaison électrique avec un collecteur dans une machine électrique tournante, le dispositif comportant: - au moins un balai présentant une surface de contact avec le collecteur, - au moins un ressort agencé pour exercer sur le balai une force tendant à appliquer la surface de contact contre le collecteur. Le dispositif selon l'invention est avantageusement agencé de manière à ce que le balai s'applique sur le collecteur avec une pression sensiblement constante, entre deux états d'usure successifs du balai, ce qui permet d'assurer un contact électrique satisfaisant entre le balai et le collecteur pendant la durée de vie du balai. L'invention permet ainsi d'éviter des risques de défaillance électrique de la machine. Une pression sensiblement constante signifie, dans le cadre de la présente invention, une pression qui varie peu, par exemple avec une amplitude inférieure à 20%, voire inférieure à 10% ou 5%. Les états d'usure successifs correspondent par exemple respectivement à un état neuf du balai et à un état en fin de vie du balai. Si on le souhaite, le point d'application de la force exercée par le ressort sur le balai se déplace par rapport au balai, entre les états d'usure successifs. Ainsi il se produit pendant la durée de vie du balai, de manière simultanée, d'une part, une augmentation du bras de levier associé à la force exercée par le ressort sur le balai (par déplacement du point d'application de la force) et, d'autre part, une diminution de l'intensité de cette force (par élongation du ressort). Dans un exemple de mise en oeuvre de l'invention, l'augmentation du bras de levier compense sensiblement la diminution de l'intensité de la force exercée par le ressort de sorte que le moment demeure sensiblement constant entre les deux états d'usure successifs du balai. La surface de contact du balai avec le collecteur peut ainsi présenter une superficie constante entre les deux états d'usure successifs du balai. En variante, le moment de la force ou le couple exercé par le ressort décroît entre les deux états d'usure successifs du balai. Pour compenser cette diminution du moment, et avoir une pression constante du balai sur le collecteur, la surface de contact du balai avec le collecteur présente avantageusement une superficie décroissante entre les deux états d'usure successifs du balai. Dans un exemple de mise en oeuvre de l'invention, le balai présente une 10 forme sensiblement en portion d'anneau, notamment sensiblement en demi-anneau. De préférence, le balai présente un contour défini entre deux cylindres de révolution concentriques. En variante, le balai présente une forme de disque tronqué. 15 Le balai est, si on le souhaite, monté de manière à pouvoir tourner autour d'un centre de rotation, et le centre du balai est excentré par rapport au centre de rotation de manière à ce que le bras de levier associé à la force exercée par le ressort varie, par exemple augmente, entre les deux états d'usure successifs du balai. 20 En variante, le bras de levier associé à la force exercée par le ressort reste sensiblement contant entre les deux états d'usure successifs, et la diminution du moment exercé par le ressort est compensée par une diminution de la superficie de la surface de contact entre le balai et le collecteur afin d'obtenir une pression sensiblement constante du balai contre le collecteur. 25 Dans un exemple de mise en oeuvre de l'invention, le dispositif comporte un support sur lequel le balai est engagé avec une possibilité de déplacement par rapport à ce support. De préférence, le support est agencé pour guider le balai lorsque celui-ci coulisse par rapport au support. 30 De manière avantageuse, le support peut comporter un logement pour le ressort. Ce logement peut comporter une portion de fixation, comprenant par exemple un orifice agencé pour fixer de manière rigide une extrémité du ressort. En variante, le ressort peut être porté par un support distinct du support du balai. De préférence, le ressort comporte des spires. Le cas échéant, le ressort peut être un ressort cylindrique à spires, ou en variante, un ressort spiral. Avantageusement, le balai comporte une cavité pour recevoir le ressort, ce qui peut permettre de réduire l'encombrement du dispositif à balai. Le ressort peut comporter au moins une portion d'appui s'appliquant sur le balai pour pousser celui-ci. Cette portion d'appui du ressort s'applique avantageusement sur une face arrière du balai opposée à sa surface de contact avec le collecteur. L'invention a également pour objet une machine électrique tournante, notamment pour véhicule automobile, comportant un dispositif tel que décrit plus haut. L'invention pourra être mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui va suivre, d'exemples de mise en oeuvre non limitatifs de l'invention, et à l'examen du dessin annexé, sur lequel: - la figure 1 représente, schématiquement et partiellement, une machine électrique tournante conforme à un exemple de réalisation de l'invention, - la figure 2 représente, schématiquement et partiellement, en perspective, différents éléments de la machine de la figure 1, dont un ensemble de dispositifs à balai, - les figures 3 à 5 représentent, schématiquement et partiellement, en perspective, de manière isolée, un dispositif à balai de la figure 2, dans trois états d'usure successifs du balai, et - les figures 6 et 7 représentent, schématiquement et partiellement, un dispositif à balai selon un autre exemple de mise en oeuvre de l'invention, dans deux états d'usure successifs du balai. On a représenté sur la figure 1 une machine électrique tournante formant un démarreur 1 de véhicule automobile. Ce démarreur 1 comprend, d'une part, un rotor 2, encore appelé induit, pouvant tourner autour d'un axe longitudinal X, et d'autre part, un stator 3, encore appelé inducteur, autour du rotor 2. Le stator 3 comporte une culasse 4 portant une pluralité d'aimants permanents 5. Le rotor 2 comporte un corps de rotor 7 disposé au droit des aimants 5 du stator 3, et un bobinage 8 enroulé dans des encoches du corps de rotor 7. En variante, le stator 3 peut comporter un bobinage à la place des aimants. Le bobinage 8 du rotor 2 comporte une pluralité de fils conducteurs formant, de part et d'autre du corps de rotor 7, un chignon avant 9 et un chignon arrière 10. Le rotor 2 est pourvu, à l'arrière, d'un collecteur 11 comprenant une pluralité de pièces de contact 12 connectées électriquement au bobinage 8. Un ensemble de dispositifs à balai 13 est prévu pour assurer une liaison électrique du bobinage 8 du rotor 2 via le collecteur 11. Dans l'exemple décrit, la machine 1 comprend quatre dispositifs à balai 13. Chaque dispositif à balai 13 comporte un balai 14 réalisé par exemple en carbone ou en graphite, venant frotter contre le collecteur 11 lorsque le rotor 2 est en rotation. Parmi les quatre balais 14, certains sont reliés électriquement à la masse du démarreur 1, et d'autres sont reliés à une borne d'alimentation électrique telle que la borne 15 d'un contacteur 17 décrit plus loin. Le démarreur 1 comporte en outre un ensemble lanceur 19 monté de manière coulissante sur un arbre d'entraînement 18 et pouvant être entraîné en rotation autour de l'axe X par le rotor 2. Un ensemble réducteur de vitesses 20 est interposé entre le rotor 2 et l'arbre d'entraînement 18, de manière connue en soi. En variante, l'arbre d'entraînement 18 peut être entraîné directement par le rotor 2, sans réducteur de vitesses. L'ensemble lanceur 19 comporte un élément d'entraînement formé par une poulie 21 et destiné à s'engager sur un organe d'entraînement du moteur à combustion, non représenté. Cet organe d'entraînement est par exemple une courroie. La poulie 21 peut être remplacée par un élément d'engrenage, notamment une couronne dentée, pour entraîner le moteur à combustion. L'ensemble lanceur 19 comprend en outre une roue libre 22 et une rondelle poulie 23 définissant entre elles une gorge 24 pour recevoir l'extrémité 25 d'une fourchette 27. Cette fourchette 27 est actionnée par le contacteur 17 pour déplacer l'ensemble lanceur 19 par rapport à l'arbre d'entraînement 18, suivant l'axe X, de manière connue en soi. Le contacteur 17 comprend, outre la borne 15 reliée au balai 14, une borne 29 reliée via un élément de liaison électrique, notamment un fil 30, à une alimentation électrique du véhicule, notamment une batterie, non représentée. Comme illustré sur la figure 2, le bobinage 8 est relié à l'arrière, à des lames collectrices 12 du collecteur 11 sur lesquelles viennent frotter les balais 14. On va maintenant décrire en référence aux figures 3 à 5, plus en détail, l'un des dispositifs à balai 13 représenté de manière isolée. Dans l'exemple décrit, chaque balai 14 présente une forme sensiblement en anneau tronqué, notamment en demi-anneau, présentant des faces 36 et 39 concentriques en portion de cylindre de révolution d'axe X. Ces faces 36 et 39 du balai 14 se raccordent à des faces sensiblement planes et parallèles supérieure 37 et inférieure 34. Les extrémités circonférentielles du balai 14 sont définies, à l'avant, par une surface de contact 35 venant en contact électrique avec le collecteur 11, et à l'arrière, par une face sensiblement plane 38. Chaque balai 14 est monté dans un support 48 de manière libre en coulissement et en étant guidé par ce support 48. Celui-ci comprend des parois latérales extérieure 51 et intérieure 52 en portion de cylindre et un fond plat 53 tous configurés pour épouser sensiblement la forme du balai 14 pour le guider. Le support 48 comprend également un rebord 54 opposé au fond 53 et agencé pour maintenir le balai sur ce support 48. Le fond 53 du support est fixé sur une plaque isolante 28. Le support 48 est ouvert à ses deux extrémités circonférentielles. Ainsi le balai 14 peut faire saillie en dehors du support 48 de manière à ce que sa surface de contact 35 puisse venir s'appliquer contre le collecteur 11. Le support 48 comporte en outre un logement 49 agencé pour recevoir un ressort 42 dont le rôle sera expliqué plus bas. Le ressort 42 est, dans l'exemple décrit, un ressort cylindrique à spires, avec une première branche d'extrémité 47 fixée de manière rigide dans un orifice 50 du logement 49 de manière à empêcher le ressort 42 de tourner au niveau de cette extrémité. Ce ressort 42 est pourvu, à une deuxième extrémité, d'une portion d'appui 44 s'appliquant sur la face arrière plane 38 du balai 14. La portion d'appui 44 comprend une branche 46 s'étendant sensiblement parallèlement à l'axe X et se raccordant aux spires 43 par une branche radiale 45. Le logement 49 comprend une paroi cylindrique 55 d'axe X recevant un certain nombre de spires 43 du ressort 42. Ce logement 49 se raccorde à la paroi 52 par une paroi transversale plane 56. Dans l'exemple considéré, le support 48 est réalisé d'un seul tenant, par exemple en matériau de type acier. Dans une variante non illustrée, le logement 49 du ressort 42 peut être réalisé séparément du support 48 du balai 14. En début de vie du balai 14, par exemple lorsque celui-ci est à l'état neuf et présente une usure sensiblement nulle, l'étendue angulaire de ce balai 14 est sensiblement égale à celle du support 48, comme illustré sur la figure 3. En cours de vie du balai 14, celui-ci s'use par frottement contre les lames conductrices 12 du collecteur 11. Autrement dit la surface de contact 35 du balai 14 est attaquée et la longueur curviligne de ce balai 14 diminue progressivement sous l'effet de l'usure. Le ressort 42 est agencé pour exercer sur le balai 14, via l'appui de la branche 46 sur la face arrière 38 du balai 14, une force F tendant à pousser le balai 14 dans le support 48 de manière à ce que la surface de contact 35 du balai 14 s'applique correctement sur les lames 12 du collecteur 11, quelque soit l'état d'usure du balai 14 au cours de sa vie, comme illustré sur les figures 4 et 5. Au fur et à mesure que le ressort 42 se détend pour accompagner le coulissement du balai 14 dans le support 48, la force de rappel élastique du ressort 42 (qui est proportionnelle à l'élongation angulaire) diminue progressivement. Afin de maintenir une pression constante d'appui de la surface de contact 35 du balai 14 sur le collecteur 11, le centre R du ressort spiral 42 est placé à distance du centre G du chemin en arc de cercle du balai 14 dans le support 48. Ainsi lorsque la face arrière 38 du balai se déplace dans le support 48, la branche 46 du ressort 42 glisse sur cette face 38 progressivement d'une position radialement intérieure vers une position radialement extérieure de sorte que le bras de levier d associé à la force F augmente, et passe de dl à d2 pour les états d'usure successifs illustrés sur les figures 4 et 5. Il s'ensuit que le moment subi par le balai 14, qui est le produit de l'intensité de la force F par le bras de levier d, est maintenu sensiblement constant lorsque le balai 14 coulisse dans le support 48. Par conséquent, compte tenu que la surface de contact 35 du balai 14 reste sensiblement constante en superficie pour différents états successifs d'usure du balai 14, la pression de contact entre cette surface 35 et le collecteur 11 demeure sensiblement constante au cours de la vie du balai 14. Ceci permet d'assurer un contact électrique satisfaisant entre le balai 14 et le collecteur 11. Dans l'exemple qui vient d'être décrit, le balai présente une forme d'anneau circulaire tronqué. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée à ce type de forme de balai. Par exemple, on a représenté, en référence aux figures 6 et 7, un balai 60 présentant une forme sensiblement de disque tronqué de centre 01. Ce balai 60 comporte une surface de contact 61 en appui contre le collecteur 11, cette surface 61 s'étendant depuis la circonférence extérieure du disque jusqu'à une certaine profondeur radiale sans atteindre le centre du disque. Un ressort 62 comprenant des spires 64 agencées en forme de spirale est prévu pour pousser le balai 60 en rotation dans le sens de la flèche S de manière à assurer un contact satisfaisant du balai 60 contre le collecteur 11. Dans l'exemple décrit, le ressort 62 est disposé dans une cavité 63 ménagé au sein du balai 60. Cette cavité 63 présente un contour circulaire 64 de centre 02. Ce centre 02 correspond, d'une part, au centre du ressort spiral 62 et, d'autre part, au centre de rotation du balai 60. Comme on peut le voir sur les figures 6 et 7, le centre 01 du disque de balai 60 et celui 02 de rotation de ce disque de balai 60 sont décalés l'un par rapport à l'autre, de manière à ce que la surface de contact 61 contre le collecteur 11 diminue en superficie au fur et à mesure que le balai 60 tourne autour du centre 02. Cette diminution de la surface de contact 61 combinée avec la diminution du couple exercé par le ressort 62 (du fait de la variation de son élongation angulaire) assure une pression sensiblement constante de contact entre le balai 62 et le collecteur 11. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux exemples de mise en oeuvre qui viennent d'être décrits. Il est notamment possible d'agir autrement sur les différents paramètres pour obtenir une pression de contact constante entre le balai et le collecteur. Par exemple, il est possible de faire varier simultanément, au cours de la vie du balai 14 illustré aux figures 3 à 5, le moment mécanique subi par le balai et la superficie de la surface de contact de manière équilibrée pour obtenir un contact satisfaisant. 10 Par ailleurs, la machine électrique tournante peut être un démarreur de véhicule automobile comme décrit plus haut, ou en variante, être un alternateur de véhicule automobile. Revendications 1. Dispositif à balai (13) destiné à assurer une liaison électrique avec un collecteur (11) dans une machine électrique tournante (1), le dispositif (13) comportant: - au moins un balai (14; 60) présentant une surface de contact (35; 61) avec le collecteur (11), - au moins un ressort (42; 62) agencé pour exercer sur le balai (14; 60) une force (F) tendant à appliquer la surface de contact (35; 61) contre le collecteur (11), le dispositif (13) étant agencé de manière à ce que le balai (14; 60) s'applique sur le collecteur (11) sensiblement avec une pression constante, entre deux états d'usure successifs du balai (14; 60). 2. Dispositif (13) selon la revendication précédente 1, caractérisé par le fait qu'il est agencé de manière à ce que le point d'application de la force (F) exercée par le ressort (42) sur le balai (14) se déplace par rapport au balai (14). 3. Dispositif (13) selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait qu'il est agencé de manière à ce que le moment de la force (F) exercée par le ressort (42) sur le balai (14) soit sensiblement constant entre les deux états d'usure successifs du balai (14). 4. Dispositif (13) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que la surface de contact (35) du balai (14) avec le collecteur (11) présente une superficie constante entre les deux états d'usure successifs du balai (14). 25 30 5. Dispositif (13) selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait que le moment de la force (F) ou le couple exercé par le ressort (62) sur le balai (60) décroît entre les deux états d'usure successifs du balai (60). 6. Dispositif (13) selon l'une quelconque des revendications 1, 2 et 5, caractérisé par le fait que la surface de contact (61) du balai (60) avec le collecteur (11) présente une superficie décroissante entre les deux états d'usure successifs du balai (60). 7. Dispositif (13) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que le balai (14) présente une forme sensiblement en portion d'anneau, notamment sensiblement en demi-anneau. 8. Dispositif (13) selon la revendication 7, caractérisé par le fait que le balai (14) présente un contour défini entre deux cylindres de révolution concentriques (36, 39). 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé par le fait que le balai (60) présente une forme sensiblement en disque tronqué. 10. Dispositif (13) selon l'une quelconque des revendication précédentes, caractérisé par le fait que le balai (60) est monté de manière à pouvoir tourner autour d'un centre de rotation (02) et par le fait que le centre (01) du balai (60) est excentré par rapport au centre de rotation (02). 11. Dispositif (13) selon l'une quelconque des revendication précédentes, caractérisé par le fait qu'il comporte un support (48) sur lequel le balai (14) est engagé avec une possibilité de déplacement par rapport à ce support (48). 12. Dispositif (13) selon la revendication 11, caractérisé par le fait que le support (48) comporte un logement (49) pour le ressort (42). 13. Dispositif (13) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que le ressort (42; 62) comporte des spires (43; 64), notamment de type cylindrique ou spiral. 14. Dispositif (13) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que le ressort (42) comporte au moins une portion d'appui (44) s'appliquant sur le balai (14). 15. Machine électrique tournante (1) pour véhicule automobile comportant un dispositif (13) selon l'une quelconque des revendications précédentes.