Brevet FR2980927A1 — publié le 20130405

Domaine de l'invention La présente invention se rapporte à une machine élec- trique rotative d'une installation de démarrage de moteur thermique comportant un rotor ayant un ensemble de segments conducteurs cons- tituant un collecteur et au moins un balai multicouche glissant pendant le fonctionnement de la machine rotative sur le collecteur, le balai ayant plusieurs couches l'une derrière l'autre dans le sens de rotation du commutateur et ayant des résistances différentes. L'invention se rapporte également à une installation de démarreur de moteur thermique de véhicule comportant une machine électrique rotative, la machine rotative ayant un rotor formé d'un ensemble de segments conducteurs constituant un collecteur et ayant au moins un balai multicouche glissant pendant le fonctionnement de la machine rotative sur le collecteur, ce balai multicouche présentant plu- sieurs couches les unes derrière les autres sur le commutateur selon le sens de rotation avec des valeurs de résistance différentes. Etat de la technique Les machines électriques rotatives telles que définies ci- dessus sont connues selon l'état de la technique. Elles font habituelle- ment partie de l'installation de démarreur d'un moteur thermique et servent à lancer le moteur. La machine rotative comporte un collecteur et des balais coopérant avec celui-ci. Les balais peuvent être des balais à plusieurs couches. Le collecteur se compose habituellement d'un ensemble de segments conducteurs associés au rotor de la machine. Le balai à plusieurs couches glisse sur le collecteur pendant le fonction- nement de la machine rotative. Le collecteur et les balais à plusieurs couches constituent ainsi en principe un onduleur pour appliquer un courant périodiquement inversé aux enroulements de l'induit du rotor. Un balai encore appelé balai en carbone, se compose de plusieurs couches les unes derrière les autres selon le sens de rotation du collec- teur, c'est-à-dire des couches branchées en parallèle du point de vue du passage du courant. Ces couches permettent de fournir du courant en parallèle aux segments conducteurs, les couches du balai n'étant pas nécessairement en contact électrique avec le même segment conduc- teur. La machine rotative constitue ainsi une machine électrique à courant continu. Le balai à plusieurs couches assure la fonction d'inversion du courant et de transmission du courant électrique à partir des bornes externes de la machine rotative aux segments conduc- teurs du collecteur. Les machines électriques rotatives des installations de démarreur utilisent souvent des balais à plusieurs couches notamment des balais à deux couches. L'une des couches a une conductivité élevée et l'autre, une conductivité faible. La couche de conductivité élevée est appelée couche de puissance ; la couche de conductivité faible est appelée couche de commutation. Pour améliorer la commutation au démarrage ou lancement du moteur thermique, lorsque la machine rotative fonctionne comme moteur, la couche de commutation est sur le côté arrière du balai à plusieurs couches selon le sens de rotation. Cela diminue les pertes électriques de la machine rotative pendant son fonc- tionnement comme moteur. Selon l'état de la technique tel que par exemple le document WO 2009/083433 A1, il est connu un balai multicouche formé par la combinaison d'un composant en graphite et d'un composant en cuivre avec une structure stratifiée ; la première couche a une forte te- neur en cuivre et l'autre couche a une teneur en cuivre relativement faible. Selon le document JP 2001-351758 A, on connaît un balai pour un moteur à courant continu miniature ; ce balai est un balai multicouche avec une couche de faible résistance électrique entre deux couches de forte résistance électrique. Exposé et avantages de l'invention La présente invention a pour objet une machine électrique rotative telle que définie ci-dessus caractérisée en ce que la couche qui, en vue frontale, se trouve en position avant selon le sens de rotation a une résistance électrique spécifique plus élevée que celle des couches installées au dos dans le sens de rotation. Cette machine électrique rotative a l'avantage de réduire l'élévation de température des balais multicouche, notamment pendant la fin de mouvement de la machine rotative, ce qui augmente leur durée de vie. L'expression « fin de mouvement » désigne ici l'état d'une machine électrique rotative dans lequel le rotor de la machine continue de tourner sous l'effet de son inertie après la coupure du courant principal et notamment après le lancement et le démarrage du moteur thermique ; le rotor est alors freiné par les couples de freinage élec- trique et mécanique. Contrairement aux machines rotatives connues selon l'état de la technique, la couche de commutation qui a la résistance électrique spécifique la plus grande ou encore la conductivité la plus faible est située sur le côté avant du balai multicouche selon le sens de rotation. En revanche, la couche située au dos du balai multicouche, selon le sens de rotation, et qui est par exemple la couche de puissance aura la résistance électrique spécifique la plus petite, c'est-à-dire la plus grande conductivité. Les pertes électriques dans les balais de la machine rota- tive pendant la fin de mouvement, sont générées par les courants circulant dans la machine rotative à travers les enroulements du rotor et ainsi par les contacts entre les balais et les segments conducteurs du collecteur. La principale partie des pertes électriques est générée dans ce contact. La fonction du courant passant entre les balais et les seg- ments conducteurs qui dépend du temps, c'est-à-dire de la position du rotor, détermine la puissance perdue et influence la durée de vie des balais. La couche de faible conductivité, c'est-à-dire celle dont la résistance électrique spécifique est la plus grande sur le côté avant du balai multicouche selon le sens de rotation (encore appelé bord d'attaque) permet d'arriver à une courbe de courant avantageuse pendant la fin du mouvement de la machine rotative, ce qui réduit la puissance électrique perdue et augmente la durée de vie des balais. Une machine rotative ainsi réalisée présente de faibles pertes, notamment lorsqu'elle fonctionne comme générateur, alors que, fonctionnant comme moteur, les pertes sont supérieures à celles des modes de réalisation connus. Néanmoins, la machine rotative selon l'invention est utilisée pour démarrer le moteur thermique lorsqu'elle fonctionne comme moteur. Comme le fonctionnement comme moteur est bref (il ne se poursuit que jusqu'au lancement réussi du moteur thermique), alors que la fin du mouvement lorsque la machine fonctionne comme générateur, est significativement plus longue que celle du fonctionnement comme moteur, les pertes produites globalement auront un effet plus important sur la durée de vie de la machine rotative que les pertes produites pendant le fonctionnement comme moteur. Cela permet d'améliorer considérablement la durée de vie des balais, c'est-à-dire des balais multicouches dans la machine rotative selon l'invention. Selon un développement de l'invention, le balai comporte seulement deux couches. Mais il est évident que le balai multicouche peut avoir un nombre quelconque de couches sachant que la couche située sur le côté avant selon le sens de rotation doit avoir une résistance électrique spécifique plus grande que la couche située sur le côté arrière selon le sens de rotation si bien qu'il est avantageux de n'avoir que deux couches. Cela se traduit par une fabrication simple et écono- mique du balai multicouche permettant d'obtenir les avantages de l'invention. Augmenter le nombre de couches n'est pas indispensable ; cela augmente seulement les moyens mis en oeuvre pour la fabrication ce qui est notamment le cas si la machine rotative tourne seulement dans un sens. Selon un développement, la machine comporte plusieurs balais multicouches qui se font chaque fois face par paires par rapport au collecteur. Un nombre important de balais multicouches permet d'augmenter l'intensité du courant électrique alimentant le rotor sans avoir à augmenter la taille des balais multicouches. Pour un fonction- nement avantageux, chaque fois deux balais multicouches sont diamé- tralement opposés. Les deux balais multicouches face à face sont polarisés en sens opposé, par exemple l'un des balais est relié au pôle plus et l'autre, au pôle moins. Selon un développement, la couche située du côté avant selon le sens de rotation a une extension moindre que la couche située sur le côté arrière, selon le sens de rotation. La couche ayant la résistance électrique spécifique la plus faible doit venir en contact de préférence sur une plus grande surface des segments conducteurs pour transmettre une puissance suffisamment importante. La couche ayant la résistance électrique spécifique la plus grande sert en revanche es- sentiellement à réduire les pertes et cela, toutefois selon l'importance réduite du passage de courant. Pour cette raison, elle pourra avoir une extension significativement plus faible selon le sens de rotation. Par exemple, l'extension de la couche arrière selon le sens de rotation cor- respond à un multiple, notamment un multiple entier à celle de la couche située sur le côté avant selon le sens de rotation. Selon un développement de l'invention, un intervalle sub- siste entre chaque fois deux segments conducteurs et l'extension de cet intervalle dans le sens de rotation est inférieure à l'extension d'un seg- ment conducteur. Les intervalles entre les segments servent à l'isolation électrique des segments. Les intervalles entre les segments sont prévus pour séparer chaque fois deux segments conducteurs dans le sens de rotation du commutateur. Entre deux segments conducteurs directement voisins, il y aura ainsi chaque fois un intervalle de segment. Mais l'extension de l'intervalle de segment dans le sens de rotation doit être (significativement) plus petite que celle des segments. Selon un développement de l'invention, la couche arrière selon le sens de rotation a une extension supérieure à celle d'un segment conducteur et/ou inférieure à l'extension commune du segment conducteur et d'un intervalle adjacent. La couche de résistance élec- trique spécifique faible doit ainsi s'étendre selon le sens de rotation pour une disposition appropriée, au-delà d'un segment conducteur ; ainsi, elle doit être plus grande que ce segment conducteur. En plus ou en variante, son extension est néanmoins plus petite que l'extension globale composée de celle du segment conducteur et d'au moins un in- tervalle adjacent. Dans le cas d'une disposition centrée de la couche et du segment conducteur, la couche dépasse certes du segment conducteur mais elle ne touche pas le segment conducteur voisin tout en dépassant sur l'intervalle. Selon un développement de l'invention, le balai multi- couche est interchangeable. Les balais de la machine rotative sont des composants soumis à une forte usure pendant le fonctionnement. Pour cette raison, il arrive que les balais soient usés alors que les autres composants de la machine rotative fonctionnent encore. C'est pourquoi il est prévu de changer les balais multicouches et d'augmenter de cette manière la durée de vie de la machine rotative. On peut également prévoir de remplacer les balais multicouches de machines rotatives existantes par d'autres balais ou des balais multicouches selon l'invention. Selon un développement de l'invention, le sens de rota- tion est celui du lancement du moteur thermique. La machine rotative fait partie de l'installation de démarreur pour lancer (démarrer) le moteur thermique. Pour démarrer le moteur thermique, on utilise la machine rotative en faisant tourner le rotor dont le sens de rotation est ainsi fixé pour permettre de démarrer le moteur thermique. Le sens de rotation est ainsi le sens de rotation préférentiel de la machine rotative. En particulier, la machine rotative peut être conçue pour tourner uniquement dans ce sens de sorte que la machine ne peut tourner dans le sens de rotation opposé. L'invention a également pour objet une installation de démarreur de moteur thermique de véhicule équipée d'une machine électrique rotative telle que définie ci-dessus, cette machine rotative ayant un rotor avec un collecteur formé d'un ensemble de segments conducteurs et d'au moins un balai multicouche glissant sur le collecteur pendant le fonctionnement de la machine rotative, ce balai ayant plusieurs couches les unes derrière les autres selon le sens de rotation du collecteur et ces couches ayant des résistances différentes, la couche du côté avant selon le sens de rotation ayant une résistance électrique spécifique plus grande que la couche arrière selon le sens de rotation. L'installation de démarreur comporte ainsi une machine électrique rota- tive, notamment telle que celle décrite ci-dessus. L'invention a également pour objet un véhicule, notamment un véhicule automobile équipé d'une installation de démarreur, et d'un système marche-arrêt. Le système marche-arrêt coupe le moteur thermique lorsque le véhicule ne demande pas de puissance d'entraînement, par exemple lorsque le véhicule est à l'arrêt et que l'embrayage reliant le moteur thermique et la ligne de transmission du véhicule est débrayé. Si le moteur thermique doit fournir un couple d'entraînement, il faut de nouveau démarrer très rapidement le moteur thermique. Cela signifie toutefois que le système marche-arrêt demande à l'installation de démarreur, de lancer relativement fréquemment le moteur thermique, c'est-à-dire que la machine rotative doit fonctionner fréquemment. En particulier, dans ce cas, la réduction des pertes évoquées ci-dessus pendant la fin du mouvement de la machine rotative et l'allongement de la durée de vie des balais sont les avantages qui en ré- sultent. L'utilisation de balais multicouches comme ceux décrits ci- dessus est de préférence prévue pour un véhicule fonctionnant avec un système marche-arrêt. Dessins La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide d'un exemple de machine rotative électrique, re- présenté dans les dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est une vue schématique d'une machine rotative élec- trique, et la figure 2 montre une autre représentation schématique en déve- rs loppée de la machine rotative. Description de modes de réalisation de l'invention La figure 1 est une représentation schématique d'une machine électrique rotative 1 montrant notamment les enroulements de bobinage 2 du rotor non représenté plus particulièrement de la machine 20 rotative 1. Les enroulements 2 sont reliés à des segments conducteurs 3 (dont seulement quelques uns sont présentés à titre d'exemple) d'un collecteur 4. Les segments conducteurs 3 sont écartés les uns des autres par des intervalles 3'. Les segments conducteurs 3 permettent de relier électriquement les balais 5 de la machine rotative 1 en fonction de 25 la position de rotation du rotor et ainsi de celle des segments conduc- teurs 3. Le sens de rotation du rotor et ainsi le sens de mouvement des segments conducteurs 3 sont indiqués par la flèche 6. Il apparaît que deux balais 5 sont reliés au pôle plus et deux des balais 5 sont reliés au pôle moins d'une alimentation en tension non représentée de la ma- 30 chine rotative 1. En fonction de la polarité des segments de conducteurs 3 correspondants, on génère un champ électromagnétique dans les enroulements 2 qui fait tourner le rotor. Les balais 5 présentés sont des balais multicouches, ce qui signifie que ces balais sont composés de plusieurs couches. Dans 35 l'exemple présenté, il s'agit de deux couches 7 et 8. Les couches 7 sont celles qui, selon le sens de rotation (flèche 6), se trouvent sur le côté avant des arêtes d'attaque des balais 5 et qui seront parcourues tout d'abord par les segments conducteurs 3 lorsque le rotor tourne. Les couches 8 sont installés en revanche sur le côté arrière selon le sens de rotation, sur les arêtes de sortie et sont touchées en dernier lieu par les segments conducteurs 3 mais constituent néanmoins également la couche qui est en contact électrique en dernier lieu avec le segment conducteur 3 jusqu'à la séparation complète des balais 5. Les couches 7 et 8 sont l'une derrière l'autre selon le sens de rotation du collecteur 4 et ainsi elles seront reliées électriquement en parallèle l'une après l'autre entre le balai 5 respectif et au moins l'un des segments conducteurs 3. Les couches 7 et 8 sont ainsi branchées électriquement en parallèle. Il est prévu dans ces conditions que la couche 7, côté avant selon le sens de rotation, aura une résistance élec- trique spécifique plus grande que la couche 8 installée sur le côté ar- rière selon le sens de rotation. Cela signifie que la couche 7 a une plus faible conductivité que la couche 8 de sorte que la couche 7 sera appelée couche de commutation et la couche 8, couche de puissance car la première couche sert à améliorer la commutation et la seconde couche transmet la plus grande partie de la puissance électrique. La figure 2 montre une autre vue schématique de la machine rotative 1 et plus précisément une section de celle-ci. La figure montre des segments conducteurs 3 et les intervalles 3' entre les segments (seuls quelques uns des intervalles ont été munis de références à titre d'exemple) ; ces intervalles se trouvent sur le rotor de la machine rotative et font partie du commutateur 4. Le sens de rotation du rotor est indiqué par la flèche 6 ; l'axe de rotation porte la référence 9. Dans le présent exemple de réalisation, on a six balais 5 et chaque fois deux des balais 5 sont installés dans des positions diamétralement opposées. La polarité des balais 5 est indiquée. Les balais 5 sont composés chaque fois des couches 7 et 8 comme cela a été évoqué ci-dessus. Les couches sont en liaison électrique avec les segments conducteurs 3 suivant la position de rotation du rotor pour fournir le courant électrique au rotor, c'est-à-dire aux enroulements de l'induit du rotor. Il apparaît que la couche 7 correspond à l'arête d'attaque du balai respectif 5 alors que la couche 8 se trouve au niveau de l'arête de sortie. Cela signifie que la couche 7 avec la résistance électrique spécifique la plus grande se trouve en amont dans le sens de rotation et la couche 8 de résistance électrique spécifique plus petite se trouve tout à fait à l'arrière du balai 5. Pendant son démarrage, la machine rotative 1 est en mode générateur. Du fait du mouvement des enroulements d'induit du rotor dans le champ d'excitation généré par les aimants permanents du stator de la machine rotative 1, des courants électriques sont induits dans les enroulements 2. Ces courants se traduisent par un couple au niveau du rotor de la machine rotative 1. De plus, les courants induits, à cause des pertes ohmiques au passage entre le balai 5 et le segment conducteur 3, se traduisent par une élévation de la température des balais 5 et des segments conducteurs 3 ou du collecteur 4. L'installation de la couche 7 au niveau de l'arête d'attaque permet de réduire la puissance électrique perdue au passage des balais 5 et des segments conducteurs 3 pendant la fin du mouvement du rotor 1 par comparaison aux machines rotatives 1 connues selon l'état de la tech- nique et dans lesquelles la couche 7 se trouve au niveau de l'arête de sortie. La puissance perdue ainsi réduite permet notamment d'influencer l'évolution chronologique de la montée en température des balais 5. La disposition de la couche 7 sur l'arête d'attaque évite pendant le démarrage de la machine rotative, une très grande perte de puissance, locale, élevée, au niveau de l'arête d'attaque. On augmente ainsi la durée de vie des balais 5. Cette disposition de la couche 7 par rapport à la couche 8 est notamment intéressante dans le cas d'un véhicule équipé d'une installation de démarrage à machine rotative 1 et qui, en plus, utilise un système marche-arrêt. Le moteur thermique doit alors démarrer relati- vement fréquemment de sorte que la fraction de temps de démarrage, c'est-à-dire en mode générateur, est particulièrement élevée par comparaison à celle du mode de fonctionnement en moteur (avec le moteur thermique). Dans la machine rotative 1 selon l'invention l'énergie per- due est plus élevée que dans les modes de réalisation connus selon l'état de la technique pendant le mode de fonctionnement moteur, c'est-à-dire pendant le démarrage du moteur thermique et à l'arrêt. Ce comportement change toutefois au début du démarrage de la machine rotative 1, c'est-à-dire le mode en générateur. Globalement, la disposition de la couche 7 sur l'arête d'attaque du balai 5 permet d'avoir une perte d'énergie plus faible que dans les autres modes de réalisation.10 NOMENCLATURE 1 Machine électrique rotative 2 Enroulement 3 Segments conducteurs 3' Intervalle entre les segments 4 Collecteur 5 Balai 6 Flèche 7 Couche 8 Couche15 REVENDICATIONS1°) Machine électrique rotative (1) d'une installation de démarrage de moteur thermique comportant un rotor ayant un ensemble de segments conducteurs (3) constituant un collecteur (4) et au moins un balai mul- ticouche (5) glissant pendant le fonctionnement de la machine rotative (1) sur le collecteur (4), le balai ayant plusieurs couches (7, 8) l'une derrière l'autre dans le sens de rotation du collecteur (4) et ayant des résistances différentes, machine caractérisée en ce que la couche (7) qui, en vue frontale, se trouve en position avant selon le sens de rotation (6) a une résistance électrique spécifique plus élevée que les couches (8) installées au dos dans le sens de rotation (6). 2°) Machine électrique rotative selon la revendication 1, caractérisée en ce qu' il est prévu uniquement deux couches (7, 8). 3°) Machine électrique rotative selon la revendication 1, caractérisée par plusieurs balais multicouche (5) qui se font respectivement face les uns aux autres par rapport au collecteur (4). 4°) Machine électrique rotative selon la revendication 1, caractérisée en ce que les couches (7) installées du côté avant dans le sens de rotation (6) ont une extension inférieure à celle des autres couches (8) installées du côté arrière selon le sens de rotation (6). 5°) Machine électrique rotative selon la revendication 1, caractérisée par un intervalle (3') entre chaque fois deux segments conducteurs (3), l'extension de l'intervalle de segment (3') dans le sens de rotation étant inférieure à l'extension du segment conducteur.356°) Machine électrique rotative selon la revendication 1, caractérisée en ce que la couche (8) située au coté arrière selon le sens de rotation (6) a une extension supérieure à celle des segments conducteurs (3) et/ou infé- rieure à une extension commune au segment conducteur (3) et à au moins un intervalle adjacent (3') entre les segments. 7°) Machine électrique rotative selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le balai multicouche (5) est interchangeable. 8°) Machine électrique rotative selon la revendication 1, caractérisée en ce que le sens de rotation (6) correspond au sens de rotation par le démarrage du moteur thermique. 9°) Installation de démarreur de moteur thermique de véhicule comportant une machine électrique rotative (1), notamment selon l'une ou plu- sieurs des revendications précédentes 1 à 8, la machine rotative (1) ayant un rotor formé d'un ensemble de segments conducteurs (3) constituant un collecteur (4) et ayant au moins un balai multicouche (5) glissant sur le collecteur pendant le fonctionnement de la machine rotative (1), ce balai multicouche présentant plusieurs couches (7, 8) les unes derrière les autres sur le collecteur (4) selon le sens de rotation (6), avec des valeurs de résistance différentes, caractérisée en ce que une couche (7) installée sur le côté avant selon le sens de rotation a une résistance électrique spécifique plus grande que celle d'une couche (8) installée de préférence sur le côté arrière du sens de rotation (6). 10°) Véhicule équipé d'une installation de démarrage selon la revendication 9, caractérisé en ce que le véhicule fonctionne en mode marche-arrêt.