Brevet FR2984629A1 — publié le 20130621

Domaine de l'invention La présente invention se rapporte à une machine élec- trique, notamment un moteur de démarreur de véhicule automobile comportant au moins un balai en carbone pour réaliser un contact élec- trique glissant avec un collecteur. Etat de la technique Pour démarrer les moteurs thermiques de véhicules au- tomobiles, on utilise principalement des moteurs à courant continu à commutation mécanique. Le courant fourni arrive à l'enroulement de l'induit en passant par une ou plusieurs paires de balais et un collec- teur. Les balais sont en général réalisés en un matériau fritté comportant du cuivre et du graphite. Ces balais sont usuellement appelés balais en carbone. Pendant le fonctionnement, les balais en carbone et le commutateur subissent de l'usure. Les moteurs de démarreur sont conçus en principe pour un fonctionnement bref et pour 30.000 à 60.000 cycles de commutation. Si le moteur de démarreur doit tenir des charges plus élevées ou des durées de fonctionnement plus longues (par exemple comme cela est nécessaire pour un mode de fonctionnement dit marche-arrêt) il s'est avéré qu'il faut utiliser un nombre aussi élevé que possible de paires de balais de carbone pour arriver à la durée de vie maximale possible. Ainsi, par exemple dans le cas de moteurs de démarreur utilisés en mode marche-arrêt, pour une machine électrique à 6 pôles, on utilisera six balais en carbone au lieu de quatre balais. Dans les domaines d'utilisation en mode marche-arrêt, les nombres de commutations re- quis se situent à plus de 250.000 cycles. But de l'invention La présente invention a ainsi pour but de développer une machine électrique dont l'entretien technique soit perfectionné et plus simple. Exposé et avantages de l'invention A cet effet, la présente invention a pour objet une ma- chine électrique, notamment un moteur de démarreur de véhicule automobile comportant au moins un balai en carbone pour réaliser un contact électrique glissant avec un collecteur, cette machine étant caractérisée par un capteur de course pour détecter l'usure du balai en carbone. Il en résulte l'avantage de pouvoir déterminer l'usure et l'aptitude au fonctionnement de la machine électrique sans avoir à soumettre la machine électrique à une inspection manuelle. De plus, la machine électrique selon l'invention améliore la fiabilité du véhicule car elle permet de déterminer quand l'usure des balais en carbone dépasse le seuil critique. Dans ce cas, on pourra remplacer suffisamment à temps les balais pour éviter toute panne bloquant le véhicule. Selon un développement avantageux, un capteur de course détecte le déplacement des balais en carbone. Il en résulte par exemple l'avantage technique de pouvoir détecter le déplacement avec des moyens techniques particulièrement réduits, en particulier de pouvoir mesurer précisément et de simplifier la structure de la machine électrique. Selon un autre développement avantageux, le capteur de course comporte une tige de mesure ou palpeur qui est en contact avec le balai en carbone, ce qui a l'avantage technique de transmettre mécaniquement la position du balai en carbone à un autre endroit lui per- mettant effectuer la mesure. Selon un développement avantageux, la tige de mesure est en une matière plastique renforcée par des fibres en carbone, ce qui a l'avantage de rendre la tige de mesure ou palpeur particulièrement insensible aux contraintes thermiques. Selon un autre développement de l'invention, la tige de mesure a une enveloppe métallique ce qui a l'avantage de pouvoir détecter la position de la tige de mesure de manière électrique par le couplage de l'enveloppe ou de la gaine métallique. Selon un autre développement avantageux, le capteur de course a une bobine primaire et au moins une première bobine secon- daire si bien que des moyens techniques simples permettent de réaliser un capteur de course électronique pour déterminer la position de l'enveloppe ou de la gaine métallique. Selon un autre développement avantageux, le capteur de course comporte un oscillateur transformant la tension continue en une tension alternative si bien que le capteur de course pourra utiliser pour son fonctionnement la tension continue du réseau embarqué. Selon un autre développement avantageux, l'oscillateur est relié électriquement à la bobine primaire de sorte que cette bobine sera alimentée par un courant alternatif pour détecter la position de la tige de mesure de façon à augmenter la précision de la mesure. Selon un autre développement avantageux, le capteur de course comporte un démodulateur filtrant la tension de sortie de manière à éviter les parasites ou les bruits dans la ligne de transmission des signaux. Selon un autre développement avantageux, le capteur de course a une seconde bobine secondaire si bien que l'on pourra utiliser les tensions induites dans cette seconde bobine secondaire pour les démoduler, les filtrer et les appliquer l'une par rapport à l'autre. La po- sition de la tige est alors choisie pour qu'en position de sortie, on arrive à une tension de sortie de OV. Selon un autre développement avantageux, le démodula- teur est relié électriquement à la première et à la seconde bobine secondaire, ce qui permet d'éliminer les bruits de tension induits dans les bobines. Selon un autre développement avantageux, le démodulateur comporte un comparateur comparant la tension induite dans la première bobine secondaire à celle induite dans la seconde bobine secondaire si bien que l'on pourra déterminer de façon précise la position par rapport à un point de référence entre les bobines. Selon un autre développement avantageux, la machine électrique comporte un boîtier de moteur avec un orifice traversant ou passage permettant le passage de la tige de mesure ce qui permet de mesurer la position du ou des balais en carbone à partir de l'extérieur du boîtier. Selon un autre développement avantageux, le boîtier du moteur a au moins un taraudage pour fixer le capteur de course qui pourra ainsi être bloqué au boîtier par des vis. Selon un autre développement avantageux, le boîtier du moteur comporte une cavité recevant le capteur de course qui aura ainsi un bon contact avec le boîtier. Selon un autre développement avantageux, la machine électrique comporte un boîtier de moteur avec un orifice traversant pour le passage de la tige de mesure qui se trouvera directement au-dessus d'un ou plusieurs balais en carbone si bien que le moteur se trouvera protégé à l'intérieur du boîtier tout en permettant de mesurer l'usure des balais en carbone à partir de l'extérieur du boîtier. Dessins La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide d'exemples de réalisation d'une machine électrique, notamment d'un moteur de démarreur de véhicule automobile selon l'invention, représentés dans les dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est une coupe longitudinale d'une machine électrique équipée d'un capteur de course pour détecter l'usure du ou des balais en carbone, - la figure 2 est un schéma du capteur de course, - la figure 3 est une vue d'un mode de réalisation du boîtier de mo- teur, - la figure 4 est une vue d'un autre mode de réalisation du boîtier de moteur, - la figure 5 est une vue schématique de la machine électrique, et - la figure 6 est une section schématique de la machine électrique équipée du capteur de course. Description de modes de réalisation de l'invention L'invention porte de manière caractéristique sur des ma- chines électriques utilisées comme moteurs de démarreur en particulier pour le mode marche-arrêt avec une "succession de cycles 8/ 1", pour une confirmation dans une course de test de moteur. Cela signifie que les machines électriques fonctionneront avec 8 démarrages brefs (mode de fonctionnement marche-arrêt) et 1 démarrage long. Dans le cas d'un démarrage bref, les temps de commande se situent entre 0,2 s et 0,5 s. Le démarrage long se situe dans une plage de 1 s. A cela s'ajoutent les phases de dépassement qui sont différentes selon le comportement au démarrage du moteur et pour lesquelles la couronne dentée du moteur thermique dépasse le pignon de démarreur et la couronne dentée tourne plus rapidement que le pignon de démarreur. Cette succession de cycles composés de démarrages longs et de démarrages brefs, existe également pour un véhicule de série, par exemple lorsque le véhicule effectue un démarrage à froid ou un démarrage à chaud. D'autres contraintes sont par exemple liées à la température du moteur thermique, l'humidité de l'air, les fortes oscillations et vibrations du moteur et autres saletés ou impuretés. Les grandeurs d'influence développées ci-dessus, se tra- duisent par un comportement linéaire d'usure des balais en carbone de la machine électrique. Actuellement, en mode d'essai, il est usuel de saisir l'usure du balai en carbone, manuellement à l'aide d'un coulisseau et d'un dispositif mécanique auxiliaire de saisie. Pour saisir l'usure des balais en carbone et l'enregistrer sous la forme d'un diagramme d'usure (selon l'axe X, on a le nombre de commutations et selon l'axe Y, on a l'usure des balais en carbone), il faut arrêter les moteurs continus et les soumettre à une phase de refroidissement de une à deux heures car les passages permanents en mode marche-arrêt se font à des tem- pératures comprises entre 60°C et 90°C. Selon la position d'installation du démarreur, dans de nombreux cas, il faut démonter complètement le démarreur du moteur pour permettre d'effecteur une mesure de l'usure des balais en carbone. Cela signifie que les temps d'arrêt font perdre des nombres de commutations pour des essais d'acceptation critiques dans le temps et une force de travail supplémentaire n'est pas néces- saire pour effectuer une telle mesure d'activité. Le coût du collaborateur effectuant les essais et celui du temps d'arrêt se répercutent au niveau du poste d'essais internes des moteurs. Cette procédure, c'est-à-dire le démontage du démarreur et la mesure manuelle de l'usure du ou des balais en carbone, sont égale- ment nécessaires pour des véhicules de série si l'on veut obtenir une information concernant l'usure des balais en carbone d'une machine électrique installée en série, pour un nombre de commutations X. En général, il faut pour cela mettre le véhicule dans un atelier spécialisé dans lequel on démonte la machine électrique du véhicule car ce n'est qu'après le démontage que l'on peut mesurer l'usure du balai en carbone. Toutefois, les garages ou ateliers doivent démonter le démarreur puisque les perçages de mesure, nécessaires, n'existent pas sur un démarreur de série et qu'il faut des équipements de mesure supplémen- taires. L'invention décrit un principe de mesure automatique pour saisir ou détecter l'usure des balais en carbone. Selon ce principe, il n'y a pas de temps d'arrêt qui serait par exemple occasionné par le montage ou le démontage du démarreur pour mesurer l'usure des ba- lais en carbone. En outre, on pourra toujours traiter les valeurs d'usure des balais en carbone de manière précise selon le nombre de commutations par un programme qui traite les signaux des dispositifs de mesure, les représente et en assure la lecture. La mesure automatique de l'usure permet de rendre minimales les erreurs de mesure. La figure 1 est une coupe longitudinale d'une machine électrique 101. Cette machine électrique 101 est un moteur de démarreur entraînant un moteur thermique d'un véhicule. La machine électrique 101 comporte un boîtier de moteur 109 équipé d'un capteur de course 103 avec une broche de mesure 105. Le boîtier de moteur 109 reçoit un axe de rotation 111 portant l'enrou- lement de rotor 113. L'enroulement de rotor 113 est relié à l'extérieur par le collecteur avec des bagues de glissement et des balais en carbone 107. Les balais en carbone 107 encore appelés simplement ba- lais ou balais glissants ou charbons de moteur, réalisent un contact glissant dans la machine électrique 101 avec les lamelles de la partie rotative (collecteur) de la machine électrique ; il s'agit par exemple d'un rotor. Les balais en carbone sont généralement en graphite. Selon l'application, les balais en carbone peuvent être enrichis d'un composant métallique, tel que par exemple le cuivre, l'argent, le molybdène ou être totalement réalisés avec ce métal. Le balai en carbone 107 coulisse dans un boîtier par l'in- termédiaire d'une garniture de balai 121 poussée par un ressort de compression en direction du point de contact électrique. Le frottement entre le rotor et le balai en carbone 107 produit un enlèvement de ma- tière du balai en carbone 107. Dans ce cas, le balai en carbone 107 est asservi par le ressort applicateur pour garantir toujours le contact électrique avec le rotor. L'usure à mesurer d'un balai en carbone 107 pour les machines électriques utilisées comme moteurs de démarreur, se si- tue de manière caractéristique dans une plage allant de 0 mm à 13,0 mm. Le capteur de course 103 détecte l'usure des balais en carbone. Pour cela, on détermine par exemple le déplacement (coulissement) du balai en carbone 107 du fait de son usure, dans le boîtier 109. Pour cela, on utilise par exemple un capteur de course qui mesure le déplacement du balai en carbone 107 pendant le fonctionnement de la machine électrique 101. Un tel capteur de course est par exemple un capteur de course à courant continu/courant continu encore appelé capteur DC/DC. Le capteur de course DC/DC reçoit comme tension d'entrée une tension continue transformée en une tension continue de sortie dont l'amplitude correspond au déplacement mesuré. Pour cela, le capteur de course DC/DC est réalisé pour s'adapter aux applications en série sur un véhicule. L'avantage d'un capteur de course est que le degré d'usure des balais en carbone 107 est disponible directement en sortie de l'électronique d'exploitation équipant déjà la plupart des véhicules pour pouvoir être mémorisé, par exemple dans un appareil de commande ou dans une mémoire de défauts. Comme la lecture de la mémoire de défauts du véhicule est faite à chaque intervention d'entretien en atelier, et cela de manière standardisée, on pourra ainsi extraire les degrés d'usure de la mémoire et dans une seconde étape, en ligne, on pourra s'adresser au constructeur du véhicule ou au fabricant du moteur. De plus les degrés ou va- leurs d'usure pourront être couplés à un compteur de démarrage qui enregistre le nombre de démarrages du moteur. Ainsi, à chaque point de mesure d'usure, on pourra associer le nombre de démarrages. Le fabricant peut ainsi recueillir des informations pré- cieuses concernant les systèmes marche-arrêt installés en série. On peut également envisager de ne pas équiper chaque véhicule d'une série avec un tel système de mesure, mais seulement un nombre limité de véhicules pour recueillir une information statistique de la mesure d'usure, "sur le terrain". La figure 2 est un schéma du capteur de course 117 des- tiné spécialement à une machine électrique 101 pour mesurer l'usure des balais en carbone. Le capteur de course 117 comporte un transformateur différentiel avec une tige de mesure 119 coulissante, un oscillateur 125 et un démodulateur 127. L'oscillateur 125 transforme la tension continue du réseau embarqué, appliquée à son entrée en une tension alternative qu'il applique à un bobinage primaire 129. Le démo- dulateur 127 est équipé de deux bobines secondaires 131, 133 couplées à la bobine primaire 129 par un couplage électromagnétique. Le démodulateur 127 permet de filtrer la tension de sortie et de comparer les tensions induites dans la première et dans la seconde bobine secon- daire. Si la tige de mesure 119 se déplace à l'intérieur du capteur de course 117, suivant la position de la tige de mesure 119, le couplage inductif changera entre la bobine primaire 129 et les bobines secondaires 131 et 133. Le démodulateur 127 fournit alors une tension de sortie liée par une fonction linéaire à l'usure du balai en carbone 107. La tige de mesure ou palpeur 119 du capteur de course 117 peut être réalisée en une matière renforcée par des fibres de carbone (matière encore appelée CFK) ; la tige de mesure peut être collée dans le logement 123 d'un balai en carbone 107. La matière CFK est très appropriée à cause de son faible coefficient de dilatation thermique qui est de l'ordre de 0,2x10-6mm/K et à cause de sa légèreté. La tige de mesure 119 du capteur de course 117 sort d'un perçage du boîtier de moteur ou boîtier polaire 109 à partir de la garniture 121 du balai en carbone ; la tige sort du boîtier de moteur 109 et son extrémité comporte une enveloppe métallique à l'intérieur du capteur de course 117. Selon un autre mode de réalisation, les capteurs dont le coeur ou la tige de mesure 119 n'est pas en contact en permanence avec le balai en carbone 107 pourront être réalisés en d'autres matières telles que par exemple une tige métallique. Selon un développement sans contact permanent avec le balai en carbone 107, la tige de mesure 119 pourra être enfoncée automatiquement pendant l'arrêt de la machine électrique 101 pour arriver sur le balai en carbone 107. Cela peut se faire par une commutation de l'électronique ou avec un dispositif auxiliaire supplémentaire. Suivant le positionnement, le capteur de course 117 sera alimenté pour une mesure de sorte que le côté secondaire fournira la tension de sortie. Avant le démarrage de la machine électrique, on extrait la tige de mesure 119 à l'aide du dispositif auxiliaire et on commute la commutation. En me- surant l'usure du balai en carbone 107 à des intervalles déterminés, on aura par exemple l'avantage de diminuer la quantité recueillie de données et ainsi on diminuera l'énergie consommée pour la surveillance de l'usure. A titre d'exemple, la mesure pourra se faire sur le fondement d'une donnée définie par un dispositif de mesure de temps de sorte que la mesure ne se fera par exemple que tous les 30 jours. Selon un autre développement, la mesure se fait sur le fondement d'un état kilométrique, par exemple après chaque fois 10.000 kilomètres parcourus. Selon un autre développement, la mesure se fait sur le fondement du nombre de démarrages, par exemple toujours après 5.000 démarrages. Les dimensions du capteur peuvent être choisies spécia- lement pour respecter la plage de mesure nécessaire et en même temps les dimensions du boîtier de capteur seront réduites au minimum pour que l'encombrement de la machine électrique 101 soit faible. La figure 3 est une vue de dessus d'un mode de réalisa- tion du boîtier de moteur 109. Le boîtier de moteur 109 est réalisé pour être utilisé en combinaison avec le capteur de course décrit ci-dessus et pour cela, à un certain endroit, il comporte au moins un orifice traversant 137 pour le passage de la tige de mesure 119 au-dessus du balai en carbone 107. Le boîtier de moteur 109 comporte dans sa zone arrière au-dessus du système de commutation 145, des taraudages 135 pour fixer le capteur ou le boîtier de capteur. La figure 4 est une vue d'un autre mode de réalisation du boîtier de moteur 109. Dans ce mode de réalisation, le boîtier de moteur 109 comporte une cavité 139 au-dessus du système de commutation 145 pour recevoir le boîtier du capteur. Cette cavité peut être par exemple réalisée par fraisage. La cavité 139 améliore le positionnement du boîtier de capteur. Les autres références désignent les mêmes caractéristiques que dans les figures précédentes. La figure 5 montre la fixation du boîtier de capteur 144 sur une machine électrique, par exemple sur un moteur de démarreur pour le mode de fonctionnement marche-arrêt. Le boîtier de capteur 144 est installé sur le boîtier 109 de la machine électrique 101. Les valeurs de mesure recueillies concernant l'usure, sont transmises par une ligne de signal 141 à une unité d'exploitation non représentée. Sur le côté droit, le boîtier 109 a un capot 143 que l'on peut ouvrir pour remplacer les balais en carbone 107. La figure 6 est une vue en coupe schématique de la ma- chine électrique 101 avec le boîtier de capteur 144 selon la ligne de coupe A à la figure 5. Le boîtier de capteur 144 est fixé par des vis à tête cylindrique 147 dans les taraudages 135 du boîtier de moteur 109. Le boîtier de moteur 109 peut en outre comporter dans la zone arrière, extérieure, au-dessus du système de commutation 145, une cavité ou encoche 139 pour mieux positionner le boîtier de capteur 144. Le perçage traversant 137 est installé directement au- dessus d'un ou plusieurs balais en carbone 107 qui se trouvent dans la garniture de balai 121. Les balais en carbone 107 réalisent un contact glissant avec le collecteur 145. La tige de mesure 119 traverse le passage 137 et arrive en contact avec les garnitures de balai 121, qui s'usent. La tige de me- sure 119 est en permanence en contact avec le balai en carbone 107 ou seulement pour mesurer l'usure, de manière automatique pour être descendue sur un balai en carbone 107, puis être remontée. Il est avantageux que le capteur comporte une surface d'appui à section en arc de cercle car dans ce cas, le capteur se monte plus simplement sur un boîtier de moteur 109 à section de forme courbe. Dans ce cas, on peut également donner à la surface extérieure en regard de la surface d'appui, une section en arc de cercle ce qui permet de visser les vis à tête cylindrique dans la direction radiale.35 NOMENCLATURE 101 machine électrique 103 capteur de course 105 tige de mesure/palpeur 107 balai en carbone 109 boîtier de moteur/boîtier polaire 111 axe 113 bobinage du rotor 115 enveloppe 117 capteur de course 119 tige de mesure/palpeur 121 garniture 123 logement 125 oscillateur 127 démodulateur 129 bobine primaire 131 bobine secondaire 133 bobine secondaire 135 taraudage 137 orifice traversant/passage 139 cavité/encoche 141 ligne de transmission de signaux 143 capot 144 boîtier de capteur 145 collecteur 147 disque de fixation30 REVENDICATIONS1°) Machine électrique (101) notamment moteur de démarreur de véhicule automobile comportant au moins un balai en carbone (107) pour réaliser un contact électrique glissant avec un collecteur (145), machine caractérisée par un capteur de course (103) pour détecter l'usure du balai en carbone (107). 2°) Machine électrique (101) selon la revendication 1, caractérisée en ce que le capteur de course (103) détecte le déplacement du balai en carbone (107). 3°) Machine électrique (101) selon la revendication 1, caractérisée en ce que le capteur de course (103) comporte une tige de mesure (105) en contact avec le balai en carbone (107). 4°) Machine électrique (101) selon la revendication 3, caractérisée en ce que la tige de mesure (105) est réalisée en une matière plastique renforcée par des fibres de carbone avec notamment une enveloppe métallique (115). 5°) Machine électrique (101) selon la revendication 1, caractérisée en ce que le capteur de course (103) comporte une bobine primaire (129) et au moins une première bobine secondaire (131) et notamment une seconde bobine secondaire (133). 6°) Machine électrique (101) selon la revendication 1, caractérisée en ce que le capteur de course (103) comporte un oscillateur (125) pour transformer une tension continue en une tension alternative, l'oscillateur (125) étant notamment relié à la bobine primaire (129).7°) Machine électrique (101) selon la revendication 1, caractérisée en ce que le capteur de course (103) comporte un démodulateur (127) pour filtrer la tension de sortie, ce démodulateur étant notamment relié électrique- ment à la première et à la seconde bobine secondaire (131, 133) et en particulier le démodulateur (127) comporte un comparateur pour comparer la tension induite dans la première bobine secondaire et celle induite dans la seconde bobine secondaire. 8°) Machine électrique (101) selon la revendication 1, caractérisée en ce que la machine électrique (101) comporte un boîtier de moteur (109) avec un orifice traversant (137) pour le passage de la tige de mesure (119) et notamment un taraudage (135) pour fixer le capteur de course (103). 9°) Machine électrique (101) selon la revendication 8, caractérisée en ce que le boîtier de moteur (109) comporte une cavité (139) pour recevoir le capteur de course (103). 10°) Machine électrique (101) selon la revendication 1, caractérisée en ce que la machine électrique comporte un boîtier de moteur (109) avec un orifice traversant (137) pour le passage de la tige de mesure (119) qui se trouve directement au-dessus d'un ou plusieurs balais en carbone.