Brevet FR2985102A1 — publié le 20130628

Domaine de l'invention La présente invention se rapporte à un dispositif de tenue de balai en carbone pour tenir un balai en carbone dans une machine électrique comportant un balai en carbone logé de manière réglable dans un support de balai et sollicité par une force développée par un élément de ressort pour venir contre le collecteur côté induit, et comportant un élément amortisseur associé au balai en carbone. L'invention se rapporte également à une machine électrique équipée d'un tel dispositif. Etat de la technique On connaît des moteurs électriques équipés d'un ensemble collecteur pour transmettre le courant à un induit monté en rotation dans un stator ainsi que pour inverser le courant dans les bobines d'induit brièvement court-circuitées. De tels ensembles collec- teurs se composent d'un collecteur côté induit et de balai en carbone fixe par rapport au boîtier et s'appliquant contre la surface enveloppe du collecteur rotatif. Les balais en carbone sont coulissants dans un dispositif de tenue de balai, radialement en direction du collecteur côté induit, en étant sollicités contre le collecteur par un élément de ressort. Cela permet de compenser l'usure des balais en carbone par leur ré- glage automatique dans la direction radiale. En particulier dans le cas de moteurs électriques conçus pour un nombre important de cycles de commutation tels que par exemple les moteurs de démarreur lançant les moteurs thermiques, pour atteindre la durée de vie requise, il faut s'assurer que les oscilla- tions du balai en carbone ou de son support n'entraînent pas une usure excessive. De telles oscillations sont non seulement celles du support de balai et du balai en carbone mais également celles de l'élément de ressort, qui peuvent être excitées par le contact de frottement entre le balai en carbone et le collecteur. Le document JP 2008220040A décrit un dispositif de tenue de balai avec un balai en carbone chargé par la force d'un ressort, et coulissant dans un support de balai ; pour stabiliser la pression d'application par laquelle le balai en carbone s'appuie contre le collec- teur, une matière d'amortissement est intercalée entre l'élément de ressort et le balai en carbone. But de l'invention La présente invention a pour but de développer avec des moyens constructifs simples, un dispositif de support de balai de cons- truction très réduite pour un balai en carbone dans une machine électrique, le dispositif de tenue de balai étant conçu pour un nombre élevé de cycles de commutation. Exposé et avantages de l'invention A cet effet, l'invention a pour objet un dispositif de tenue de balai en carbone de machine électrique du type défini ci-dessus caractérisé en ce que l'élément amortisseur a un taux d'amortissement dépendant de l'écart radial du collecteur par rapport à la forme circulaire. En d'autres termes, le dispositif de tenue de balai selon l'invention s'applique à un balai en carbone faisant partie d'un ensemble collecteur pour la transmission du courant et son inversion dans une machine électrique comportant un stator et un rotor portant un paquet d'induit avec des bobines alimentées. Le balai en carbone est en contact avec le collecteur faisant lui-même partie de l'ensemble collecteurs et en une seule pièce avec l'arbre du rotor pour transmettre le courant. Le balai en carbone est tenu de manière mobile dans le support de balai et un élément de ressort applique une force le poussant contre le collecteur par son côté tourné vers l'induit ou le rotor pour avoir un contact suffisant entre le balai en carbone et le collecteur, même lorsque le balai en carbone est usé. Le montage coulissant du balai en carbone dans le support de balai et l'application de la force par l'élément de ressort permettent de repositionner le balai en carbone dans la direction radiale sur le collecteur. Un élément amortisseur dans le dispositif de tenue de ba- lai pour assurer l'amortissement efficace des oscillations, à la fois celles du balai en carbone et celles du support de balai, y compris celle de l'élément de ressort. L'élément amortisseur a un taux d'amortissement dépen- dant de l'écart radial du collecteur par rapport à la forme circulaire. De tels écarts peuvent être engendrés à la fois par les ondulations du col- lecteur et par les irrégularités de la surface du collecteur liées à ses lamelles. Lors de la rotation du rotor, le balai en carbone appliqué contre la surface enveloppe du collecteur, subit une accélération radiale sous l'effet des ondulations et des irrégularités ; la conception du taux d'amortissement de l'élément amortisseur en fonction de l'écart radial du collecteur par rapport à la forme circulaire, permet de l'adapter de manière optimale aux données spécifiques. Cela permet de dimensionner l'élément amortisseur pour minimiser le mouvement radial du balai en carbone et pour que, malgré la rotation de l'arbre de rotor et des on- dulations et irrégularités de la surface enveloppe du collecteur générant des excitations, le balai en carbone conserve sa position radiale et reste appliqué en permanence contre la surface enveloppe du collecteur. Différentes grandeurs d'influence peuvent être prises en compte pour déterminer le taux d'amortissement de l'élément amortis- seur. C'est ainsi qu'il est par exemple avantageux que le taux d'amortissement dépende du nombre des écarts radiaux du collecteur par rapport à la forme circulaire et qui dépassent un seuil. C'est ainsi que l'on ne tient compte que des écarts qui diffèrent d'une amplitude minimale dans la direction radiale vers l'intérieur ou vers l'extérieur par rapport à la forme circulaire. Les écarts dans la direction radiale, infé- rieurs à cette valeur sont faibles de sorte que les excitations qu'elles induisent dans les balais en carbone pendant la rotation de l'arbre de rotor n'interviennent pas de manière significative. Il est avantageux par exemple de tenir compte du nombre de lamelles de collecteur réparties à la périphérie du collecteur. Dans la zone transitoire entre des lamelles voisines, on peut avoir de légères irrégularités radiales qui excitent le balai en carbone et que le taux d'amortissement de l'élément amortisseur compense. Selon un autre développement avantageux, pour déter- miner le taux d'amortissement, on fixe un coefficient qui est défini comme valeur en pourcentage de la force d'application statique par laquelle le balai en carbone est sollicité contre la surface du collecteur dans le cas idéal, c'est-à-dire dans le cas d'un collecteur de forme circulaire. Le coefficient se situe de manière caractéristique dans une plage d'amplitude comprise entre 1% et 5% par rapport à la force d'application statique. Comme autre grandeur d'influence pour déterminer le coefficient d'amortissement, on prend en compte la vitesse de rotation nominale de la machine électrique. Des vitesses de rotation nominales élevées se traduisent par un faible taux d'amortissement et des vitesses de rotation nominales faibles se traduisent par un taux d'amortissement élevé. Selon un autre développement avantageux, le taux d'amortissement est conçu de façon à éviter le cas limite apériodique du comportement oscillant radial du balai en carbone. Comme critère supplémentaire, le taux d'amortissement a un amortissement minimum. En tenant compte à la fois du fait que l'on évite le cas limite apériodique et aussi que l'on respecte l'amortissement minimum souhaité, le taux d'amortissement se situe ainsi dans une plage limitée et en plus, il dé- pend de l'écart radial entre le collecteur et la forme circulaire. L'élément amortisseur présente avantageusement un taux d'amortissement compris dans une plage entre 0,1 Ns/m et 10 Ns/m. Toutes les valeurs dans cette plage peuvent être avantageuses comme par exemple 1 Ns/m, 2 Ns/m ou 5 Ns/m. Selon un développe- ment avantageux, l'élément amortisseur a un taux d'amortissement dans une plage comprise entre 0,2 Ns/m et 1 Ns/m. L'élément de ressort et l'élément amortisseur peuvent constituer un ensemble intégré. En réunissant l'élément de ressort et l'élément amortisseur en un ensemble, on obtient une construction compacte avec seulement un encombrement faible. L'ensemble s'intègre dans le support de balai et ne nécessite ni plus ni moins de place que l'élément de ressort. L'élément amortisseur de l'ensemble assure l'amortissement efficace des oscillations qui sont notamment excitées pour la fréquence de résonance des balais en carbone, de l'élément de ressort et du support de balai et qui ne peuvent s'accumuler mais s'amortissent de nouveau. Cela garantit que le balai en carbone ne subit pas d'oscillations ou seulement des oscillations très faibles et reste appliqué régulièrement, c'est-à-dire de façon continue contre la surface du collecteur de l'induit. La transmission du courant est améliorée, en même temps l'usure réduite, ce qui permet d'atteindre un nombre plus élevé de cycles de commutation avec les opérations de branchement et de coupure. Selon un développement avantageux, l'élément de ressort et l'élément amortisseur sont montés en parallèle dans l'ensemble commun. Le montage en parallèle assure indépendamment des caractéristiques d'appui de l'élément amortisseur, un appui permanent du balai en carbone contre le support de balai. L'élément amortisseur peut ainsi être optimisé pour sa fonction d'amortissement. L'élément amor- tisseur ne participe pas nécessairement à la force d'appui du balai en carbone dans le support de balai, même si selon une variante, cela est le cas de sorte que le balai en carbone n'est pas exclusivement appuyé contre le support de balai par l'intermédiaire de l'élément de ressort mais également par l'élément amortisseur. En principe, il est également possible de réaliser un mon- tage en série de l'élément amortisseur et de l'élément de ressort dans la mesure où l'élément amortisseur peut transmettre une force statique. L'élément amortisseur peut être réalisé en une mousse et avoir ainsi une forte teneur en air emprisonné, ce qui a l'avantage de créer une suspension en plus des caractéristiques d'amortissement. De plus, la mousse est très légère. On envisage comme matière pour l'élément amortisseur également un élastomère qui est particulièrement souple avec un amortissement élevé. L'intégration de l'élément de ressort et de l'élément amor- tisseur dans un ensemble commun peut se réaliser de différentes manières. Il est par exemple possible de mettre l'élément amortisseur dans l'élément de ressort de sorte que l'élément amortisseur est entouré par l'élément de ressort. L'élément de ressort est par exemple réalisé comme ressort hélicoïdal et occupe le volume intérieur de l'élément amortis- seur. En variante, l'élément de ressort est placé dans l'élément amortisseur de sorte qu'il est entouré par ce dernier. L'élément amortisseur est par exemple de forme annulaire et l'élément de ressort est placé au centre du volume intérieur de l'anneau amortisseur. On peut égale- ment envisager des modes de réalisation dans lesquels l'élément amortisseur comporte une cavité recevant l'élément de ressort et aussi une intégration totale de l'élément de ressort dans la matière de l'élément amortisseur. Cette dernière réalisation convient notamment dans le cas d'une mousse ou d'un élastomère constituant l'élément amortisseur et qui sont surmoulés sur l'élément de ressort pour réaliser l'ensemble. Selon un autre développement, une couche d'isolation thermique est interposée entre l'ensemble composé de l'élément de ressort, de l'élément amortisseur et du balai en carbone ; cette couche d'isolation thermique assure la fonction d'une couche de protection thermique protégeant l'élément de ressort et/ou l'élément amortisseur. Pendant le fonctionnement de la machine électrique, le balai en carbone peut chauffer considérablement du fait du frottement et la couche d'isolation thermique réduit la transmission de chaleur ou la conduc- tion thermique du balai en carbone vers l'ensemble pour éviter de l'endommager par la chaleur dégagée. Le dispositif de tenue de balai est notamment appliqué au moteur électrique d'un dispositif de démarrage de moteur thermique. De tels moteurs de démarrage doivent pouvoir exécuter un grand nombre de cycles de commutation dans le cas d'un moteur thermique équipé d'un système marche-arrêt. Une conception de l'élément amortisseur dans cette plage de valeur a également l'avantage qu'en cas d'excitation dans la plage de la fréquence de résonance, le dispositif de tenue de balai est efficace- ment amortit. Dessins La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide d'exemples de dispositifs de tenue de balai selon l'invention représentés dans les dessins annexés dans lesquels les mêmes éléments portent les mêmes références. Ainsi la figure 1 est une vue schématique d'un collecteur équipé d'un dispositif de tenue de balai comportant un balai en carbone logé de manière réglable dans un support de balai ainsi qu'un collecteur côté induit, un système de ressort et d'amortisseur qui applique le balai en carbone contre le support de balai, ce système ressort-amortisseur constituant un ensemble et l'élément amortisseur est intégré dans l'élément de ressort, la figure 2 montre un autre mode de réalisation d'un collecteur dans lequel l'élément amortisseur est en une mousse et l'élément de ressort est intégré totalement dans l'élément amortisseur, la figure 3 montre un exemple de réalisation analogue à celui de la figure 2 avec toutefois un élément amortisseur de forme annulaire dont la cavité centrale loge un élément de ressort, la figure 4 montre un autre exemple de réalisation comportant un ensemble ressort-amortisseur sous la forme d'un bloc en une seule pièce, la figure 5 montre un autre exemple de réalisation analogue à celui de la figure 4 avec une couche d'isolation thermique entre l'ensemble ressort-amortisseur et le balai en carbone. Description de modes de réalisation de l'invention Le collecteur 1 représenté à la figure 1 fait partie d'une machine électrique, par exemple du moteur électrique de démarreur d'un moteur thermique et comporte un dispositif de tenue de balai 2 avec un balai en carbone 4 logé dans un support de balai 3 ainsi qu'un collecteur 5, côté induit, solidaire en rotation de l'arbre du rotor de la machine électrique. Pour la transmission du courant et son inversion, le balai en carbone 4 est appliqué en contact contre la surface enveloppe du collecteur 5 rotatif. Le balai en carbone 4 est logé coulissant dans le support de balai 3 ayant une section en forme de U et il peut se dépla- cer par rapport à l'axe longitudinal du collecteur 5, radialement, en direction de la surface enveloppe du collecteur. Pour assurer un contact suffisant entre le balai en carbone 4 et le collecteur 5, le balai en carbone 4 est appuyé par un élément de ressort 7 contre le fond du sup- port de balai 3 du côté opposé à celui du collecteur 5 ; l'élément de ressort fait partie d'un ensemble ressort-amortisseur 6 comportant en outre un élément amortisseur 8. L'élément amortisseur 8 a pour fonction d'amortir les oscillations du dispositif de tenue de balai 2, c'est-à-dire d'éviter la transmission des oscillations du support de balai 3, du balai en carbone 4 et de l'ensemble 6. De telles oscillations peuvent se produire dans la direction radiale par rapport à l'axe longitudinal du collecteur 5, le cas échéant également dans la direction périphérique et dans la direction axiale du collecteur. L'ensemble ressort-amortisseur 6 intègre à la fois l'élément de ressort 7 et l'élément amortisseur 8 dans un composant commun. Cette solution a l'avantage de simplifier le montage et de présenter un faible encombrement. Dans l'exemple de réalisation de la figure 1, l'élément de ressort est un ressort hélicoïdal et l'élément amortisseur 8 est intégré à l'intérieur de l'élément de ressort 7. L'élément amortisseur 8 se compose par exemple d'un élastomère ou d'une mousse logeant l'élément de ressort 7. Dans ce montage, l'élément de ressort 7 et l'élément amortisseur 8 sont en parallèle car ces deux composants transmettent simultanément une force dans la direction radiale par rapport à l'axe longitudinal du collecteur 5. Dans l'exemple de réalisation de la figure 2, l'élément de ressort 7 est intégré dans l'élément amortisseur 8 en forme de bloc de mousse ou de bloc d'élastomère et s'étend sur tout le côté frontal de la surface du balai en carbone 4 à l'opposé du collecteur 5. L'élément de ressort 7 est enrobé ou surmoulé par injection avec la matière de l'élément amortisseur 8. La figure 3 montre une réalisation analogue à celle de la figure 2 à la différence toutefois que l'élément amortisseur 8 est de forme annulaire et comporte une cavité centrale recevant l'élément de ressort 7. L'élément de ressort 7 et l'élément amortisseur 8 forment ain- si des composants distincts qui sont toutefois réunis pour former un ensemble 6. Dans l'exemple de réalisation de la figure 4, l'ensemble 6 est un bloc ressort-amortisseur réalisé par exemple comme mousse élastique ou comme élastomère qui assure également la fonction d'amortissement en plus des caractéristiques de ressort. Dans l'exemple de réalisation de la figure 5, l'ensemble 6 est un bloc ressort-amortisseur assurant à la fois les caractéristiques de ressort et les caractéristiques d'amortisseur. En plus, une couche d'isolation thermique 9 est interposée entre la face frontale du balai en carbone 4 opposée au collecteur 5 et le bloc ressort-amortisseur 6. Cette couche d'isolation thermique sert de couche de protection thermique évitant la conduction thermique ou l'échange de chaleur entre le balai en carbone, chaud, et l'ensemble 6 pour assurer que la chaleur générée en fonctionnement par le frottement dans le balai en carbone n'endommage pas l'ensemble ressort-amortisseur 6. Le taux d'amortissement (d) de l'élément amortisseur est avantageusement tel que l'écart radial Ar du collecteur 5 par rapport à la forme circulaire est intégré dans ce taux d'amortissement, évite que les excitations engendrées par l'écart et appliquées aux balais en car- bone, ne se répercutent pas ou d'une manière aussi faible que possible sur la position radiale du ou des balais en carbone. Selon l'amplitude et le nombre d'écarts radiaux de la surface enveloppe du collecteur par rapport à la forme circulaire théorique, le taux d'amortissement change et permet d'utiliser un élément amortisseur correspondant. Les écarts par rapport à la forme circulaire sont déterminés au préalable par des mesures et/ou par les données de construction, par exemple à partir du nombre de lamelles du collecteur et de l'écart radial ou de la profondeur radiale des lamelles du collecteur. Dans la mesure où ces informations sont connues, on peut utiliser un élément amortisseur conçu de ma- nière appropriée et qui soutient le balai en carbone dans le support de balai. Connaissant l'écart radial Ar, le nombre z d'écarts radiaux dépassant une valeur minimale, la force d'application statique Fo par laquelle le balai en carbone est pressé contre la surface enveloppe du collecteur lorsque le collecteur est de forme circulaire ainsi que de la vitesse de rotation nominale coA de la machine électrique, on détermine le taux d'amortissement (d) comme suit : d L'écart radial Ar est habituellement dans l'ordre de gran- deur de r/ 1000, relation dans laquelle (r) est le rayon du collecteur. La valeur de (z) va jusqu'à la moitié du nombre de lamelles de collecteur. Pour le taux d'amortissement (d), on peut en outre tenir compte de ce que d'une part, il faut éviter un cas limite apériodique et d'autre part, il faut un amortissement minimum. On fixe ainsi la limite supérieure et la limite inférieure du taux d'amortissement (d) que l'on obtient de manière plus précise selon la formule donnée ci-dessus.10 NOMENCLATURE 1 Ensemble collecteur 2 Dispositif de tenue de balai en carbone 3 Support de balai 4 Balai en carbone 5 Collecteur côté induit 6 Ensemble ressort-amortisseur 7 Elément de ressort 8 Elément amortisseur Ar Ecart radial z Nombre d'écarts radiaux Fo Force statique d'application COA Vitesse de rotation nominale d Taux d'amortissement k Coefficient20 REVENDICATIONS1°) Dispositif de tenue de balai en carbone pour tenir un balai en carbone (4) dans une machine électrique comportant un balai en carbone (4) logé de manière réglable dans un support de balai (3) et sollicité par une force développée par un élément de ressort (7) pour venir contre le collecteur (5) côté induit, comportant un élément amortisseur (8) associé au balai en carbone (4), dispositif caractérisé en ce que l'élément amortisseur (8) a un taux d'amortissement (d) dépendant de l'écart radial (Ar) du collecteur (5) par rapport à la forme circulaire. 2°) Dispositif de tenue de balai selon la revendication 1, caractérisé en ce que le taux d'amortissement (d) dépend du nombre (z) d'écarts radiaux (Ar) qui dépassent un seuil. 3°) Dispositif de tenue de balai selon la revendication 1, caractérisé en ce que pour déterminer le taux d'amortissement (d), on fixe un coefficient (k) défini comme valeur en pourcentage de la force de compression statique (Fo) qui pousse le balai en carbone (4) contre le collecteur (5). 4°) Dispositif de tenue de balai selon la revendication 3, caractérisé en ce que le coefficient (k) est compris entre 1 `)/0 et 5 `)/0. 5°) Dispositif de tenue de balai selon la revendication 1, caractérisé en ce que le taux d'amortissement (d) est donné par la formule suivante : d