Brevet FR3004011A1 — publié le 20141003

PORTE BALAI SANS CAGE POUR MACHINE ELECTRIQUE A COURANT CONTINU Domaine technique de l'invention La présente invention se rapporte au domaine technique des machines électriques. L'invention concerne un porte-balai sans cage qui convient aux machines électriques à courant continu et en particulier aux machines électriques qui équipent les démarreurs de moteurs à combustion interne. Arrière-plan technologique Le démarrage des moteurs à combustion interne s'effectue actuellement à l'aide d'un démarreur électrique. Un démarreur électrique pour moteur à combustion interne comprend un moteur électrique de type moteur à courant continu. Un tel moteur électrique comprend classiquement une partie tournante ou rotor et une partie statique ou stator. Un exemple de structure interne d'un tel moteur électrique à courant continu est présenté en figure 1. Le moteur électrique comprend rotor comportant un collecteur 1 tournant permettant de créer une connexion électrique entre la partie tournante et la partie statique du moteur électrique. Le collecteur 1 comprend des lames 2 conductrices permettant d'alimenter électriquement l'induit (non représenté) du moteur électrique et des parties 3 isolantes pour isoler électriquement les lames 2 entre elles. Le moteur électrique comprend encore des balais 4 dont un seul est présenté en figure 1 qui réalisent cette connexion électrique pour conduire le courant vers les lames de collecteur. Classiquement les balais sont en carbone. Le balai 4 est porté par un porte- balai 5 statique. Le porte-balai 5 comprend une cage 6 rigide permettant de retenir le balai latéralement et un moyen de rappel tel que par exemple un ressort 7 permettant d'exercer une force sur le balai 4 de sorte que celui-ci reste en contact avec le collecteur 1. Le moyen de rappel, comme divulgué par le document EP1469567 peut aussi être un ressort à force constante. Cependant, en fonctionnement, les lames 2 de collecteur s'usent par un phénomène d'électroérosion due à la présence d'arc électrique 8 lorsque l'induit tourne et que les balais 4 changent de lames 2. Par ailleurs, bien que les balais 4 soient maintenus dans la cage 6 rigide permettant de les guider transversalement, un jeu 9 est toujours présent entre le balai et sa cage 6 afin d'assurer un bon montage entre le balai et sa cage indépendamment des dispersions de dimension à la fabrication et le coulissement du balai lorsque celui-ci gonfle sous l'effet de phénomènes liés à l'environnement tel que la température. Le jeu 9 entre le balai 4 et sa cage 6 rigide peut entrainer des vibrations transversales du balai, illustrées par l'axe 10 de vibration lorsque le collecteur est en rotation, dont un sens de rotation est indiqué par la flèche 11. Ce phénomène de vibrations est encore plus accentué sur des moteur électriques à courant continu équipant le démarreur d'un moteur à combustion interne à cause des vibrations apportées pas le moteur, les chocs d'entrainement du moteur à combustion interne par le démarreur et les chocs liés à l'engrenage entre le démarreur et le moteur à combustion interne. Ce phénomène de vibrations transversales des balais 4 entraine une augmentation de l'électroérosion entre les différentes lames 2 du collecteur 1. On connait du document KR101172620 un porte balai comprenant une cage rigide dans lequel le balai est pressé par un ressort servant à exercer une force longitudinale sur le balai de sorte que celui-ci reste en contact avec le collecteur. Le porte balai comprend une lame de maintien latéral interposée entre la cage et le balai, en contact avec le balai dans une rainure longitudinale aménagée dans le balai. Cependant, avec un tel agencement, le balai est maintenu rigidement dans sa cage, ce qui favorise la transmission des vibrations car il ne permet pas de limiter le mouvement relatif du balai par rapport au collecteur. On connait encore le document US6603235 qui présente un agencement de balai en carbone dans lequel le balai est porté par un bras en forme de lame. Cependant un tel agencement, s'il est adapté aux petits moteurs électriques, ne représente pas une solution compatible avec les moteurs électriques à courant continu utilisés pour des démarreurs dont les dimensions, la puissance, et les contraintes mécaniques sont bien plus importantes. II existe donc un besoin pour améliorer le maintien latéral du balai, réduire la transmission des vibrations transitant par le balai. Un but de la présente invention est de proposer un porte-balai qui permet de réduire la transmission des vibrations transitant par le balai aussi bien générées en interne de la machine électrique par le collecteur qu'en externe de la machine électrique. Pour atteindre cet objectif, il est prévu selon l'invention un porte-balai sans cage pour machine électrique à courant continu comprenant un balai s'étendant selon une direction longitudinale, des moyens de déplacement élastique du balai selon la direction longitudinale et des moyens de maintien du balai selon une direction orthogonale à la direction longitudinale, caractérisé en ce que lesdits moyens de maintien sont élastiques de sorte à autoriser un débattement du balai dans ladite direction orthogonale. L'effet technique est que lorsque la machine électrique est en fonctionnement, la souplesse du porte-balai de l'invention permet de limiter les mouvements relatifs entre le balai et le collecteur, ce qui réduit leur usure. Le porte-balai de l'invention agit comme un système masse-ressort qui filtre les vibrations et fait office d'amortisseur. De préférence, les moyens de maintien du balai maintiennent le balai uniquement selon la direction orthogonale. De préférence, les moyens pour maintenir de manière élastique le balai comprennent deux lames élastiques entre lesquelles le balai est pincé. Dans une variante, le porte-balai de l'invention comprend un support de balai et les moyens de déplacement élastique du balai selon la direction longitudinale comprenant un ressort disposé entre le support et le balai. Dans une autre variante, les moyens de déplacement élastique du balai et les moyens de maintien du balai sont formés par au moins un ressort à force constante. De préférence, le balai est maintenu par des zones de contact avec les moyens de maintien se présentant surfaces de contact se présentant sous forme de surface de contact s'étendant longitudinalement. De préférence encore, le balai est maintenu par des zones de contact décalées de part et d'autres du balai. L'invention a aussi pour objet une machine électrique à courant continu comprenant un porte-balai selon l'une quelconque des variantes précédemment décrites. L'invention a encore pour objet un démarreur de moteur à combustion interne comprenant une telle machine électrique. L'invention a encore pour objet un véhicule automobile équipé d'un moteur à combustion interne comprenant un tel démarreur de moteur à combustion interne. Brève description des dessins D'autres particularités et avantages apparaîtront à la lecture de la description ci-après d'un mode particulier de réalisation, non limitatif de l'invention, faite en référence aux figures dans lesquelles : - La figure 1 est une représentation schématique partielle d'un exemple selon l'art antérieur de moteur électrique à courant continu comprenant un balai maintenu dans une cage. - Les figures 2a et 2b présentent respectivement une vue de côté et de face d'un premier mode de réalisation de porte-balai sans cage de l'invention. - Les figures 3a et 3b illustrent une modélisation du porte-balai de l'invention - La figure 4 est la représentation graphique montrant le rapport d'amplitudes ec, de déplacement du balai en ordonnée en fonction de la fréquence d'excitation n en abscisse. - Les figures 5a et 5b présentent respectivement une vue de côté et de face un autre mode de réalisation de porte-balai sans cage de l'invention. - Les figures 6a et 6b présentent respectivement en vue de face une première variante des modes de réalisations de l'invention. - Les figures 7a et 7b présentent respectivement en vue de face une seconde variante des modes de réalisations de l'invention. 25 Description détaillée Les figures 2a et 2b présentent un premier mode de réalisation d'un porte-balai sans cage 20 de l'invention. Un tel porte-balai 20 est destiné à équiper une machine électrique à 30 courant continu dont seul l'axe de rotation A-A ainsi qu'une partie du collecteur 21 est représenté. Le collecteur 21 est une partie tournante de la machine électrique permettant de créer la connexion électrique entre la partie tournante et la partie statique de la machine électrique. 35 Le porte balai sans cage 20 comprend un balai 22 s'étendant selon une direction longitudinale B-B. Le balai 22 peut être par exemple en carbone et assure la connexion électrique avec le collecteur 21. Le balai 22 peut le plus souvent avoir une forme parallélipipédique. Lorsque le porte balai 20 est utilisé dans la machine électrique, la direction longitudinale B-B est orthogonale à l'axe de rotation A-A. Le porte balai sans cage 20 comprend encore des moyens de déplacement élastique du balai selon la direction longitudinale B-B et des moyens de maintien du balai 22 selon une direction C-C (figure 2b) orthogonale à la direction longitudinale B-B. Conformément à l'invention, lesdits moyens de maintien sont élastiques de sorte à autoriser un débattement du balai 22 dans ladite direction orthogonale C-C. Lorsque le porte balai 20 est utilisé dans la machine électrique, la direction orthogonale C-C correspond à la direction de déplacement latéral du balai lorsque le collecteur 21 l'entraine par frottement lors de sa rotation. Plus précisément dans ce premier mode de réalisation, les moyens de déplacement élastique du balai 22 selon la direction longitudinale B-B comprennent un ressort 23, par exemple un ressort hélicoïdal pour sa simplicité, permettant d'exercer une force longitudinale FI sur le balai 22 pour que celui-ci reste en contact permanent avec le collecteur 21, lorsque le porte balai 20 est utilisé dans la machine électrique. Le porte balai sans cage 20 comprend encore un support 24 sur lequel est fixé le ressort 23. Ainsi le ressort 23 est disposé entre le support 24 et le balai 22. Dans ce mode de réalisation, les lames 25 retiennent le balai 22 uniquement selon la direction orthogonale C-C. Dans ce mode de réalisation, les moyens pour maintenir de manière élastique le balai 22 selon la direction orthogonale C-C consistent en deux lames 25 élastiques fixées uniquement à une première extrémité au support 24 et entre lesquelles le balai 22 est pincé. Les lames 25 peuvent être par exemple en en acier. Il s'avère en effet qu'il n'est pas utile de maintenir le balai 22 selon l'axe A-A car il n'y a pas de glissement selon cette direction. Le fait d'avoir seulement deux zones de maintien permet d'avoir un système plus simple. Ce mode de réalisation a pour avantage de permettre une fixation latérale des balais sur le support plus souple que l'art antérieur, tout en conservant une poussée longitudinale équivalente. Cette fixation plus souple permet de filtrer les excitations provenant du collecteur 21 ou du carter et ainsi de limiter fortement l'usure du collecteur. Une modélisation simple permet de comprendre le fonctionnement du système ainsi que les ordres de grandeur de chaque pièce. Les figures 3a à 3c illustrent le principe de la modélisation. Au premier ordre, on ne s'intéresse qu'aux efforts selon l'axe Oy. Dans cette modélisation, le mode de réalisation rappelé à la figure 3a peut être représenté à l'aide d'un modèle de poutre (figure 3b) lui-même équivalent à un modèle masse-ressort (figure 3c) dans lequel : -la raideur K est celle d'une poutre 30 encastrée soumise à une force concentrée F(t) : K=3.E.I/ L3, avec : L : longueur de la poutre, I : moment quadratique de la section de la poutre dont la normale est perpendiculaire au sens de l'effort F(t). Dans notre cas, il s'agit de la section que l'on obtiendrait si l'on coupait la lame 25 dans une direction perpendiculaire à l'axe B-B. Le moment quadratique s'exprime lui-même : I = À.e3/12, avec À la largeur de la poutre (non visible sur les figures planes 3a à 3c) et e son épaisseur, E : Module d'Young de la poutre. -La masse m représente la masse du balai 22. Un système masse-ressort-amortisseur agit comme un système de filtre du second ordre. Ainsi, si l'on considère : -une excitation périodique sinusoïdale F(t) = Ao.cos(n.t), avec Ao, l'amplitude maximale de l'excitation et n la pulsation de l'excitation, -le déplacement du balai résultant X(t)=X0.cos(52.49), avec X0 l'amplitude maximale du déplacement et 9 un déphasage, On a alors : X0 = A0 il avec w0 = i. , la fréquence propre du système, m coo2 - ..\11+ tan((p)2 La figure 4 présente alors le rapport des amplitudes eo = X/Xo en fonction de la fréquence d'excitation, n. On observe que pour des excitations dont la fréquence est inférieure à la fréquence propre, wo, le système ne filtre pas. A l'inverse, les excitations dont la fréquence est au-delà de la fréquence propre, (1)0, vont être filtrées et ne mettrons que très peu le balai en mouvement. On en déduit également que plus la fréquence propre va être basse, plus la plage des fréquences filtrées sera importante. Ceci illustre donc l'intérêt du système : une fixation souple entraine une fréquence propre basse et donc une bonne filtration de toutes les hautes fréquences. Ainsi si l'on souhaite filtrer toutes les fréquences supérieures à 300 Hz il faut régler la raideur de la fixation de sorte à ce que la fréquence propre du système soit autour de 200 Hz: - 200.2n , soit une raideur K 6000N / m En considérant des plaquettes souples de section rectangulaire de largeur À et d'épaisseur e et en posant une masse de balai m=3.7 g, un longueur L=16 mm, À=10 mm, E=210 GPa (plaquette en acier) il nous faut une épaisseur e d'acier de 0.36 mm. Par ailleurs la mise en rotation du collecteur 21 entraine un effort statique latéral T lié aux forces de frottement de Coulomb. On peut aisément donner un ordre de grandeur de cet effort : Le ressort 23 exerce un effort de l'ordre de F=15 N. Le coefficient d'adhérence p dans le cas d'un contact carbone - cuivre est de l'ordre de 0.1. La loi de Coulomb donne donc l'effort latéral T=p.F=1.5 N. En considérant un cas plus défavorable avec un effort latéral de 3 N et une raideur latérale de 6000 N/m, le déplacement statique sera de 0.5 mm ce qui est parfaitement acceptable. Le maintien latéral souple des balais va entrainer, contrairement à une fixation rigide, un déplacement de type statique du balai et limiter le mouvement relatif du balai par rapport au collecteur. L'avantage d'une fixation latérale souple est donc de transformer l'ensemble balai - moyens de maintien en un système de filtration du second ordre du type masse-ressort-amortisseur. Un tel système permet de filtrer les vibrations latérales de hautes fréquences venant : -Du carter du moteur électrique : le carter du moteur électrique est fixé sur le groupe motopropulseur qui génère beaucoup de vibrations. Grâce à l'invention, ces vibrations sont en partie filtrées et pour les hautes fréquences le balai est quasiment découplé du carter.35 -Du collecteur : les oscillations de couple sur le collecteur peuvent entraîner des oscillations latérales sur le balai. La fixation souple permet au balai de se déplacer de façon solidaire avec le collecteur et ainsi d'éviter les déplacements du balai sur le collecteur accentuant l'usure. Par vibrations hautes fréquences on entend ici en particulier une plage de fréquence visée comprise entre 300Hz et 2000Hz. Les figures 5a et 5b présentent maintenant un autre mode de réalisation de porte-balai sans cage 20'. Ce second mode de réalisation diffère du précédent illustré aux figures 2a et 2b en ce que les moyens de déplacement élastiques du balai, autrement dit le ressort 23, et les moyens de maintien du balai 22, autrement dit les lames 25 du premier mode de réalisation, sont remplacés par au moins un ressort 26 à force constante dont le rôle est double : exercer la poussée longitudinale FI selon la direction longitudinale B-B, tout en maintenant élastiquement le balais latéralement, c'est-à-dire selon la direction orthogonale C-C. Le ressort à force constante 26 se présente sous la forme d'une lame élastique enroulée en spirale. La lame peut être métallique, par exemple en acier. Comme pour le premier mode de réalisation, dans ce second mode de réalisation, les moyens de maintien du balai maintiennent le balai 22 uniquement selon la direction orthogonale C-C. Le balai 22 est pincé entre les deux lames de deux ressorts 26 à force constante. Dans ce mode de réalisation, le balai 22 est maintenu uniquement selon la direction orthogonale C-C par deux ressorts 26 à force constante. Chacun des ressorts 26 à force constante est fixé uniquement par une première extrémité au support 24. Ainsi le balai 22 est pincé entre les lames des ressorts 26. Plus précisément, chacun des ressorts 26 est fixé à une première extrémité sur une branche 28 du support. L'autre extrémité de la lame du ressort 26 peut comprendre des moyens d'accrochage 27 du balai 22, se présentant par exemple sous forme de crochet ou d'équerre, permettant d'entrainer longitudinalement le balai 22 et donc d'exercer, selon la direction longitudinale B-B, une force longitudinale FI sur le balai 22 pour que celui-ci reste en contact permanent avec le collecteur 21 lorsque le porte balai 20' est utilisé dans la machine électrique. Les figures 6a et 6b présentent respectivement une première variante du premier et du second mode de réalisation de porte-balai 20, 20' de l'invention. Cette première variante permet de mieux reprendre le moment créé par le contact collecteur 21- balai 22 lorsque le collecteur est en rotation (flèche R illustrant le sens de rotation) et donc de limiter la rotation du balai 22 autour de ses deux points de maintien. Dans cette première variante, le balai 22 est maintenu par des zones de contact avec les moyens de maintien se présentant sous forme de surface de contact Si, S2 (figure 6a) Si, S'2 (figure 6b) s'étendant longitudinalement, c'est-à-dire selon la direction B-B comme illustré en figure 2. En augmentant ainsi la surface de contact on réduit la rotation du balai 22 autour de ses zones de maintien. Les figures 7a et 7b présentent respectivement une seconde variante du premier et du second mode de réalisation de porte-balai 20, 20' de l'invention. Cette seconde variante permet de créer un moment opposé à celui créé par le contact collecteur 21- balai 22 et donc de limiter la rotation du balai 22 autour de ses deux points de maintien. Dans cette seconde variante, le balai 22 est maintenu par des zones de contact Z1, Z2 (figure 7a) Z'1, Z'2 (figure 7b), asymétriques, autrement dit décalées de part et d'autre du balai 22. Ces variantes permettent en outre d'améliorer l'homogénéité de l'usure du balai. Les deux variantes peuvent aussi être combinées. Grâce à cette invention, la cage rigide de l'art antérieur est remplacée par un dispositif de maintien plus souple qui permet de limiter fortement l'usure du collecteur. L'invention a pour avantage de prolonger de façon notable la durée de vie des balais ainsi que du collecteur de la machine électrique. Cette solution technique ne demande pas de modifications importantes de la machine électrique, le coût d'adaptation est donc avantageusement faible. Le porte-balai sans cage de l'invention convient particulièrement à une machine électrique à courant continu basé sur la technologie à balai. Une machine électrique équipée de porte-balai sans cage de l'invention peut avantageusement équiper un démarreur de moteur à combustion interne équipant un groupe motopropulseur, par exemple d'un véhicule automobile. En effet le porte-balai de l'invention est tout à fait adapté aux contraintes vibratoires d'un tel environnement.35 REVENDICATIONS1. Porte-balai (20,20') sans cage pour machine électrique à courant continu comprenant un balai (22) s'étendant selon une direction longitudinale (B-B), des moyens de déplacement élastique du balai selon la direction longitudinale (B-B) et des moyens de maintien du balai (22) selon une direction orthogonale (C-C) à la direction longitudinale (B-B), caractérisé en ce que lesdits moyens de maintien sont élastiques de sorte à autoriser un débattement du balai (22) dans ladite direction orthogonale (C-C). 2. Porte-balai (20,20') selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de maintien du balai maintiennent le balai (22) uniquement selon la direction orthogonale (C- C). 3. Porte-balai (20) selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens pour maintenir de manière élastique le balai comprennent deux lames (25) élastiques entre lesquelles le balai (22) est pincé. 4. Porte-balai (20) selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comprend un support (24) de balai (22), les moyens de déplacement élastique du balai (22) selon la direction longitudinale (B-B) comprenant un ressort (23) disposé entre le support (24) et le balai (22). 5. Porte-balai (20') selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les moyens de déplacement élastique du balai et les moyens de maintien du balai (22) sont formés par au moins un ressort (26) à force constante. 6. Porte-balai (20) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le balai (22) est maintenu par des zones de contact avec les moyens de maintien se présentant surfaces de contact se présentant sous forme de surface de contact (Si, S2 Si, 5'2) s'étendant longitudinalement. 7. Porte-balai (20) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le balai (22) est maintenu par des zones de contact (Z1, Z2, Z'1, Z'2) décalées de part et d'autres du balai (22). 8. Machine électrique à courant continu, caractérisée en ce qu'elle comprend un porte-balai selon l'une quelconque des revendications précédentes. 9. Démarreur de moteur à combustion interne, caractérisé en ce qu'il comprend une machine électrique selon la revendication 8. 10. Véhicule automobile équipé d'un moteur à combustion interne, caractérisé en ce qu'il comprend un démarreur de moteur à combustion interne selon la revendication 9.