Brevet FR3013532A1 — publié le 20150522

DEMARREUR DE VEHICULE AUTOMOBILE DE FAIBLE PUISSANCE A TAILLE OPTIMISEE L'invention porte sur un démarreur de véhicule automobile de faible puissance à taille optimisée. L'invention trouve une application particulièrement avantageuse, mais non exclusive, avec les démarreurs de systèmes dits "stop and start" permettant l'arrêt et le redémarrage du moteur thermique du véhicule en fonction notamment des conditions de circulation. Afin de démarrer un moteur thermique, notamment d'un véhicule automobile, il est connu d'utiliser un démarreur pourvu d'un lanceur capable de transmettre une énergie de rotation du démarreur à un vilebrequin du moteur thermique par l'intermédiaire d'une couronne de démarrage. Ce lanceur est monté sur un arbre d'entraînement. Dans une forme de réalisation, un réducteur de vitesse est intercalé entre cet arbre d'entraînement et l'arbre d'une machine électrique. Cette machine électrique comporte d'une part, un rotor, encore appelé induit et d'autre part, un stator, encore appelé inducteur, monté coaxialement autour du rotor. Le stator comporte plusieurs aimants permanents ou des pôles bobinés (électroaimants). Le rotor comporte un corps sous forme d'un paquet de tôles et des conducteurs formant le bobinage insérés dans des encoches longitudinales ménagées à la périphérie externe du paquet de tôles. Les conducteurs présentent des extrémités soudées sur des lames d'un collecteur sur lesquelles viennent frotter des balais pour l'alimentation du bobinage. Les moteurs thermiques peuvent présenter un dimensionnement réduit du fait de l'amélioration de leur rendement ou de leur utilisation combinée avec un moteur électrique de traction dans le cas des véhicules hybrides. Les constructeurs automobiles imposent donc de réduire la taille des démarreurs correspondants ayant un besoin en puissance réduit, et ce afin de diminuer l'encombrement sous le capot du véhicule. Classiquement, les rotors sont munis d'un bobinage réalisé en cuivre qui présente l'avantage d'avoir une bonne conductivité électrique par rapport aux autres matériaux, ce qui permet de diminuer la taille des rotors. Concernant l'option éventuelle de l'emploi d'un matériau plus résistif que le cuivre, comme par exemple l'aluminium, il est bien connu que cela conduit, pour un même niveau de couple produit, à une machine électrique plus longue, donc plus volumineuse. Les courbes des figures 1A, 1A', 1B, 1B' et 1C sont des courbes qui représentent la longueur d'induit en fonction du couple et sont des fronts de Pareto, i.e. joignent des points de définitions optimales aux caractéristiques de conception différentes. Ces caractéristiques sont : le nombre d'encoches ; diamètre de fil conducteur ; matériau de fil conducteur ; épaisseur d'aimants ferrites ; épaisseur de culasse. En effet, on obtient ces fronts d'optimums (grâce à l'emploi d'algorithmes) en laissant libres 5 caractéristiques de conception et sous contrainte de résistance d'induit, (essentiel en démarreur car on a besoin d'une résistance assez faible pour assurer la puissance mais aussi de suffisamment importante pour assurer une faible chute de tension à la batterie lors de l'appel initial de courant. Les courbes courant/longueur d'induit sont réalisées selon une loi d'alimentation d'une droite tension/courant caractérisé pour OA une tension de 11,5V, avec une résistance de source de 10 mili OHm aux bornes du démarreur. Cette mesure est faite selon la Norme ISO 8856. Le couple correspond au couple maximum (rotor bloqué) à la sortie d'un réducteur de 4,62. Autrement dit, un couple de 50n.m correspond à un couple de rotor maximum d'environ 10,82N.m. La Figure 1A, représente une courbe d'un rotor de démarreur dont le conducteur est en cuivre. Cette courbe montre les points optimums en prenant en compte les 5 caractéristiques pré-mentionnées. De manière connue, plus la longueur de l'induit est courte plus le couple diminue. .La figure 1A', représente une courbe d'un rotor de démarreur dont le 30 conducteur est en aluminium. Cette courbe montre les points optimums en prenant en compte les 5 caractéristiques pré-mentionnées. On peut voir que pour avoir un rotor de plus petite longueur, il est préférable que le conducteur soit en cuivre. De façon étonnante, on peut voir sur la courbe 1B, qui est une courbe prolongeant celle de 1 A vers les petites puissances, que lorsque le couple est inférieur à 55N.m soit un couple maximum de rotor 11,9 N.m, la courbe est plate, c'est-à-dire que la longueur pour un optimum du rotor reste à 100mm. Pourtant, l'invention part du constat inattendu suivant lequel, dans une certaine plage de puissance réduite du démarreur, c'est l'utilisation des conducteurs en aluminium et non de cuivre qui permet d'assurer les performances électromécaniques recherchées à volume minimal de machine électrique. En effet, on peut voir que contrairement à la courbe B du cuivre, la courbe de l'aluminium de la figure 1B' la longueur du rotor de démarreur diminue si le couple diminue. En effet, comme cela ressort clairement de la figure 1C, qui représente l'ensemble des courbes 1A, 1A', 1B, 1B' pour les gammes de puissances de la plage Pi, la recherche d'un volume actif minimal d'induit à couple donné conduit à utiliser un enroulement d'induit en cuivre plutôt qu'en aluminium. En effet, sur cette plage Pi, la longueur d'un induit en aluminium LAI est supérieure à la longueur LCu d'un induit en cuivre. Toutefois, pour la définition de machines de basse puissance, la recherche d'un volume actif minimal à couple donné conduit à utiliser de l'aluminium plutôt que du cuivre. En effet, pour ce type de machine, l'utilisation de cuivre comme c'est le cas classiquement nécessiterait de réaliser une machine plus longue (à diamètre extérieur identique) pour obtenir une résistance suffisamment élevée pour l'enroulement d'induit. On voit ainsi que sur la plage P2, la longueur d'un induit en aluminium LAI devient inférieure à la longueur LCu d'un induit en cuivre. La figure 2 représente l'évolution d'une grandeur caractéristique définie comme l'intégrale J de l'écart e entre la longueur active d'un induit en aluminium (LAI) et la longueur active d'un induit en cuivre (LCu) à même couple produit. Cette figure met clairement en évidence qu'au-delà d'un extremum E de dimensionnement, l'utilisation d'aluminium permet d'obtenir une machine moins longue, et donc plus compacte qu'avec du cuivre. L'extrémum E est obtenu pour un couple de 50N.m associé à une valeur d'intégrale J d'environ 1830mm.N.m, ce qui correspond à une puissance de l'ordre de 1.3kW de la machine électrique. Par X,Xkw de démarreur on entend la puissance d'un démarreur maximale selon une loi d'alimentation d'une droite tension/courant caractérisé pour OA une tension de 11,5V, avec une résistance de source de 10 mili OHm aux bornes du démarreur. Cette mesure est faite selon la Norme ISO 8856. L'invention concerne donc un démarreur pour véhicule automobile comportant une machine électrique munie d'un rotor comprenant: - un corps de forme cylindrique monté sur un arbre, - un collecteur comprenant un ensemble de lames électriquement conductrices, - des encoches ménagées sur une périphérie externe du corps du rotor, et - un bobinage formé par un ensemble de conducteurs insérés au moins en partie à l'intérieur des encoches et reliés électriquement aux lames du collecteur, caractérisé en ce que les conducteurs insérés dans les encoches sont à base d'aluminium pour un démarreur ayant une puissance inférieure à 1.3kW. L'invention concerne aussi un démarreur pour véhicule automobile comportant une machine électrique munie d'un rotor comprenant: - un corps de forme cylindrique monté sur un arbre, - un collecteur comprenant un ensemble de lames électriquement conductrices, - des encoches ménagées sur une périphérie externe du corps du rotor, et - un bobinage formé par un ensemble de conducteurs insérés au moins en partie à l'intérieur des encoches et reliés électriquement aux lames du collecteur, caractérisé en ce que les conducteurs insérés dans les encoches sont à base d'aluminium pour un démarreur ayant un couple maximum inférieur à 10,82N.m selon une loi d'alimentation d'une droite tension/courant caractérisé pour OA une tension de 11,5V, avec une résistance de source de 10 milli Ohm aux bornes du démarreur. En effet, on peut voir que pour des démarreurs en dessous de ce seuil, il est préférable d'avoir des conducteurs d'encoches en aluminium même si on modifie les caractéristiques de : nombre d'encoches ; diamètre de fil conducteur ; matériau de fil conducteur ; épaisseur d'aimants ferrites ; épaisseur de culasse. En effet, un démarreur ayant ses conducteurs en aluminium ayant les mêmes caractéristiques qu'un démarreur ayant ses conducteurs en cuivre (longueur de rotor etc...) aura un couple max plus important. Selon une réalisation, les conducteurs insérés dans les encoches sont à base d'aluminium pour une plage de puissance comprise entre 1 et 1.2 kW. Selon une réalisation, des portions de chaque conducteur situées à l'intérieur desdites encoches sont réalisés dans un alliage constitué en majorité d'aluminium. Selon une réalisation, les conducteurs sont en forme d'épingle. Selon une réalisation, ladite machine électrique comporte un stator ayant un diamètre externe de l'ordre de 60mm. Selon une réalisation, ledit rotor présente un diamètre externe de l'ordre de 44mm. Selon une réalisation, ledit rotor présente une longueur de l'ordre de 30mm. Selon une réalisation, le rotor comporte entre 2 » et 29 encoches. Selon une réalisation, ledit rotor comporte 23 encoches. Selon une réalisation, ledit rotor comporte 19 encoches. Selon une réalisation, ledit rotor comporte 25 encoches. Selon une réalisation, ledit rotor comporte 29 encoches. Selon une réalisation, ladite machine électrique comporte un stator muni de pôles formés par des aimants permanents. Selon une réalisation, les pôles du stator sont au nombre de six. Selon une réalisation, les conducteurs présentent un diamètre compris entre 1.5 et 2 millimètres. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit et à l'examen des figures qui l'accompagnent. Ces figures ne sont données qu'à titre illustratif mais nullement limitatif de l'invention. Les figures 1A, 1A' et 1B, 1 B' déjà décrite, montre l'évolution des longueurs d'induits en cuivre et en aluminium en fonction du couple produit pour un même diamètre extérieur de la machine électrique et une même résistance électrique; La figure 1C, déjà décrite, montre l'évolution des longueurs d'induits en cuivre et en aluminium en fonction du couple produit pour un même diamètre 20 extérieur de la machine électrique et une même résistance électrique; La figure 2, déjà décrite, est une représentation, obtenue à partir des courbes de la figure 1, de l'évolution d'une grandeur caractéristique définie comme l'intégrale de l'écart entre la longueur active d'un induit en aluminium et la longueur active d'un induit en cuivre à même couple produit. 25 La figure 3 montre une vue en coupe longitudinale d'un démarreur de moteur thermique selon la présente invention; La figure 5 montre une vue en coupe transversale des deux couches de conducteurs positionnées à l'intérieur des encoches du rotor. Les éléments identiques, similaires ou analogues conservent les mêmes références d'une figure à l'autre. En référence à la figure 3, le démarreur 1 selon l'invention comporte un arbre d'entraînement 2, un lanceur 3 monté sur l'arbre 2 et une machine électrique 5 fonctionnant en mode moteur composée d'un stator inducteur 8 et d'un rotor 9 induit montés de manière coaxiale suivant un axe X. Le stator 8 entoure le rotor 9 solidaire d'un arbre 14. La machine 5 comporte une carcasse 51 montée sur un support métallique 12 du démarreur 1 destiné à être fixé sur une partie fixe du véhicule automobile. De manière connue, le stator 8 comporte dans un mode de réalisation une pluralité d'aimants permanents formant les pôles du stator 8 et portés par la périphérie interne de la culasse 10. En variante, comme montré dans le mode de réalisation de la figure 3, les pôles sont formés par des enroulements 11 positionnés chacun autour d'une masse polaire 15 solidaire. Les masses polaires 15 sont fixées à l'aide de vis 16 à la culasse 10, ici métallique, comme décrit dans le document FR2611096. Chaque enroulement 11 est composé d'un conducteur continu enroulé autour de la masse polaire 15 dans le sens de son épaisseur de manière à former des spires jointives concentriques de diamètre croissant comme mieux visible dans les figures 2 à 5 du document EP749194. L'axe de chaque enroulement est radial par rapport à l'axe X du rotor 9. Un réducteur de vitesse 13 à engrenages de type train épicycloïdal est de préférence intercalé entre une extrémité arrière de l'arbre d'entraînement 2 et l'arbre 14 du moteur électrique 5. Des balais 17 frottent sur des lames conductrices 18 d'un collecteur 20 pour alimenter le bobinage rotorique. Les balais 17 appartiennent à un porte-balais 23 équipé de cages de guidage et de réception des balais 17. Ces balais 17 sont sollicités en direction des lames conductrices 18 par des moyens élastiques 25 de type ressort. Le porte-balais 23 est solidaire d'un flasque arrière 24 présentant dans la partie centrale un logement pour le montage d'un roulement à aiguilles. Le palier du flasque arrière 24 sert au montage à rotation d'une extrémité de l'arbre 14 du moteur électrique 5. Le démarreur 1 comporte également un contacteur électromagnétique 29 s'étendant parallèlement au moteur électrique 5 en étant implanté radialement au-dessus de celui-ci. Le contacteur 29 présente une cuve métallique 30 portée par le support 12, et équipée d'une bobine d'excitation 33 dotée d'au moins un enroulement. Un épaulement de la cuve 30 permet d'assurer le calage axial d'un noyau fixe 34. Des bornes 37, 38 sont conformées pour former chacune un contact fixe à l'intérieur de la cuve 30. L'une des bornes 37 est destinée à être reliée à la borne positive de la batterie du véhicule, l'autre borne 38 est connectée à l'entrée du bobinage inducteur du stator 8 et aux balais 17 de polarités positives. De manière connue, lors de l'excitation de la bobine 33, un noyau mobile 40 est attiré par attraction magnétique en direction du noyau fixe 34 pour, d'une part, agir après rattrapage d'un jeu sur une tige 41 portant un contact mobile 42 pour provoquer la fermeture des contacts du contacteur 29 et alimenter le moteur électrique 5 du démarreur 1, et d'autre part, actionner un levier de commande 45 du lanceur 3. L'arbre d'entraînement 2 est monté rotatif dans un palier avant 46 du support 12. Ce palier 46 est constitué à titre d'exemple par un roulement à aiguille ou en variante par un palier lisse. Cet arbre 2 porte à l'avant une butée 48 adjacente au palier 46 pour limiter le déplacement du lanceur 3. Le lanceur 3 est monté coulissant sur l'arbre d'entraînement 2, et comporte un pignon d'entraînement 50, un entraîneur 51 configuré pour être actionné par le levier de commande 45 pivotant, et un dispositif à roue libre 52 par exemple du type à galets installé entre l'entraîneur 51 et le pignon 50. L'extrémité supérieure du levier 45 est montée de manière connue à articulation sur une tige reliée élastiquement au noyau mobile 40 via un ressort, dit ressort dent contre dent, logé dans le noyau mobile 40. De manière connue, l'entraîneur 51 est doté intérieurement de cannelures hélicoïdales en prise de manière complémentaire avec des dentures hélicoïdales externes portées par l'arbre d'entraînement 2. Le lanceur 3 est ainsi animé d'un mouvement hélicoïdal lorsqu'il est déplacé par le levier 45 en direction de la butée 48 pour venir, par l'intermédiaire de son pignon 50, en prise avec la couronne de démarrage d'un moteur thermique 5. Il est clair que le dispositif à roue libre 52 peut être remplacé par un dispositif à embrayage conique ou un embrayage muni de plusieurs disques de friction, comme décrit dans le document FR2978500. De même, il est clair que le lanceur 3 en variante est implanté à l'extérieur du support 12. La figure 4 montre le rotor 9 comportant un corps 91 monté sur l'arbre 14 d'axe X. Ce corps 91 en forme de paquet de tôles présente une périphérie externe de forme cylindrique. Des encoches 92 sont ménagées longitudinalement à la périphérie externe du corps 91. Pour former le bobinage, ici de type ondulé, un ensemble de conducteurs 93 sont enfilés à l'intérieur de chacune de ces encoches 92. Les extrémités des conducteurs 93 sont soudées sur les lames 18 électriquement conductrice du collecteur 20. Dans un exemple de réalisation, les lames 18 sont réalisées en cuivre. Les lames 18 sont portées par un support 94 en matière plastique solidaire de l'arbre 14. Le support 94 du collecteur est, pour une bonne tenue en température, en matière plastique thermodurcissable, telle qu'une matière plastique phénolique thermodurcissable par exemple de la bakélite. En l'occurrence, le collecteur 20 qui présente des lames 18 s'étendant longitudinalement côte à côte sur la périphérie externe du support 94 est du type « tambour ». Toutefois, en variante, le collecteur 20 utilisé pourra être un collecteur de type plat. Plus précisément, chaque conducteur 93 en forme d'épingle présente deux branches 931, 932 reliées par un fond 933 de manière à former un U. Les conducteurs 93 sont à base d'aluminium. De préférence, ces conducteurs 93 sont réalisés dans un alliage constitué en majorité d'aluminium, c'est-à-dire avec un taux d'aluminium supérieur ou égal à 50%. Dans un exemple de réalisation, cet alliage est constitué quasiment exclusivement d'aluminium, c'est-à-dire que le taux d'aluminium dépasse 90% et de préférence 95%. Au minimum, les portions de chaque conducteur 93 situées à l'intérieur des encoches 92 correspondant aux branches 931, 932 sont réalisées dans cet alliage. Les extrémités des conducteurs 93 pourront toutefois être réalisées en cuivre pour faciliter leur soudage sur les lames 18 du collecteur 20. Chaque conducteur 93 est de préférence revêtu d'une couche électriquement isolante, telle que de l'émail. Les conducteurs 93 sont enfilés à l'intérieur des encoches 92 sur deux couches distinctes : la couche supérieure et la couche inférieure. Si une des branches 931, 932 est positionnée dans la couche inférieure alors l'autre branche 931, 932 se situe dans la couche supérieure et inversement. La section transversale des conducteurs 93 peut être ronde ou carrée ou rectangulaire. Les parties des conducteurs 93 s'étendant en saillie par rapport aux faces d'extrémités du corps 91 du rotor 9 forment les chignons du bobinage. Pour assurer un maintien radial des conducteurs 93 dans les chignons et éviter ainsi les effets de la force centrifuge, des frettes 96 sont positionnées respectivement autour des chignons. Comme cela est visible sur la figure 5, un isolant d'encoche 97 est positionné autour des branches 931, 932 des conducteurs. En l'occurrence, cet isolant 97 présente une section en forme de S. Cet isolant permet de ne pas blesser les conducteurs 93 (revêtus de la mince couche d'émail) lors de leur montage dans le paquet de tôles du rotor 9 doté par définition de bavures et cannelé pour montage à force du paquet de tôles du rotor. En outre, le jeu entre l'isolant 97 et les bords des encoches 92 est comblé par un vernis d'imprégnation. Alternativement, les conducteurs 93 en forme d'épingle sont remplacés par des fils de bobinage. Dans un exemple de réalisation préférentiel, pour un démarreur ayant une puissance de 1kW, le stator 8, qui comporte six pôles, a une culasse 10 ayant un diamètre externe de l'ordre de 60mm. Le rotor 9 présente un diamètre externe de l'ordre de 44mm et une longueur de l'ordre de 30mm. En outre, le rotor 9 comporte 25 encoches et les conducteurs d'induit 93 présentent un diamètre de l'ordre de 1.6 mm. Pour un réducteur de 4,62, le point courant/couple du pignon est de l'ordre de600A, on obtient un couple de l'ordre de 15.0 N.m. Epaisseur d'aimants de ferrites est de 5,9 mm, l'épaisseur de la culasse est de 2,2mm. 3013 532 11 La contrainte de résistance d'un démarreur 1KW est d'environ 7Milliohm alors que celui d'un démarreur de puissance de 1,2KW est d'environ 5Milliohm. Dans un autre exemple de réalisation préférentiel, pour le démarreur ayant 5 une puissance de 1.2kW, le stator 8, qui comporte six pôles, a une culasse 10 ayant un diamètre externe de l'ordre de 60mm. Le rotor 9 présente un diamètre externe de l'ordre de 44mm et une longueur de l'ordre de 30mm. En outre, le rotor 9 comporte 25 encoches et les conducteurs d'induit 93 présentent un diamètre de l'ordre de 1.9 mm. Pour un démarreur ayant un 10 réducteur de 4,62, le point condition rotor bloqué et les caractéristiques d'alimentions pré mentionnées, le courant/couple du pignon est de l'ordre de 700A, on obtient un couple de l'ordre de 16.8 N.m. L'épaisseur d'aimants de ferrites est de 5,9 mm, l'épaisseur de la culasse est de 2,2 mm. On peut voir que le rotor ayant des conducteurs en aluminium est meilleurs 15 pour tous les démarreurs en dessous ou égale à 1,3kw ou même si la longueur du rotor est supérieure à 100mm étant donné que rapport performance/poids. On peut donc voir que même si le démarreur ayant des conducteurs du rotor en aluminium et qu'il est en dessous de 1,3kw ou 11,9N.m en couple max du 20 rotor selon la courbe caractéristique d'alimentation pré mentionné, ne comporte pas toutes les caractéristiques de l'optimum, le démarreur aura un rotor de plus petite longueur que celui en cuivre. Alternativement, le rotor 9 comporte 23 ou 29 encoches. Alternativement, le rotor 9 comporte un diamètre de fil de conducteur compris 25 entre 1,4 et 2,3. Selon une préférence, le stator comprend des aimants en ferrites pour former les pôles et l'épaisseur est comprise entre 2 et 2,4mm. REVENDICATIONS1. Démarreur pour véhicule automobile comportant une machine électrique (5) munie d'un rotor (9) comprenant: - un corps (91) de forme cylindrique monté sur un arbre (14), - un collecteur (20) comprenant un ensemble de lames (18) électriquement conductrices, - des encoches (92) ménagées sur une périphérie externe du corps (91) du rotor (9), et - un bobinage formé par un ensemble de conducteurs (93) insérés au moins en partie à l'intérieur des encoches (92) et reliés électriquement aux lames (18) du collecteur (20), caractérisé en ce que les conducteurs (93) insérés dans les encoches (92) sont à base d'aluminium pour un démarreur ayant une puissance inférieure à 1.3kW. 2. Démarreur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les conducteurs (93) insérés dans les encoches (92) sont à base d'aluminium pour une plage de puissance comprise entre 1 et 1.2 kW. 3. Démarreur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que des portions (931, 932) de chaque conducteur (93) situées à l'intérieur desdites 20 encoches (92) sont réalisés dans un alliage constitué en majorité d'aluminium. 4. Démarreur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les conducteurs (93) sont en forme d'épingle. 5. Démarreur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, 25 caractérisée en ce que ladite machine électrique comporte un stator (8) ayant un diamètre externe de l'ordre de 60mm. 6. Démarreur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que ledit rotor (9) présente un diamètre externe de l'ordre de 44mm. 7. Démarreur selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que ledit rotor (9) présente une longueur de l'ordre de 30mm. 8. Démarreur selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que ledit rotor (9) comporte 19 encoches. 9. Démarreur selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que ledit rotor (9) comporte 25 encoches. 10. Démarreur selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que ladite machine électrique (5) comporte un stator (8) 10 muni de pôles formés par des aimants permanents. 11. Démarreur selon la revendication 10, caractérisé en ce que les pôles du stator (8) sont au nombre de six. 12. Démarreur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les conducteurs (93) présentent un 15 diamètre compris entre 1.5 et 2 millimètres.