Brevet FR3034917A1 — publié le 20161014

STATOR DE DEMARREUR POUR VEHICULE AUTOMOBILE A PLAGE DE REMANENCE OPTIMISEE La présente invention porte un stator de démarreur pour véhicule automobile à plage de rémanence optimisée. On connaît des démarreurs pour véhicule automobile munis d'un stator, ou inducteur, comportant plusieurs aimants permanents et d'un rotor, ou induit, doté d'un corps de forme cylindrique et d'un bobinage formé par des fils conducteurs. De façon connue en soi, l'inducteur comporte une culasse métallique dont la face interne supporte une pluralité d'aimants permanents destinés à produire un champ inducteur. Les aimants permanents sont conformés selon des segments cylindriques, en étant angulairement répartis à intervalles réguliers à l'intérieur de la culasse, et séparés uniformément de l'induit par un entrefer radial. Il existe des aimants à ferrites dont le br est d'environ de 0,4 Tesla. La fixation des aimants permanents sur la face interne de la culasse s'effectue généralement au moyen d'agrafes s'étendant dans la direction longitudinale dans les intervalles ménagés entre les aimants permanents. L'épaisseur de la culasse est dimensionnée par rapport aux aimants et en outre du fait de ses caractéristiques mécaniques demandées doit être compris entre 1,5mm et 3,5mm. Pour des démarreurs à inducteur bobinés du fait du Tesla plus important, il est usuel d'utiliser une épaisseur de 4mm de culasse ou plus. Par ailleurs, le corps du rotor consiste en un paquet de tôles présentant des encoches longitudinales dans lequel sont insérés les fils du bobinage constitués par exemple par des conducteurs en forme d'épingle. Le rotor est pourvu en outre d'un collecteur comprenant une pluralité de pièces de contact connectées électriquement aux fils du bobinage. Sur certains types de démarreur, on s'est aperçu d'une usure prématurée des balais par électro-érosion. Afin de résoudre ce problème d'usure, l'invention propose de diminuer l'amplitude du signal de courant parcourant les balais et de compenser cette diminution de courant dans la machine par une augmentation de l'intensité de l'induction produite dans l'entrefer entre 3034917 2 l'inducteur et l'induit. Il n'est toutefois pas possible d'augmenter l'intensité de l'induction produite dans l'entrefer de manière trop importante car sinon, il deviendrait nécessaire d'augmenter l'épaisseur de la culasse afin d'en éviter la saturation magnétique, ce qui poserait des problèmes d'encombrement du 5 démarreur. L'invention propose donc un stator comportant un ensemble d'aimants permanents ayant une rémanence située dans une plage de valeurs spécifique permettant de compenser la perte de puissance de la machine due à la diminution de courant sans avoir à 10 augmenter les dimensions de la culasse. Plus précisément, l'invention a pour objet un stator de démarreur de véhicule automobile comportant: - une culasse, - un ensemble d'aimants permanents montés contre une face interne de 15 ladite culasse, chacun des aimants permanents dudit ensemble étant magnétiquement orienté radialement, caractérisé en ce que la rémanence moyenne dudit ensemble d'aimants permanents est comprise dans une plage située entre 0,5 et 0,9 Tesla, notamment entre 0,59 et 0,83 Tesla et 20 de préférence entre 0,6 et 0,81 Tesla. Ainsi, on réduit l'usure des balais en ayant des aimants qui peuvent être montés dans une culasse de l'art antérieur du fait de ses caractéristiques mécaniques nécessaire. En effet, cette plage de valeur permet de diminuer le courant passant par les balais tout en gardant les culasses de démarreur 25 de l'art antérieur avec aimant uniquement à Ferrites. Si on utilise que des aimants de type terre rare qui comporte une plus grande rémanence que 0,9 Tesla, en l'occurrence autour de 1,2 il serait nécessaire d'augmenter l'épaisseur de la culasse pour utiliser toutes son intensité utile dans l'entrefer. Une telle augmentation de la culasse augmenterait le poids du démarreur 30 ainsi qu'une augmentation significatif du coût. De plus, un inducteur de démarreur ayant un niveau de moyenne de rémanence élevé tel que 1,2 Tesla aurait un Br trop éllevé ce qui entraînerait des problème de vitesse moyenne du moteur, nottament une baisse de vitesse moyenne d'entraînement à basse température. En effet cette baisse de vitesse serait 3034917 3 notamment dû aux phénomènes inertiels en transitoire de vitesse avec acyclisme du moteur thermique dû aux compressions-détentes du moteur thermique à entraîner. De plus, dans le cas où l'on utiliserait que des aimants avec une rémanence 5 supérieure à 0,9 Tesla comme par exemple que des aimants permanents comportant du terre rare néodyme fer bore à 1 ,2 Tesla (très couteux) avec une culasse de même épaisseur que dans l'art antérieur, la culasse serait saturée magnétiquement et n'augmenterait donc pas les performances. L'augmentation de la moyenne de rémanence permet donc d'augmenter 10 suffisamment l'intensité de l'induction produite dans l'entrefer pour augmenter sa durée de vie. Par ensemble d'aimant on entend tous les aimants du stator du démarreur formant l'inducteur. 15 Selon une réalisation, ledit stator comprend au moins un aimant permanent comportant au moins un élément de type terre rare tel que le néodyme Nd ou le samarium Sm (appelé aimant de type terre rare). 20 Selon une réalisation, ledit ensemble d'aimants permanents comporte six aimants formant six pôles. Selon une réalisation, ledit ensemble d'aimants permanents comporte quatre aimants formant quatre pôles. Selon une réalisation, ledit ensemble d'aimants permanents comprend un 25 premier sous-ensemble d'aimants type terre rare et un deuxième sous- ensemble d'aimants réalisés en ferrite. Selon un mode de réalisation, le stator comprend des aimants du premier sous-ensemble entre des aimants du deuxième sous-ensemble. En particulier les aimants du premier sous-ensemble sont alternés avec les 30 aimants du second sous ensemble. 3034917 4 Selon une réalisation, ledit premier sous-ensemble d'aimants comprend la moitié du nombre d'aimants total dudit stator réalisés en Néodyme-Fer-Bore, et ledit deuxième sous-ensemble d'aimants comprend l'autre moitié du nombre d'aimants total dudit stator réalisés en Ferrite. 5 Selon une réalisation, ledit premier sous-ensemble d'aimants comprend quatre aimants réalisés en Samarium Cobalt, et ledit deuxième sous-ensemble d'aimants comprend deux aimants réalisés en ferrite. Selon une réalisation, lesdits aimants permanents dudit ensemble ont chacun la même valeur de rémanence. Cela permet d'équilibrer le champ 10 magnétique produit par le stator. Selon une réalisation, chaque aimant permanent dudit ensemble est constitué par un plastoaimant. Selon une réalisation, chaque ou le plastoaimant est réalisé en Néodyme-Fer-Bore.En l'occurrence, le plastoaimant est compacté à 15 chaud. Selon une réalisation, chaque plastoaimant est réalisé en Samarium-Fer-Azote. Selon une réalisation, chaque aimant permanent dudit ensemble est réalisé 20 en Neolit NO 2F (marque déposée) en particulier compactés à chaud. Selon une réalisation, lesdits aimants permanents sont maintenus contre ladite culasse au moyen d'agrafes. L'invention a également pour objet un démarreur comportant une machine électrique tournante munie d'un stator tel que précédemment défini. 25 Selon une réalisation, un rapport de réduction dudit démarreur est compris entre 3.5 et 5, et vaut de préférence 4. En effet, une autre solution pour augmenter la durée de vie des balais est de réduire le rapport de réduction pour diminuer le couple et donc le courant 3034917 5 dans le balai. Cependant, il est nécessaire pour certain moteur thermique d'avoir un rapport de réduction compris entre 3.5 et 5, et vaut de préférence 4 pour avoir suffisamment de couple pour assurer le démarrage de ce type de de moteur thermique notamment lorsqu'il fait froid. 5 L'invention concerne aussi un démarreur comprenant permanents comprend un premier sous-ensemble d'aimants de type terre rare et un deuxième sous-ensemble d'aimants réalisés en Ferrite. Ainsi, on obtient un démarreur qui permet d'augmenter le nombre de cycle 10 des balais, en remplaçant une partie des aimants en ferrites du démarreur de l'art antérieur par des aimants de type terre rare sans modifier la structure du démarreur. Un tel démarreur est un peu plus couteux mais augmente le nombre de cycle du démarreur. Selon un mode de réalisation, le stator comprend des aimants du premier 15 sous-ensemble entre des aimants du deuxième sous-ensemble. En particulier les aimants du premier sous-ensemble sont alternés avec les aimants du second sous ensemble. L'invention concerne aussi, ledit premier sous-ensemble d'aimants comprend la moitié du nombre d'aimants total dudit stator réalisés en Néodyme-Fer- 20 Bore, et ledit deuxième sous-ensemble d'aimants comprend l'autre moitié du nombre d'aimants total dudit stator réalisés en Ferrite. Selon un mode de réalisation, ledit premier sous-ensemble d'aimants comprend quatre aimants réalisés en Samarium Cobalt, et ledit deuxième sous-ensemble d'aimants comprend deux aimants réalisés en ferrite. 25 L'invention concerne aussi un démarreur comprenant un stator comprenant un ou des plastoaimants. Selon une réalisation, chaque ou le plastoaimant est réalisé en Néodyme-Fer-Bore. 3034917 6 Selon une réalisation, chaque plastoaimant est réalisé en Samarium-Fer-Azote. Selon une réalisation, chaque aimant permanent dudit ensemble est réalisé en Neolit NO 2F (marque déposée) en particulier compactés à chaud. 5 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. 10 La figure 1 est une vue schématique de côté d'un démarreur selon la présente invention; La figure 2 est une vue schématique en perspective du stator à aimants permanents du démarreur de la figure 1; La figure 3 représente des courbes de courant et d'intégrales de courant 15 correspondantes pour différentes configurations d'ensembles d'aimants permanents et de rapport de réduction du démarreur. Les éléments identiques, similaires ou analogues conservent les mêmes références d'une figure à l'autre. On a représenté schématiquement sur la figure 1 un démarreur 1 pour 20 moteur à combustion interne de véhicule automobile. Ce démarreur 1 à courant continu comprend, d'une part, un rotor 2, encore appelé induit, pouvant tourner autour d'un axe X, et d'autre part, un stator 3, encore appelé inducteur, positionné autour du rotor 2. Dans l'exemple illustré, la machine électrique tournante formée par le stator 3 et le rotor 2 est de type six pôles. 25 Ce stator 3 décrit plus en détails ci-après comporte une culasse 4 portant un ensemble d'aimants permanents 5. Le rotor 2 comporte un corps de rotor 7 et un bobinage 8 enroulé dans des encoches du corps de rotor 7. Le corps du rotor 7 consiste en un paquet de 3034917 7 tôles présentant des encoches longitudinales. Pour former le bobinage 8, des fils conducteurs en forme d'épingle 11 (mieux visibles sur la figure 2) sont enfilés à l'intérieur des encoches 16 généralement sur deux couches distinctes. Le bobinage 8 forme, de part et d'autre 5 du corps de rotor 7, des chignons 9. Le rotor 2 est pourvu, à l'arrière, d'un collecteur 12 comprenant une pluralité de pièces de contact connectées électriquement aux éléments conducteurs, formés dans l'exemple considéré par les épingles 11 du bobinage 8. Un groupe de balais 13 et 14 est prévu pour l'alimentation électrique du 10 bobinage 8, l'un des balais 13 étant relié à la masse du démarreur 1 et un autre des balais 14 étant relié à une borne électrique 15 d'un contacteur 17. Les balais sont par exemple au nombre de quatre. Les balais 13 et 14 viennent frotter sur le collecteur 12 lorsque le rotor 2 est en rotation, permettant l'alimentation du rotor 2 par commutation du courant 15 électrique dans des sections du rotor 2. Le contacteur 17 comprend, outre la borne 15 reliée au balai 14, une borne 29 reliée, via un élément de liaison électrique, à une alimentation électrique du véhicule, notamment une batterie. Le démarreur 1 comporte en outre un ensemble lanceur 19 monté de 20 manière coulissante sur un arbre d'entraînement 18 et pouvant être entraîné en rotation autour de l'axe X par le rotor 2. Un ensemble réducteur de vitesses 20 est interposé entre un arbre du rotor 2 et l'arbre d'entraînement 18. L'ensemble lanceur 19 comporte un élément d'entraînement formé par un pignon 21 et destiné à s'engager sur un organe 25 d'entraînement du moteur thermique, tel qu'une couronne d'entraînement. En variante, il serait possible d'utiliser un système à poulie. L'ensemble lanceur 19 comprend en outre une roue libre 22 et une rondelle poulie 23 définissant entre elles une gorge 24 pour recevoir l'extrémité 25 d'une fourchette 27. Cette fourchette 27 est réalisée par exemple par 30 moulage d'une matière plastique. 3034 917 8 La fourchette 27 est actionnée par le contacteur 17 pour déplacer l'ensemble lanceur 19 par rapport à l'arbre d'entraînement 18, suivant l'axe X, entre une première position dans laquelle l'ensemble lanceur 19 entraîne le moteur thermique par l'intermédiaire du pignon d'entrainement 21, et une deuxième 5 position dans laquelle l'ensemble lanceur 19 est désengagé de la couronne d'entraînement du moteur thermique. Lors de l'activation du contacteur 17, une plaque de contact interne (non représentée) permet d'établir une connexion entre les bornes 15 et 29 afin de mettre sous tension le moteur électrique. Cette connexion sera coupée lors de 10 la désactivation du contacteur 17. Comme on peut le voir sur la figure 2, le stator 3 comporte la culasse 4 métallique tubulaire et l'ensemble d'aimants permanents 5 destinés à produire un champ inducteur. Les aimants 5 sont montés contre une face interne 41 de la culasse 4. Les aimants permanents 5 sont conformés selon 15 des segments cylindriques, en étant angulairement répartis à intervalles réguliers à l'intérieur de la culasse 4, et séparés uniformément du rotor 2 par un entrefer radial 30. Chacun des aimants 5 est magnétiquement orienté radialement, c'est-à-dire que chaque aimant 5 présente une face interne 51 de polarité donnée (Nord 20 ou Sud) orientée du côté de l'entrefer 30 et une face externe 52 de polarité opposée orientée du côté de la culasse 4. En outre, comme cela est bien visible sur la figure 2 où les lettres N et S correspondent respectivement aux pôles Nord et Sud, deux aimants 5 consécutifs sont de polarités alternées. Ainsi, les faces internes 51 tournées vers l'entrefer 30 présentent une 25 polarité alternée, et les faces externes 52 tournées vers la culasse présentent une polarité alternée suivant la circonférence du stator 3. La fixation des aimants 5 sur la face interne 41 de la culasse 4, s'effectue généralement au moyen d'agrafes 33 s'étendant dans la direction longitudinale dans les intervalles ménagés entre les aimants 5. Ici une seule 30 agrafe 33 a été représentée pour améliorer la lisibilité de la figure mais il est clair que le stator comporte une agrafe 33 entre chaque ensemble de deux aimants adjacents 5. La fixation des agrafes 33 assure notamment un écartement entre les aimants 5 pour créer un champ inducteur uniforme dans 3034917 9 l'entrefer 30, ainsi qu'un maintien axial et radial des aimants 5 dans la culasse 4 en s'opposant aux forces mécaniques (vibrations, chocs), et aux forces d'attraction magnétique lors du fonctionnement du moteur. De préférence, la rémanence moyenne de l'ensemble d'aimants 5 est 5 compris dans une plage située entre 0,73 Tesla et 0,87 Tesla, notamment de 0,78 à 0,83 et de préférence entre 0,79 et 0,81. La rémanence moyenne est définie comme étant la somme des rémanences de chacun des aimants 5 de l'ensemble divisé par le nombre d'aimants 5 de l'ensemble. L'ensemble d'aimants comprend un premier sous-ensemble d'aimants 5 10 comprenant des éléments en terre rare tel que le néodyme Nd ou le samarium Sm et un deuxième sous-ensemble d'aimants 5 réalisés en Ferrite. Le premier sous-ensemble comprend la moitié du nombre d'aimants 5 total du stator 3 réalisés en Néodyme-Fer-Bore, et le deuxième sous-ensemble comprend l'autre moitié du nombre d'aimants 5 total du stator 3 15 réalisés en Ferrite. Les aimants 5 en Néodyme-Fer-Bore et les aimants 5 en ferrite sont positionnés en alternance suivant la circonférence de la culasse 4. Dans le cas où l'ensemble d'aimants permanents 5 comporte six aimants formant six pôles, on utilise ainsi trois aimants 5 réalisés en Néodyme-Fer- 20 Bore ayant chacun une rémanence de 1.2 Tesla, et trois aimants 5 réalisés en Ferrite ayant chacun une rémanence compris entre 0,4 Tesla et 0.45 Tesla. La rémanence moyenne de l'ensemble est alors égale à 0.825 Tesla. Dans le cas où l'ensemble d'aimants permanents 5 comporte quatre aimants 5 formant quatre pôles, on utilise deux aimants 5 réalisés en Néodyme-Fer- 25 Bore ayant chacun une rémanence de 1.2 Tesla, et deux aimants 5 réalisés en Ferrite ayant chacun une rémanence de 0.45 Tesla. La rémanence moyenne de l'ensemble est encore égale à 0.825 Tesla. Dans un autre exemple de réalisation, pour un ensemble d'aimants permanents 5 à six pôles, le premier sous-ensemble comprend quatre 30 aimants 5 réalisés en Samarium Cobalt ayant chacun une rémanence de 1.02 Tesla, et le deuxième sous-ensemble comprend deux aimants 5 réalisés en ferrite ayant chacun une rémanence de 0.45 Tesla. La 3034917 10 rémanence moyenne d'un tel ensemble est de 0.83 Tesla. Tous les aimants 5 précités sont de préférence des aimants frittés. Le fait que les aimants 5 soient de différents types et présentent des rémanences de valeurs différentes peut engendrer des déséquilibres dans le 5 champ magnétique produit. Afin d'éviter cela, tous les aimants 5 de l'ensemble pourront avoir la même valeur de rémanence. Ainsi, dans un mode de réalisation particulier, chaque aimant 5 du stator 3 est constitué par un plastoaimant ayant une rémanence de 0.8 Tesla. Chaque plastoaimant pourra par exemple être réalisé en Néodyme-Fer-Bore 10 ou en Samarium-Fer-Azote. Alternativement, chaque aimant 5 du stator 3 est réalisé en Neolit NO 2F (marque déposée) compactés à chaud ayant une rémanence de 0.8 Tesla. Par ailleurs, compte tenu du gain en couple obtenu grâce à l'utilisation de l'ensemble d'aimants 5 précédemment décrit, il est possible de diminuer le 15 rapport de réduction d'un démarreur 1 défini ci-après comme étant le rapport entre la vitesse de l'arbre interne de l'induit du moteur électrique et la vitesse de l'arbre d'entraînement 18. Ainsi, si le rapport de réduction est habituellement de l'ordre de 4.6, le remplacement des aimants permanents 5 en ferrite par un des ensembles 20 d'aimants permanents précédemment décrit autorise à utiliser un ensemble réducteur 20 ayant un rapport de réduction valant environ 4. Toutefois, la valeur du rapport de réduction réduit sélectionnée pourra varier en fonction du couple à fournir pour faire démarrer un moteur de type spécifique et de la configuration du démarreur 1. Le rapport de réduction réduit du démarreur 1 25 sera ainsi compris de préférence entre 3.5 et 5. Comme cela est illustré sur la figure 3, par rapport à la courbe C11 de l'intégrale de courant obtenue pour une configuration initiale d'un stator 3 muni de six aimants 5 en ferrite ayant une rémanence de 0.45 Tesla pour un rapport de réduction de l'ordre de 4.6, l'utilisation d'une configuration à trois 30 aimants 5 en Néodyme-Fer-Bore ayant une rémanence de 1.2 Tesla et trois aimants 5 en ferrite ayant une rémanence de 0.45 Tesla et d'un rapport de 3034 917 11 réduction de l'ordre de 4 permet de diminuer la valeur de l'intégrale de courant d'un rapport de 40% (cf courbe C21) et donc de diminuer l'usure balai des balais. Ainsi on peut augmenter la durée de vie du balai du démarreur ce qui est très intéressant pour les démarreurs type stop & Start 5 (qui permette de redémarrer un vehicule dont le moteur thermique s'arrête lorsque le véhicule est à l'arrêt par exemple à un feu rouge) pour lequel on demande un nombre de cycle de vie d'environ 250000 cycles ou plus, par exemple 300000 à 450000 cycles, alors que ce nombre de cycle de vie est inférieure à 100000 pour un démarreur de type conventionnel. 10 La courbe intermédiaire C31 a été obtenue pour un stator 3 ayant un rapport de réduction de l'ordre de 5.7 muni de six aimants 5 en ferrite ayant une rémanence de 0.45 Tesla. Il est à noter que les courbes C12, C22, et C32 sont les courbes de courant correspondant respectivement aux différentes courbes d'intégrales de 15 courant Cl 1, C12, C13 associées aux différentes configurations précitées. Bien entendu, la description qui précède a été donnée à titre d'exemple uniquement et ne limite pas le domaine de l'invention dont on ne sortirait pas en remplaçant les différents éléments par tous autres équivalents. REVENDICATIONS1. Stator (3) de démarreur (1) de véhicule automobile comportant : - une culasse (4), - un ensemble d'aimants permanents (5) montés contre une face interne (41) de ladite culasse (4), chacun des aimants permanents (5) dudit ensemble étant magnétiquement orienté radialement, caractérisé en ce que la rémanence moyenne dudit ensemble d'aimants permanents (5) est comprise dans une plage située entre 0,5 et 0,9 Tesla, notamment entre 0,59 et 0,83 Tesla et de préférence entre 0,6 et 0,81 Tesla. 2. Stator selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit stator (3) comprend au moins un aimant permanent (5) comprenant des éléments en terre rare tel que le néodyme Nd ou le samarium Sm. 3. Stator selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que ledit ensemble d'aimants permanents (5) comporte six aimants formant six pôles. 4. Stator selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que ledit ensemble d'aimants permanents (5) comporte quatre aimants formant quatre pôles. 5. Stator selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé 20 en ce que ledit ensemble d'aimants permanents (5) comprend un premier sous-ensemble d'aimants (5) de type terre rare et un deuxième sous-ensemble d'aimants (5) réalisés en ferrite. 6. Stator selon la revendication 5, caractérisé en ce que ledit premier sous-ensemble d'aimants (5) comprend la moitié du nombre d'aimants (5) 25 total dudit stator (3) réalisés en Néodyme-Fer-Bore, et ledit deuxième sous- ensemble d'aimants (5) comprend l'autre moitié du nombre d'aimants (5) total dudit stator (3) réalisés en Ferrite. 7. Stator selon les revendications 3 et 5, caractérisé en ce que ledit premier sous-ensemble d'aimants (5) comprend quatre aimants (5) réalisés 3034917 13 en Samarium Cobalt, et ledit deuxième sous-ensemble d'aimants (5) comprend deux aimants (5) réalisés en ferrite. 8. Stator selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que lesdits aimants permanents (5) dudit ensemble ont chacun la 5 même valeur de rémanence. 9 .Stator selon la revendication 8, caractérisé en ce que chaque aimant permanent (5) dudit ensemble est constitué par un plastoaimant. 10. Stator selon la revendication 9, caractérisé en ce que chaque plastoaimant est réalisé en Néodyme-Fer-Bore. 10 11. Stator selon la revendication 9, caractérisé en ce que chaque plastoaimant est réalisé en Samarium-Fer-Azote. 12. Stator selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que chaque aimant permanent (5) dudit ensemble est réalisé en Neolit NO 2F (marque déposée) en particulier compactés à chaud. 15 13. Stator selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisé en ce que lesdits aimants permanents (5) sont maintenus contre ladite culasse (4) au moyen d'agrafes (33). 14. Démarreur (1) comportant une machine électrique tournante munie d'un stator (3) tel que défini selon l'une quelconque des revendications précédentes. 15. Démarreur selon la revendication 14, caractérisé en ce qu'un rapport de réduction dudit démarreur (1) est compris entre 3.5 et 5, et vaut de préférence 4.