Brevet FR3029705A1 — publié le 20160610

Domaine de l'invention La présente invention se rapporte à une machine élec- trique ayant un stator et un rotor dont les enroulements de rotor sont alimentés par des balais coulissant dans un porte-balai ainsi qu'avec un dispositif d'équilibrage de potentiel agissant entre l'arbre de rotor et le potentiel de masse de la machine électrique, ce dispositif d'équilibrage ayant au moins un élément de contact frottant s'appliquant d'un côté par une surface de contact à un corps de contact relié à l'arbre de rotor et relié électriquement de l'autre côté au potentiel de masse de la machine électrique. Etat de la technique Les machines électriques s'utilisent dans de multiples domaines d'application pour l'entraînement ou comme générateur. Les véhicules automobiles utilisent de plus en plus des machines élec- triques dans des systèmes dits de récupération dans lesquels les ma- chines électriques ont à la fois une fonction motrice et une fonction de récupération d'énergie. Les machines électriques équipées d'un stator et d'un ro- tor qui peut être à excitation extérieure ou excitation propre, peuvent être équipées de générateurs d'angle de rotation solidaires du rotor et ayant pour fonction de transmettre la position angulaire du rotor à une commande de la machine électrique. Il est connu que des tensions d'arbre se développent sur l'arbre de rotor pendant le fonctionnement de la machine électrique et ces tensions génèrent une différence de tension avec la masse de la ma- chine et peuvent résulter de différentes causes. L'une des causes est par exemple la commande cadencée de l'enroulement de stator ou de l'enroulement de rotor avec un signal à modulation de largeur d'impulsion. Cette cause génère des tensions d'arbre d'autant plus éle- vées que la tension de l'alimentation du réseau embarqué élevée est la tension de fonctionnement de la machine électrique. Une autre cause possible est que les charges électrosta- tiques se traduisent par des tensions d'arbre qui produisent des charges électrostatiques, par exemple une machine électrique fonction- 3029705 2 nant comme générateur et entraînée par une courroie, dégage une charge électrique du rotor par l'intermédiaire de la courroie. La décharge des tensions d'arbre produites de façon im- pulsionnelle par un palier, de préférence par le palier à roulement à 5 billes côté entrée, permet une évacuation sous forme impulsionnelle à travers le palier. On peut avoir une érosion par les arcs dans la région de la surface du palier, ce qui risque d'endommager le palier. Des décharges spontanées par le palier du rotor peuvent se produire notamment en cas de défaillance de l'effet d'isolation de la graisse du palier 10 sous la forme d'un courant impulsionnel de sorte que la sollicitation permanente du palier endommage celui-ci et réduit considérablement sa durée de vie. En outre, une décharge impulsionnelle des porteurs de charge de l'arbre de rotor génère des ondes électromagnétiques qui in- 15 fluencent négativement la compatibilité électromagnétique du produit. En particulier, cela peut empêcher le fonctionnement sans incident sur les appareils électriques qui se trouvent à proximité. Selon le document DE 35 11 755 A 1 on connaît un dis- positif pour évacuer les tensions d'arbre des machines électriques. Ce 20 dispositif évacue les porteurs de charge de l'arbre de rotor par l'intermédiaire d'un élément de contact frottant. Pour cela, entre l'arbre de rotor et la masse de la machine, on a une capacité efficace à laquelle on peut ajouter une inductance en série. Le dispositif pour évacuer les tensions d'arbre peut être appelé dispositif d'équilibrage de potentiel car 25 il équilibre le potentiel entre la masse et l'arbre de rotor. Le document DE 101 18 004 A 1 décrit un générateur de courant alternatif comportant des moyens pour éliminer l'électricité statique accumulée dans le rotor et dont l'enroulement du rotor est relié à l'arbre du rotor par une résistance ohmique. 30 Exposé et avantages de l'invention La présente invention a pour but d'éviter les inconvénients de l'état de la technique et a ainsi pour objet une machine électrique du type défini ci-dessus caractérisée en ce que l'élément de contact frottant du dispositif d'équilibrage de potentiel est intégré dans le porte-balais et s'applique par sa surface de contact contre une sur- 3029705 3 face de frottement électro-conductrice, reliée au potentiel électrique de l'arbre de rotor et faisant partie d'un générateur d'angle de rotation installé sur l'arbre de rotor et tournant avec cet arbre de rotor. La machine électrique selon l'invention a l'avantage que 5 le dispositif à élément de contact frottant servant à évacuer les tensions d'arbre et qui est dans le porte-balais de la machine électrique, simplifie considérablement le montage de l'élément de contact frottant. La combinaison avec le générateur d'angle de rotation servant d'organe de contact qui a une surface de glissement contre laquelle s'applique l'élément 10 de contact se traduit également par une disposition globalement très peu encombrante pour le dispositif d'équilibrage de potentiel. De plus, aucun moyen de montage supplémentaire n'est nécessaire pour installer l'organe de contact car le générateur d'angle de rotation est de toute façon sur l'arbre de rotor et est ainsi au potentiel de référence du rotor. 15 Le générateur d'angle de rotation a, de préférence un corps symétrique en rotation, en métal ou dont au moins la surface est métallisée si bien que la surface périphérique du générateur d'angle de rotation convient comme surface de frottement pour l'élément de contact frottant. 20 D'une manière particulièrement avantageuse, l'élément de contact frottant du dispositif d'équilibrage de potentiel est logé dans le porte-balais sous la forme d'un balai supplémentaire coulissant. L'élément de contact frottant est ainsi réalisé comme les autres balais dans le porte-balais et il est monté de sorte que pour réaliser l'élément 25 de contact frottant, il ne faut aucun composant réalisé spécialement. La réalisation du porte-balais est particulièrement com- pacte avec l'élément de contact frottant grâce aux balais montés en série. La surface de frottement électro-conductrice pour 30 l'élément de contact frottant du dispositif d'équilibrage de potentiel est dans le cas le plus simple une surface périphérique cylindrique du boîtier du générateur d'angle de rotation. Si le générateur d'angle de rotation est relié par un arbre de liaison coaxial à l'arbre de rotor, la surface périphérique de l'arbre de 35 liaison constitue directement la surface de glissement électro- 3029705 4 conductrice pour l'élément de contact frottant du dispositif d'équilibrage de potentiel. Cela nécessite certes une zone de contact réduite, librement accessible sur l'arbre de liaison pour que l'élément de contact frottant puisse être appliqué contre la surface périphérique de l'arbre de 5 liaison. L'arbre de liaison a un diamètre relativement petit si bien que sa surface périphérique et ainsi la surface de frottement correspondante aura une vitesse périphérique faible lorsque l'arbre de rotor sera en rotation. Ainsi, l'usure de l'élément de contact frottant et aussi celle 10 de la surface de frottement est particulièrement faible. Selon la forme de réalisation du générateur d'angle de rotation, la surface de frottement du générateur d'angle de rotation sera orientée de façon inclinée par rapport à la direction axiale de l'arbre de rotor. L'élément de contact frottant a, dans ces conditions, une surface 15 de contact orientée de manière correspondante. Ainsi, le balai de con- tact qui forme l'élément de contact frottant est en saillie perpendiculairement à la surface de frottement pour réaliser le contact optimum entre la surface de frottement et le balai. La surface de frottement peut être constituée par un re- 20 vêtement ayant un coefficient de frottement faible par rapport à la sur- face de contact du balai. Cela réduit considérablement l'usure du balai et de la surface de frottement. La surface de frottement du générateur d'angle de rota- tion peut également être réalisée par une bague de frottement installée 25 sur le générateur d'angle de rotation, par exemple sur son boîtier ou sur son arbre de liaison. Cela permet ainsi de réaliser une surface de frottement ayant des propriétés de contact et de frottement optimales et cela même si le matériau du boîtier du générateur d'angle de rotation n'a pas de propriété optimale de contact. 30 La surface de frottement de l'élément de contact peut être constituée avantageusement d'un alliage de cuivre. En liaison avec un balai usuel comme élément de contact frottant, un alliage de cuivre offre de très bonnes propriétés de contact et de frottement. Le montage de l'élément de contact frottant comme balai 35 d'essuie-glace dans un porte-balais nécessaire de toute façon pour ali- 3029705 5 menter l'enroulement de rotor se traduit non seulement par un dispositif d'équilibrage de potentiel particulièrement peu encombrant mais permet également de réaliser une liaison électrique directe avec le potentiel de masse de la machine électrique par un élément de contact dé- 5 passant du porte-balais. Ainsi, pour réaliser la liaison de la masse entre l'arbre de rotor et la masse il n'y a aucun câblage de sorte que cette mise en contact du dispositif d'équilibrage de potentiel n'entraîne pas de coût de montage supplémentaire. Dessins 10 La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide d'une machine électrique avec équilibrage du contact de masse, représentée dans les dessins annexés dans lesquels : la figure 1 est une vue d'ensemble d'une machine électrique, la figure 2 est une coupe longitudinale de la machine électrique de 15 la figure 1, la figure 3 montre l'agrandissement d'un détail de la figure 2 dans la région du porte-balais avec l'élément de contact frottant supplémentaire, la figure 4 est une vue en perspective du porte-balais représenté en 20 coupe à la figure 2 et à la figure 3, la figure 5 est une vue en coupe du porte-balais avec une variante de réalisation de l'élément de contact frottant intégrée en plus dans le porte-balais, et la figure 6 montre une autre variante de réalisation avec une bague 25 de frottement contre laquelle s'applique l'élément de contact frot- tant intégré en plus dans le porte-balais. Description de modes de réalisation La figure 1 est une vue d'une machine électrique 1 dont la partie de machine 2 a un stator recevant un rotor couché. Côté en- 30 traînement, l'arbre de rotor porte une poulie à courroie 3 qui transmet le couple à l'aide d'une courroie non représentée. Du côté de la machine électrique 1 à l'opposé de la poulie à courroie 3, la partie de boîtier 4 comporte les installations électriques pour commander la machine électrique 1. La figure 1 montre également l'emplacement d'un 35 porte-balais 5. 3029705 6 La coupe longitudinale de la figure 2 montre de manière détaillée la structure de la machine électrique 1. La partie de machine 2 se compose principalement du stator 6 et du rotor 7 dont l'arbre 8 est monté à rotation dans un palier à roulement 9 côté entraînement et un 5 palier à roulement 10 du côté opposé. Les panneaux de palier 11, 12 qui font partie du boîtier de la machine reçoivent les paliers à roulement 9, 10. Dans l'exemple de réalisation représenté, le rotor 7 a des griffes polaires 13. L'enroulement de rotor 14 est alimenté par 10 l'intermédiaire du porte-balais 5 pour générer un champ magnétique. Le boîtier 15 du porte-balais 5 loge des balais 16-18 montés coulissants et soumis à un ressort ; les balais 16 et 17 assurent l'alimentation de l'enroulement de rotor 14. Le balai 18 est appelé, de façon générale, élément de contact frottant 19 ; il sert à évacuer les tensions ondulées 15 appliquées à l'arbre de rotor 8. Les balais 16, 17 frottent sur les bagues de frottement en cuivre 20, 21 reliées électriquement à l'enroulement de rotor 14. En revanche, le balai 18 et sa surface de contact 22 viennent contre la surface de contact d'un générateur d'angle de rotation 23 relié à l'arbre de rotor 8. 20 Le générateur d'angle de rotation 23 tourne avec le rotor 7 et permet de donner la position angulaire du rotor 7 pendant le fonctionnement. Le générateur d'angle de rotation 23 comporte par exemple un aimant permanent dont le champ magnétique est détecté par une installation électrique non détaillée pour être exploitée et donner la po- 25 sition du rotor. Selon le mode de fonctionnement souhaité de la ma- chine électrique, l'enroulement 24 du stator 6 est alimenté en fonction de la position angulaire du rotor 7. En mode moteur, la puissance électrique est transformée en puissance mécanique, par exemple pour fournir un couple servant à accélérer un véhicule alors qu'en mode 30 générateur, la puissance mécanique est transformée en puissance élec- trique pour alimenter par exemple le réseau embarqué du véhicule. La transmission de la puissance mécanique se fait par l'intermédiaire de la poulie à courroie 3 solidaire en rotation de l'arbre de rotor 8. A la figure 2, une ligne en trait-point 25 entoure l'extrait 35 représenté à échelle agrandie à la figure 3. 3029705 7 La figure 3 montre les balais 16-18 logés dans le boîtier 15 du porte-balais 5, selon une disposition en série dans la direction axiale de l'axe 8 du rotor. Le balai d'essuie-glace 16 constitue par exemple le contact négatif alors que le balai 17, le contact positif de 5 l'enroulement de rotor 14. Les bagues de frottement 20, 21 sont ainsi la bague de frottement négative 20 et la bague de frottement positive 21 reliées par des rails électriques 26, 27 et le câble de raccordement 28, 29 à l'enroulement de rotor 14. Le générateur d'angle de rotation 23 a un aimant perma- 10 nent 31 logé dans un boîtier 30 et servant d'élément générateur pour le générateur d'angle de rotation 23. Le générateur d'angle de rotation 23 est fixé par un arbre de liaison 32 en saillie, co-axialement côté frontal à l'extrémité de l'arbre de rotation 8. Le balai 18 servant d'élément de contact frottant 19 s'applique sous l'effet d'un ressort de compression 15 33 de manière précontrainte dans le canal de guidage 34 du porte- balais 5. Le ressort de compression 33 pousse le balai 18 et sa surface de contact 22 contre la surface de frottement 35 du boîtier cylindrique 30 du générateur d'angle de rotation 23. Le balai 18 est relié électriquement par un cordon en cuivre 36 à un élément de contact 37 ; 20 l'élément de contact 37 est relié électriquement à une pièce 38 condui- sant à la masse. Cette pièce fait partie de l'électronique de puissance ou de la masse de la machine ou du boîtier de la machine. Dans le cas de l'exemple de réalisation représenté à la fi- gure 3, le boîtier 30 du générateur d'angle de rotation 23 est en un ma- 25 tériau électro-conducteur ou a au moins une surface électro- conductrice de sorte que la surface de frottement 35 est reliée électriquement par l'arbre de liaison 32 à l'arbre de rotor 8 de préférence en acier. Ainsi, les tensions ondulées qui se produisent sur l'arbre de rotor 8 peuvent être éliminées par le dispositif d'équilibrage de potentiel for- 30 mé du générateur d'angle de rotation 23, du porte-balais 5 et de l'élément de contact 37. Le dispositif d'équilibrage de potentiel relie l'arbre de rotor 8 en permanence à la masse de sorte qu'il ne peut y avoir de pointes de tension, accentuées sur l'arbre de rotor 8 qui pourrait endommager les paliers. 3029705 8 Le porte-balais 5 représenté à la figure 4 loge dans un boîtier 15, les balais 16-18 disposés en rangée, et qui n'apparaissent ici que dans la région de leur surface de contact 40, 41 et 22. La surface de contact 22 du balai 18 servant d'élément de contact frottant 19 pour 5 évacuer les tensions de l'arbre de rotor est en retrait par rapport aux autres surfaces de contact 40, 41 de sorte que le balai 18 demande moins de matériaux que les balais 16, 17. Le petit côté du boîtier 15 comporte une ouverture 42 pour recevoir l'élément de contact 37 apparaissant à la figure 3. Des 10 anneaux de contact 43, 44 réalisent la liaison électrique avec les balais 16, 17. Dans la variante de réalisation de l'invention représentée à la figure 5, le générateur d'angle de rotation 23 a son arbre de liaison 32 librement accessible pour réaliser le contact avec le balai d'essuie- 15 glace 18. L'arbre de liaison 32 est un arbre enfiché dont la surface péri- phérique forme la surface de frottement 35 pour la surface de contact 22 du balai 18. Dans ce mode de réalisation, l'usure dans la région de la surface de frottement 35 et de la surface de contact 22 est plus faible que dans la réalisation des figures 2 et 3 car les vitesses périphériques 20 au niveau de la surface de frottement 35 sont plus réduites. La variante de réalisation représentée à la figure 6 est en développement de celle de la figure 5 en ce que l'arbre de liaison 32 porte une bague de frottement 45 qui permet de réduire encore plus l'usure dans la région du contact frottant par le choix approprié du ma- 25 tériau de la bague de frottement. La bague de frottement 45 peut être réalisée en un alliage de cuivre et être fixée par un montage serré sur l'arbre de liaison 32. 30 3029705 9 NOMENCLATURE DES ELEMENTS PRINCIPAUX 1 Machine électrique 2 Partie de machine 5 3 Poulie à courroie 4 Partie de boîtier 5 Porte-balais 6 Stator 7 Rotor 10 8 Arbre de rotor 9 Palier à roulement à billes 10 Palier à billes 11, 12 Panneau de palier 13 Griffe polaire 15 14 Enroulement de rotor 15 Boitier du porte-balai 16, 17, 18 Balai d'alimentation de l'enroulement 19 Elément de contact frottant 20, 21 Bague de frottement en cuivre 20 22 Surface de contact 23 Générateur d'angle de rotation 24 Enroulement de stator 25 Ligne en traits interrompus 26, 27 Rail électrique 25 28, 29 Câble électrique 30 Boîtier cylindrique 31 Aimant permanent 32 Axe de liaison 33 Ressort de compression 30 34 Canal de guidage du porte-balais 35 Surface de frottement 36 Cordon en cuivre 37 Elément de contact 38 Composant de mise à la masse 35 40, 41 Surfaces de contact 3029705 42 Ouverture 43, 44 Bagues de contact 45 Bague de frottement 10 5 REVENDICATIONS1°) Machine électrique ayant un stator (6) et un rotor (7) dont les enroulements de rotor (14) sont alimentés par des balais (16, 17) coulissant dans un porte-balais (5) ainsi qu'avec un dispositif d'équilibrage de po- tentiel agissant entre l'arbre de rotor (8) et le potentiel de masse de la machine électrique (1), ce dispositif d'équilibrage ayant au moins un élément de contact frottant (19) s'appliquant d'un côté par une surface de contact (22) à un corps de contact relié à l'arbre de rotor (8) et de l'autre côté il est relié électriquement au potentiel de masse de la ma- chine électrique (1), machine électrique caractérisée en ce que l'élément de contact frottant (19) du dispositif d'équilibrage de potentiel est intégré dans le porte-balais (5) et s'applique par sa surface de contact (22) contre une surface de frottement (35) électro-conductrice, re- liée au potentiel électrique de l'arbre de rotor (8) et faisant partie d'un générateur d'angle de rotation (23) installé sur l'arbre de rotor (8) et tournant avec cet arbre de rotor (8). 2°) Machine électrique selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'élément de contact frottant (19) est logé dans le porte-balai (5) comme balai supplémentaire (18) monté coulissant. 3°) Machine électrique selon la revendication 2, caractérisée en ce que tous les balais (16-18) sont alignés en rangée, avec décalage axial dans le porte-balais (5) suivant l'arbre de rotor (8). 4°) Machine électrique selon la revendication 1, caractérisée en ce que la surface de frottement (35) de l'élément de contact frottant (19) est une surface périphérique cylindrique du boîtier (30) du générateur d'angle de rotation (23). 3029705 12 5°) Machine électrique selon la revendication 1, caractérisée en ce que la surface de frottement (35) de l'élément de contact frottant (19) est la surface périphérique d'un axe de liaison (32) reliant co-axialement le 5 générateur d'angle de rotation (23) à l'arbre de rotor (8). 6°) Machine électrique selon la revendication 1, caractérisée en ce que la surface de frottement (35) et la surface de contact (22) de l'élément de 10 contact frottant (19) s'appliquant contre cette surface sont orientées avec un angle par rapport à la direction axiale de l'arbre de rotor (8). 7°) Machine électrique selon la revendication 1, caractérisée en ce que 15 le balai (18) appliqué contre la surface de frottement (35) est perpendi- culaire à la surface de glissement (35). 8°) Machine électrique selon la revendication 1, caractérisée en ce qu' 20 un revêtement qui a un faible coefficient de frottement par rapport à la surface de contact (22) du balai (18) qui s'applique sur celle-ci, constitue la surface de frottement (35). 9°) Machine électrique selon la revendication 1, 25 caractérisée en ce que le générateur d'angle de rotation (23) ou un arbre de liaison (32) relié à celui-ci porte une bague de frottement (45) constituant la surface de frottement (35). 30 10°) Machine électrique selon la revendication 1, caractérisé en ce que la surface de frottement (35) est réalisée en un alliage de cuivre. 35