Brevet FR3042327A1 — publié le 20170414

SYSTEME DE REFROIDISSEMENT D'UN MOTEUR ELECTRIQUE DESCRIPTION La présente invention se rapporte à un moteur électrique et plus particulièrement à son refroidissement. Les moteurs électriques ont tendance à chauffer en fonctionnement on y ajoute donc des ailettes de refroidissement et/ou un ventilateur. 10 Or, les moteurs utilisés pour produire des effets de retour de force, aussi appelés "force feedback", dans les volants haut de gamme pour jeu vidéo s'échauffent fortement, surtout lorsque l'utilisateur du volant s'oppose aux forces produites par le moteur, par exemple, lorsque le moteur reçoit une consigne d'immobilité de l'arbre du moteur et donc de la 15 roue du volant, et que dans le même temps l'utilisateur s'efforce de tourner la roue du volant car ses efforts sont transmis mécaniquement au moteur. Depuis peu, les moteurs utilisés pour produire les effets de force feedback dans les volants haut de gamme pour jeu vidéo sont des moteurs sans balai. Pour éviter les problèmes causés par la latence thermique, c'est-à- 20 dire le temps de transmission de la chaleur interne vers l'extérieur et pour éviter que la température dégrade le moteur on cesse ou on contre moins les efforts de l'utilisateur ce qui dégrade le réalisme de la force feedback. La puissance du moteur s'en trouve sous-exploitée pour préserver la durée de vie du produit. Ce qui est d'autant plus critique si le moteur a des 25 bobines mobiles donc plus éloignées de la surface du moteur. Par conséquent, la transmission de la chaleur se faisait avec encore plus de retard. Actuellement, il y a deux solutions distinctes utilisées pour résoudre ce problème : 30 - La première est l'utilisation de plusieurs moteurs, agissant de concert, au lieu d'un seul moteur; 3042327 - La seconde est la présence d'un ventilateur externe généralement situé à côté du moteur unique et ventilant des ailettes de refroidissement. Il est également connu d'intégrer un ensemble de pales à l'intérieur d'un moteur électrique sans balai sur le rotor. Mais, cet ensemble de pales est alors fixé à l'arbre du moteur électrique. Et lorsque le moteur est bloqué, ce qui est le plus contraignant pour l'échauffement des bobines, ces pales ne sont pas fonctionnelles. L'utilisation de plusieurs moteurs est coûteuse et complexe à mettre en oeuvre. Le ventilateur externe n'est pas toujours suffisant pour refroidir le moteur et plus précisément certaines zones internes du moteur. La durée de vie du moteur s'en trouve alors réduite. Le ventilateur doit donc être imposant pour compenser en partie sa faible efficacité sans faire trop de bruit. Le carter du volant n'est donc pas compact. Ces solutions de refroidissement par convection externe (ventilateur) ou par conduction (radiateur) ne traitent pas la source de chaleur à savoir la bobine et ne permettent pas de dissiper de manière homogène la chaleur sur chacune des bobines. D'autre part, certains des volants les plus récents ont un moteur sans balai dont le carter est lisse et fourni à l'origine sans ailettes de refroidissement. Sur ce carter on emboîte une pièce tubulaire comportant des ailettes de refroidissement s'étendant radialement. Un ventilateur est alors placé verticalement à distance du moteur de sorte qu'un flux d'air circule sur ces ailettes de refroidissement. Les volants plus anciens ont un moteur à balais dont le carter est lisse mais sur lequel on fixe un radiateur qui s'étend radialement. Un ventilateur vertical ou horizontal est placé à distance du moteur de sorte qu'un flux d'air circule sur ce radiateur. Un moteur sans balai comportant un ensemble de pales fixé à l'arbre du moteur électrique présente l'inconvénient d'une rotation des pales identique à la rotation de l'arbre du moteur (les pales ne peuvent pas 3042327 tourner plus vite que l'arbre, ni en sens inverse). Les pales freinent la rotation du rotor et augmentent donc la consommation du moteur. L'objet de l'invention est de proposer une solution à la fois simple, fiable et peu coûteuse qui permette un refroidissement efficace même 5 lorsque le moteur est bloqué et qu'il chauffe. Le procédé de refroidissement d'un moteur électrique selon l'invention comprend un rotor et un carter et il est caractérisé en ce qu'il consiste en une ventilation forcée d'air extérieur au carter à l'intérieur dudit carter par un ventilateur découplé cinématiquement du rotor. Ainsi de l'air 10 froid extérieur est récupéré à une extrémité du moteur pour être insufflé directement au travers des bobines qui constituent la source de chaleur et expulsé à l'autre extrémité du moteur. On a ainsi une extraction homogène de la chaleur des bobines. Le ventilateur étant découplé cinématiquement du rotor, le système de refroidissement fonctionne donc indépendamment 15 de la vitesse de rotation de l'axe principal du moteur. Avantageusement, un capteur mesure la température à l'intérieur du moteur et cette température détermine la vitesse de rotation du ventilateur. Selon la température détectée, le ventilateur va adapter sa vitesse de rotation. Le ventilateur peut tourner de façon permanente, ou il peut avoir 20 une vitesse de rotation variable selon la température mesurée sur les bobinages du moteur par l'intermédiaire d'un thermistance ( CTN coefficient de température négatif ou CTP coefficient de température positif). Avantageusement, un capteur de courant mesure le courant 25 consommé par le moteur et ce courant mesuré détermine la vitesse de rotation du ventilateur. Selon le courant consommé par le moteur, le ventilateur va adapter sa vitesse de rotation. Le ventilateur peut tourner plus vite si le courant consommé augmente; ou à l'inverse, il peut tourner plus lentement si le courant consommé diminue. La mesure du courant 30 peut être effectuée en insérant une résistance en série sur l'alimentation du moteur (en mesurant la tension aux bornes de cette résistance ou en 3042327 4 mesurant la température de cette résistance) ou bien par l'intermédiaire d'un capteur à effet Hall placé à proximité d'un des fils de l'alimentation du moteur. La mesure par le capteur à effet Hall est plus précise et fiable. Avantageusement, un capteur de position détermine la vitesse de 5 rotation du rotor et cette vitesse détermine la vitesse de rotation du ventilateur. La détection angulaire du volant s'effectue par l'intermédiaire d'un potentiomètre, d'un capteur optique ou d'un capteur à effet Hall mesurant la position angulaire du volant. La mesure peut s'effectuer directement dans l'axe du volant ou sur un étage intermédiaire lié à la 10 rotation du volant (rapport de roue intermédiaire ou axe du moteur). Il est préférable d'effectuer la mesure directement sur l'arbre du moteur (pour régler les phases) car si on effectue la mesure sur un étage intermédiaire, la mesure est moins précise. Le capteur à effet Hall offre une plus grande précision que les autres capteurs, en effet le capteur optique serait moins 15 précis à moins d'utiliser une roue codeuse qui est encombrante. L'arbre traversant permet de placer à l'une des extrémités de l'arbre, à l'extrémité opposée au pignon, un élément d'un ensemble de détection par effet Hall (aimant sur arbre) associé à un capteur à effet Hall sur une carte à circuit(s) imprimé(s) ou PCB (Printed Circuit Board) fixé au carter du 20 moteur. L'aimant peut être incorporé dans le pignon; toutefois, cette solution complique le montage en raison des courroies et de cette carte à circuit(s) imprimé(s), car il est plus facile de monter un sous-ensemble c'est-à-dire un moteur dont l'arbre porte un aimant et qui a une carte à circuit(s) imprimé(s) fixée au carter du moteur. 25 L'invention concerne également un moteur électrique comprenant un stator et un rotor mobile en rotation autour d'un axe xx', un carter et un ventilateur mobile en rotation autour d'un axe yy', il est caractérisé en ce que le ventilateur communique avec l'intérieur du carter et que le ventilateur est découplé cinématiquement du rotor. La rotation du rotor et 30 du ventilateur peut ainsi se faire indépendamment. On peut ainsi avoir un arbre traversant le carter qui permet à une extrémité d'être en liaison 3042327 directe ou indirecte (via un système de pignons et courroies, par exemple) avec un organe de préhension (roue d'uh volant, par exemple). L'autre extrémité de l'arbre peut avoir un capteur de position de l'arbre. Selon un premier mode de réalisation, le ventilateur comprend un 5 rotor de ventilateur et un stator de ventilateur disposés sensiblement radialement à l'axe me et le carter présente une ouverture au droit du ventilateur. Le ventilateur est positionné dans une autre direction que celle du moteur et à l'extérieur du carter, ici sensiblement radialement. L'air circule d'une manière générale au travers des bobines. Le carter du 10 moteur comporte une ouverture par laquelle l'air froid est aspiré et qui est disposée en vis-à-vis du ventilateur. Le rotor de ventilateur et le stator de ventilateur peuvent être disposés dans un boîtier qui sera lui-même relié au carter. Avantageusement, le stator du moteur comporte un bobinage avec 15 des chignons et l'ouverture du carter est disposée à proximité des chignons. Afin de refroidir au mieux le moteur, l'air va entrer à une extrémité du moteur à proximité de la surface de la source de chaleur constituée par l'extrémité des bobinages soit par les chignons pour ressortir de l'autre extrémité axiale. 20 Selon un deuxième mode de réalisation, le ventilateur comprend un rotor de ventilateur et un stator de ventilateur disposés dans le carter. Dans ce mode de fonctionnement optimum, l'air froid est récupéré à une extrémité du moteur pour être insufflé au travers des bobines et expulsé à l'autre extrémité du moteur. On extrait ainsi directement, efficacement et 25 de façon homogène de la chaleur des bobines. Ceci confère une indépendance au ventilateur interne qui permet au- moteur de conserver l'avantage d'un refroidissement homogène des bobines avec un bon refroidissement même à des vitesses de rotation du moteur faibles ou nulles. Le ventilateur ne freine pas la rotation du rotor du moteur. Il est 30 envisageable de ménager un espace entre les bobines et le carter du moteur pour qu'un deuxième flux de refroidissement circule entre les 3042327 bobines et le carter du moteur, le premier flux de refroidissement circulant entre les bobines, il peut par exemple s'agir d'un flux d'air issu du même ventilateur. Avantageusement, l'axe yy' du ventilateur est sensiblement coaxial à 5 l'axe xx'. Le moteur et le ventilateur peuvent être disposés sur un même arbre, de préférence celui du moteur, mais le ventilateur est découplé cinématiquement de l'arbre du moteur. On a ainsi une ventilation forcée à l'intérieur d'un moteur électrique pour réguler sa température interne, grâce au ventilateur intégré. Le corps du moteur électrique comporte des 10 ouvertures disposées d'un côté du carter pour l'entrée de l'air froid et plusieurs évents disposés de l'autre côté du carter pour la sortie de l'air chaud. Le ventilateur interne force l'air à pénétrer dans le carter du moteur et à circuler entre les bobines du moteur. L'air plus chaud s'échappe ensuite par les évents. 15 Avantageusement, le rotor de ventilateur est relié à l'axe xx' par un roulement à billes. L'arbre du moteur est mobile en rotation par rapport au carter du moteur grâce à des roulements placés entre le carter et l'arbre du moteur. Les bobines du ventilateur sont de préférence fixes par rapport au carter du moteur. L'ensemble de pales du ventilateur est mobile en rotation 20 par rapport à l'arbre du moteur électrique. Des roulements sont placés entre l'ensemble de pales et l'arbre du moteur. L'ensemble de pales comprend des aimants qui permettent sa mise en rotation. Le ventilateur est coaxial par rapport à l'arbre du moteur électrique et monté sur des roulements de telle sorte qu'il peut tourner indépendamment de cet arbre. 25 Par conséquent, même lorsque l'arbre du moteur est immobile, le ventilateur peut continuer à tourner pour refroidir le moteur..Le ventilateur peut aussi tourner à une vitesse différente de celle de l'arbre du moteur ou tourner en sens inverse. Les bobines du ventilateur sont également bien refroidies, de la même façon que celles du moteur. 30 Le stator de ventilateur comprend un bobinage fixe par rapport au carter et le carter comporte au moins une ouverture qui s'étend dans un 3042327 7 plan sensiblement orthogonal par rapport à l'axe xx' afin de permettre la circulation de l'air extérieur dans le carter. 11 est possible de faire circuler à l'intérieur du moteur un liquide ou un autre gaz que de l'air pour refroidir le moteur. 5 Il est aussi possible de prévoir que le carter comporte des ailettes de refroidissement s'étendant radialement. L'invention concerne également, un contrôleur de jeu vidéo qui est caractérisé en ce qu'il est équipé d'un moteur électrique avec au moins une des caractéristiques précédentes. On entend par "jeu vidéo", les 10 logiciels de simulation automobile ou aéronautique -pour le divertissement ou l'apprentissage-, et par "contrôleur de jeu vidéo" tout appareil qui permet de contrôler un ou plusieurs éléments d'un jeu vidéo. D'autres avantages pourront encore apparaître à l'homme du métier à la lecture des exemples ci-dessous, illustrés par les figures annexées, 15 donnés à titre d'exemple: - La figure 1 est une perspective d'un contrôleur de jeu, - La figure 2 est une coupe du moteur selon un premier mode de réalisation, - La figure 3 est une perspective éclatée de la figure 2, 20 - La figure 4 est une coupe du moteur selon un deuxième mode de réalisation, - La figure 5 est une perspective éclatée de la figure 4. Le contrôleur de jeu vidéo 1 illustré figure 1 comprend un volant 10 et un moteur électrique rotatif 2 relié au volant 10 par un certain nombre de 2 5 poulies 12 et de courroies 11. Le moteur électrique 2 comprend un rotor 3 solidaire d'un arbre 30 d'axe xx' et un stator 4 avec un bobinage 40 monté sur un carter 41. Dans le cadre de la présente description, on considèrera que le rotor et le stator du moteur peuvent être inversés sans sortir du cadre de la 30 présente invention. Ainsi, dans un moteur électrique, les bobines peuvent être fixes par rapport au carter et le (ou les) aimant(s) mobile(s) par rapport 3042327 au carter, et inversement. Les références de chacun pourront donc être inversées dans les revendications. Le carter 41 comporte un espace intérieur sensiblement cylindrique dans lequel sont disposés le rotor 3 et le stator 4 ; et le carter 41 les 5 supporte et les maintient coaxiaux. L'arbre 30 et le carter 41 sont reliés par des roulements 5 permettant une rotation de l'un par rapport à l'autre. Sur le premier mode de réalisation des figures 2 et 3, le carter 41 comprend une ouverture 410 latérale, c'est-à-dire disposée radialement par rapport à l'axe xx'. Cette ouverture 410 est de préférence située à une 10 extrémité du moteur 2, soit à proximité des chignons 400. Un ventilateur 6 d'axe de rotation yy' est relié au carter 41 radialement et en vis-à-vis de l'ouverture 410, c'est-à-dire que l'axe yy' est sensiblement perpendiculaire à l'axe xx'. Ici, le ventilateur 6 est disposé sous le carter dans un boîtier 60 et comprend des pales 61. Le boîtier 60 15 est fixé au carter 41 par des vis par exemple. Le carter 41 présente également des évents 411 disposés à l'autre extrémité axiale du carter par rapport à l'ouverture 410 et distribués à intervalles réguliers radialement par rapport à l'axe xx'. Dans ce mode de réalisation, l'air extérieur va être aspiré par le 20 ventilateur 6 (flèches E) qui va l'envoyer vers l'ouverture 410 puis vers les chignons 400 et l'ensemble du bobinage 40 et ressortir par des évents 411 (flèches C). Dans le deuxième mode de réalisation des figures 4 et 5, le ventilateur 7 comprend un ensemble de pales 70 et un bobinage propre 71 25 solidaire du carter 41. L'ensemble de pales 70 est relié à l'arbre 30 par des roulements 72 afin de pouvoir tourner librement sur ledit arbre 30. L'ensemble de pales 70 comprend des aimants 701 et des pales 700. Ici l'axe du ventilateur yy' est coaxial avec l'axe xx', mais il pourrait présenter une légère inclinaison par rapport à celui-ci. 30 Les pales 700 de l'ensemble de pales 70 dépassent des aimants 701 de façon à recouvrir au moins partiellement le bobinage 71 pour en 3042327 améliorer le refroidissement et pour avoir une surface de pales la plus grande possible pour optimiser le refroidissement de l'ensemble des bobinages 40 et 71. Le carter 41 présente des ouvertures 412 à une de ses extrémités 5 axiales et des évents 411 à son autre extrémité axiale. Les ouvertures et les évents sont distribués à intervalles réguliers radialement par rapport à l'axe xx'. Les pales 700 sont disposées entre les ouvertures 412 et le bobinage 71. Dans ce mode de réalisation, l'air extérieur va être aspiré par le 10 ventilateur 7 (flèches E) dans les ouvertures 412, puis être envoyé vers les bobinages 71 du ventilateur et 40 du moteur, circuler entre les bobinages 40 et ressortir par des évents 411 (flèches C). Le refroidissement peut se faire soit en faisant tourner le ventilateur 6 ou 7 en permanence de façon à refroidir en permanence le moteur et/ou 15 en changeant sa vitesse quand la température du moteur mesurée par un capteur de température (non représenté) atteint une valeur prédéterminée, soit en le mettant en route quand la température du moteur atteint une valeur prédéterminée. Le ventilateur peut être commandé à partir de la mesure du courant 20 consommé par le moteur. En effet, plus le courant consommé est important, plus la puissance thermique à dissiper sera importante. Le courant consommé par le moteur est mesuré par un capteur de courant (non représenté). La vitesse de rotation du ventilateur peut ainsi être asservie en fonction du courant consommé par le moteur. Lorsque le 25 courant consommé par le moteur augmente, on anticipe une augmentation de la température interne du moteur et on augmente en conséquence la vitesse de rotation du ventilateur. La mesure du courant est effectuée en utilisant un capteur de courant (une résistance ou un capteur à effet Hall). Le ventilateur peut enfin être commandé à partir de la mesure 30 angulaire du volant, et du calcul de la vitesse du moteur. La vitesse de rotation du ventilateur peut ainsi être asservie à la vitesse du moteur. Plus 3042327 10 le moteur tourne vite, plus le ventilateur tourne lentement ; à l'inverse, plus le moteur tourne lentement, plus le ventilateur tourne vite. REVENDICATIONS1. Procédé de refroidissement d'un moteur électrique (2) comprenant un rotor (3, 4) et un carter (41) caractérisé en ce qu'il consiste en une ventilation forcée d'air extérieur au carter (41) à l'intérieur dudit carter (41) par un ventilateur (6, 7) découplé cinématiquement du rotor. 2. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'un capteur mesure la température à l'intérieur du moteur (2) et que cette température détermine la vitesse de rotation du ventilateur (6, 7). 3. Procédé selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'un capteur de courant mesure le courant consommé par le moteur et que ce courant détermine la vitesse de rotation du ventilateur (6, 7). 4. Moteur électrique (2) comprenant un stator (4, 3) et un rotor (3, 4) mobile en rotation autour d'un axe xx' et un carter (41) et un 2 0 ventilateur (6, 7) mobile en rotation autour d'un axe yy', caractérisé en ce que le ventilateur (6, 7) communique avec l'intérieur du carter (41) et que ledit ventilateur (6, 7) est découplé cinématiquement du rotor (3, 4). 5. Moteur électrique (2) selon la revendication précédente, 25 caractérisé en ce que le ventilateur (6) comprend un rotor de ventilateur et un stator de ventilateur disposés sensiblement radialement à l'axe xx' et que le carter (41) présente une ouverture (410) au droit du ventilateur (6). 6. Moteur électrique (2) selon la revendication précédente 3 0 caractérisé en ce que le stator (4) comporte un bobinage (40) avec des 3042327 12 chignons (400) et que l'ouverture (410) est disposée à proximité des chignons (400). 7. Moteur électrique (2) selon la revendication 4, caractérisé en 5 ce que le ventilateur (7) comprend un rotor (70) de ventilateur et un stator (71) de ventilateur disposés dans le carter (41). 8. Moteur électrique (2) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que l'axe yy' du ventilateur (7) est sensiblement coaxial à 10 l'axe xx'. 9. Moteur électrique (2) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le rotor (70) de ventilateur est relié à l'axe xx' par un roulement à billes (72). 10. Contrôleur de jeu vidéo (1) caractérisé en ce qu'il est équipé d'un moteur électrique (2) selon une des revendications 4 à 9. 1520