Brevet FR3055073A1 — publié le 20180216

Domaine de l'invention La présente invention se rapporte à un module de ma- chine électrique comportant une machine électrique avec un dispositif de bagues collectrices exposé au moins en partie au flux aspiré par un ventilateur. Etat de la technique Les modules de machines électriques comportant une machine électrique et une électronique de puissance combinée à la machine s'utilisent par exemple dans les véhicules automobiles comme démarreur ou comme générateur ou comme ensemble combiné généra- teur-démarreur ou encore dans les machines de récupération dynamique (machines BRM). Ces modules ont, par exemple, une machine électrique à excitation extérieure avec un enroulement de rotor (enroulement d'excitation) et un enroulement de stator et une électronique de puissance en aval de l'enroulement de stator avec un régulateur (par exemple un générateur ou un régulateur de champ) régulant la tension ou le couple générés par la machine électrique. Les machines électriques ou générateurs équipant des véhicules automobiles disposent fréquemment de plus d'un rotor dont l'enroulement est souvent branché électriquement par l'intermédiaire d'un dispositif de bagues de contact. Le dispositif de bagues de contact peut comporter un anneau avec des balais de carbone ; dans ce cas, les contacts frottants, en forme de balais en carbone, tournent sur les bagues de glissement reliées solidairement au rotor et transmettent le courant d'excitation du ou des rotors entraînés. La résistance électrique à la jonction entre la bague collectrice et le contact frottant dissipe de l'énergie produisant l'échauffement du dispositif de bagues de contact. Si le dispositif de bagues de contact atteint une température critique, cela peut entraîner l'usure de la bague de frottement et/ou les contacts glissants, notamment les balais de contact, réduisant considérablement leur durée de vie et aussi celle des bagues collectrices et/ou des contacts frottants. Exposé et avantages de l'invention La présente invention a pour objet un module de ma- chine électrique comportant une machine électrique avec un stator, un 3055073 2 rotor et un dispositif de bagues collectrices ainsi qu'un ventilateur entraîné par le rotor, le dispositif de bagues collectrices du module de machine étant situé au moins en partie dans le chemin de sortie du ventilateur. 5 En d'autres termes, le dispositif de bagues collectrices se trouve côté dépression du ventilateur. L'invention a l'avantage que pendant le fonctionnement du ventilateur, le dispositif de bagues collectrices est traversé par tout le flux d'air aspiré pour être ainsi refroidi par ce flux d'air aspiré. Cela 10 permet de réduire toute élévation non souhaitable de la température du dispositif de bagues collectrices pendant le fonctionnement de la machine électrique, voire éviter toute élévation de température. Cette solution a l'avantage de réduire l'usure du dispositif de bagues collectrices lorsque la machine électrique fonctionne à des températures élevées ou 15 d'éviter totalement une telle usure. En particulier, l'invention a l'avantage d'augmenter la fiabilité ou durée de vie des balais en carbone particulièrement sensibles à l'usure et qui sont souvent utilisés comme contacts frottants car on réduit les élévations non souhaitées de la température et dans 20 certains cas on les évite complètement. Cela permet à l'invention d'augmenter la fiabilité des dispositifs de collecteurs usuels augmenter le coût pour les dispositifs de bagues collectrices qui seraient réalisés en des matières plus coûteuses. De façon avantageuse, le ventilateur se trouve sur le côté 25 B, c'est-à-dire sur le côté non tourné vers l'entraînement. Souvent dans le cas de machines électriques le côté B a un ventilateur pour refroidir le rotor et/ou le stator et qui, selon un mode de réalisation préférentiel, n'est utilisé qu'en même temps pour refroidir le dispositif de bagues collectrices. De façon préférentielle, le rotor et le stator se trouvent côté 30 pression et le dispositif de bagues collectrices se trouvent sur le côté dépression du ventilateur. De manière préférentielle, le ventilateur est solidaire en rotation du rotor. Il s'agit alors d'une forme de réalisation particulièrement simple et robuste. 3055073 3 De manière préférentielle, la machine électrique comporte un module de boîtier qui couvre au moins partiellement le ventilateur et loge au moins partiellement le dispositif de bagues collectrices. Le module de boîtier peut être, par exemple, réalisé sous la forme d'une 5 plaque de raccordement permettant, le montage de l'électronique de puissance sur la machine électrique ou le branchement de cette électronique de puissance. La plaque du module de boîtier peut être réalisée en une seule partie, par exemple, comme pièce en fonte ou encore comme une pièce fraisée et/ou emboutie. 10 En variante, le module de boîtier est en plusieurs parties. Par exemple, le module de boîtier comporte une plaque de raccordement et un panneau de palier qui, combinés, forment le module de boîtier. Le module de boîtier peut être réalisé notamment en matière plastique et/ou en métal. 15 De façon préférentielle, le module de boîtier a, sur sa par- tie couvrant le ventilateur, au moins un élément de guidage du flux d'air et sur sa partie logeant le dispositif de bagues collectrices, au moins une ouverture. L'élément de guidage du flux d'air peut comporter un bec et/ou des lamelles permettant de dévier la veine d'air au moins 20 en partie dans la direction appropriée. En outre, l'élément de guidage du flux d'air et l'ouverture sont installés de façon que le flux d'air aspiré par le ventilateur passe au moins en partie sur le dispositif de bagues collectrices. Dans ces conditions, le module de boîtier d'une part couvre au moins en partie le ventilateur et loge le dispositif de bagues collec- 25 trices et d'autre part, il sert à dévier au moins en partie le flux d'air as- piré du ventilateur de façon que ce flux d'air passe au moins partiellement sur le dispositif de bagues de frottement. De manière préférentielle, au moins un élément de gui- dage d'air et/ou au moins un orifice forment au moins en partie un ca- 30 nal d'air, le canal d'air guidant au moins partiellement le flux d'air aspiré. De façon préférentielle, le module de boîtier se trouve sur le côté du stator non tourné vers le ventilateur. Par exemple, le ventilateur peut être adjacent à un côté au rotor et être couvert de l'autre par 35 le module de boîtier. 3055073 4 De façon préférentielle, le module de machine électrique comporte un générateur d'angle de rotation installé au moins en partie dans le chemin de sortie du ventilateur. Dans le cas de machines électriques, il est habituel d'installer un générateur d'angle de rotation ou 5 son aimant permanent sur l'arbre de rotor. Le champ magnétique géné- ré par l'aimant permanent et tournant avec le rotor, sera saisi et servira à déterminer la position angulaire du rotor. Le refroidissement du générateur d'angle de rotation ou en particulier de son aimant permanent est avantageux car l'aimant permanent se démagnétise aux tempéra- 10 tures élevées. En particulier, cela permet d'éviter des inconvénients techniques d'un champ magnétique de l'aimant permanent affaibli aux températures élevées ce qui complique et rend moins précise la détection de la position du rotor. La détection de la position angulaire et ainsi le fonctionnement comme moteur de la machine électrique ne seraient 15 plus possible aux températures élevées de l'aimant permanent. On a l'avantage important d'éviter efficacement une augmentation de l'erreur angulaire et ainsi une réduction du rendement de la machine électrique. D'une manière particulièrement avantageuse, le module 20 de machine électrique comporte en outre une électronique de puissance qui est au moins en partie exposée au flux d'air aspiré par le ventilateur. En particulier, le détecteur du générateur d'angle de rotation fait partie de cette électronique de puissance. De façon particulièrement préférentielle, l'électronique de 25 puissance comporte un organe de refroidissement qui est au moins en partie exposé au flux d'air généré par le ventilateur. Le ventilateur est installé de préférence entre le stator et le dispositif de bagues collectrices et le ventilateur et le dispositif de bagues collectrices se trouvent entre le stator et l'électronique de puis- 30 sance, accolée, ce qui se traduit par un ensemble particulièrement compact avec un bon effet de refroidissement. Dessins La présente invention sera décrite ci-après, de manière plus détaillée à l'aide d'un exemple de module de machine électrique 35 représenté dans les dessins annexés dans lesquels : 3055073 5 la figure 1 est un schéma isométrique en vue extérieure d'un mode de réalisation préférentiel d'un module de machine électrique, la figure 2 montre une coupe axiale du module de machine électrique selon le mode de réalisation préférentiel de la figure 1, 5 la figure 3 est une vue à échelle agrandie de la zone entourée d'un cadre en traits interrompus à la figure 2, la figure 4A est une vue en perspective du premier côté d'une plaque de branchement correspondant à un mode de réalisation préférentiel, 10 la figure 4B est une vue en perspective du second côté de la plaque de branchement selon un mode de réalisation préférentiel tel que donné à la figure 4A, la figure 5 est une vue en perspective du module de boîtier selon un mode de réalisation préférentiel, 15 la figure 6 est une vue schématique du trajet du flux d'air selon un mode de réalisation préférentiel, la figure 7 est une représentation schématique du trajet du flux d'air correspondant à un autre mode de réalisation préférentiel, la figure 8 est une vue en coupe schématique du trajet du flux d'air 20 correspondant à un autre mode de réalisation préférentiel, la figure 9 est une vue schématique en coupe du trajet du flux d'air correspondant à un autre mode de réalisation préférentiel. Description de modes de réalisation de l'invention La figure 1 montre schématiquement en vue extérieure 25 isométrique, un module de machine électrique 10 selon un mode de réalisation préférentiel. Le module de machine électrique 10 qui est, par exemple, utilisé dans un système de récupération dynamique comporte une machine électrique 12 et un module de boîtier avec une plaque de branchement 14 et une plaque protectrice 15. En outre, le module de 30 machine électrique 10 comporte une électronique de puissance 16 ins- tallée par la plaque de branchement 14 sur la partie de machine électrique 12 en étant couvert par le capot 15. En outre, la figure 1 laisse apparaître le porte-balai 18 de la machine électrique. 3055073 6 La figure 2 montre une coupe longitudinale du mode de réalisation préférentiel du module de machine électrique 10 de la figure 1. La machine 12 comporte un rotor 20 et un stator 22. La machine électrique 12 a un paquet de lamelles 24 sur le stator 22. Ce paquet de 5 lamelles est fixé entre deux panneaux de palier 38. Les panneaux de palier 38 logent également des roulements à billes 26 recevant à rotation le rotor 20 avec son arbre 20a. Selon le mode de réalisation présenté, le rotor 20 comporte des griffes polaires 20b et un bobinage de rotor 20c. L'alimentation du bobinage 20c se fait par un dispositif de bagues 10 collectrices 30. Les contacts ou les balais en carbone du porte-balai 18 ainsi que le dispositif de balais frottants 28 font partie d'un dispositif de bagues de dispositif collecteur 30. Les contacts frottants glissent sur les bagues en cuivre du module de dispositif collecteur 28, solidaire en ro- 15 tation du rotor 20 et conçus pour être montés en même temps que le rotor 20. Un ventilateur 32 est prévu sur les deux côtés des griffes polaires 20b en étant fixé au rotor 20. Les ventilateurs 32 tournent solidairement en rotation avec le rotor 20 et génèrent ainsi le flux d'air né- 20 cessaire au refroidissement du rotor 20, du bobinage 20c et du stator 22. L'arbre de rotor 20a porte en outre un générateur d'angle de rotation 34 qui fournit un signal permettant de déterminer la position du rotor 20. Le générateur d'angle de rotation 34 comporte, par 25 exemple, un aimant permanent 34b (figure 3) installé sur l'arbre de ro- tor 22a ainsi qu'un capteur faisant partie de l'électronique de puissance 16. Le champ magnétique de l'aimant permanent 34b tournant avec le rotor 20 est détecté par le capteur et sert ainsi à déterminer la position angulaire de rotor 20. Suivant le mode de fonctionnement souhaité pour 30 l'unité de machine électrique 10, c'est-à-dire, par exemple, comme géné- rateur ou comme moteur électrique, les bobinages 22a du stator 22 sont alimentés en fonction de la position angulaire du rotor 20. En mode générateur, la puissance mécanique est transformée en puissance électrique pour, par exemple, alimenter le réseau embarqué du véhicule 35 avec un courant électrique. En mode moteur, la puissance électrique est 3055073 7 transformée en puissance mécanique, par exemple, pour fournir un couple supplémentaire pour accélérer le véhicule (Boost). La transmission de la puissance mécanique peut se faire, par exemple, par une poulie à courroie 36, solidaire en rotation de l'arbre de rotor 20a. 5 Une plaque de branchement 14 se trouve entre l'électronique de puissance 16 et la machine électrique 12 (c'est-à-dire dans le raccordement au panneau de palier 38). Cette plaque couvre le ventilateur 32 et relie les phases du stator 22 à l'électronique de puissance 16. La plaque de raccordement 14 reçoit également une partie du 10 dispositif de bagues collectrices 30, notamment le support de balais 18. La plaque de raccordement 14 entoure, à l'aide d'une paroi 14a, le module 28 du dispositif de bagues collectrices 30 ainsi que le générateur d'angle de rotation 34 en protégeant ses composants contre l'entrée de liquides et de saletés. 15 La figure 3 montre une représentation à échelle agrandie de la zone entourée d'un trait interrompu 900 à la figure 2. La figure 3 montre ne particulier une représentation agrandie de l'espace de frottement, c'est-à-dire de la zone dans laquelle se trouve le dispositif de bagues collectrices 30. Le module de bagues collectrices 28 comporte 20 deux bagues collectrices 28a et un enrobage en matière plastique injec- té 28b. Les bagues collectrices 28a sont chacune reliées électriquement à un rail électrique 28c, l'autre extrémité du rail électrique 28c étant reliée à l'extrémité des câbles du bobinage de rotor 20c. Le module de bagues collectrices 28 comporte en outre 25 deux contacts frottants 28d montés coulissants dans le support de ba- lais 18 de façon que ces contacts touchent les bagues collectrices 28a pour transmettre le courant électrique d'excitation des bagues collectrices 28a. Le générateur d'angle de rotation 34 comporte un boîtier 30 34a non conducteur relié par l'aimant permanent 34b et une broche de maintien 34c par laquelle le générateur d'angle de rotation 34 est relié solidairement à l'arbre de rotor 20a, par exemple, par un ajustage serré. La paroi 14a de la plaque de raccordement 14 fait partie du module de boîtier, notamment de la chambre des bagues collectrices 35 14b recevant les bagues collectrices 28a ou entourant celles-ci et proté- 3055073 8 geant de cette manière les bagues collectrices 28a, les contacts frottants 28d et le générateur d'angle 34 contre la pénétration de saletés et de liquides. Les figures 4A et 4B montrent en perspective selon un 5 premier ou un second côté, une plaque de branchement 14 selon un mode de réalisation préférentiel. Il apparaît que la plaque de branchement 14 définit le volume 14b des bagues collectrices par la paroi 14a, pour entourer au moins partiellement le dispositif de bagues collectrices 30 ou le module de bagues collectrices 28. En outre, la plaque de rac- 10 cordement 14 comporte un élément de guidage de flux d'air 14c conçu pour faire passer au moins partiellement le flux d'air aspiré par le ventilateur droit 32 à travers l'espace des bagues collectrices 14b. La figure 5 est une vue en perspective d'un module de boîtier qui, selon la forme de réalisation représentée comporte la plaque 15 de branchement 14 et le panneau de boîtier 38. L'élément de guidage du flux d'air 14c coopère avec le panneau de boîtier 38 pour former un canal d'air 14d qui guide au moins en partie la veine d'air à travers le volume 14b du dispositif de bagues collectrices. Cela permet d'exposer le dispositif de bagues collectrices 30 qui, selon les formes de réalisation 20 présentées se trouve côté basse pression du ventilateur 32, c'est-à-dire dans la zone d'aspiration d'air d'une manière particulièrement efficace au flux d'air aspiré par le ventilateur 32. Cela permet de refroidir efficacement le dispositif de bagues collectrices 30 au moins partiellement, notamment les contacts frottants 28d particulièrement sensibles à la 25 chaleur et/ou les bagues collectrices 28a, d'une manière simple et effi- cace sans nécessiter, pour cela un autre ventilateur, séparé et/ou un organe de refroidissement. La figure 6 est une représentation schématique du tracé de la veine d'air selon une forme de réalisation préférentielle. Le trait 30 discontinu ou la flèche 910 montrent le tracé directionnel du flux d'air selon une forme de réalisation préférentielle. Comme le dispositif de bagues collectrices 30 se trouve sur le côté dépression ou la zone d'aspiration du ventilateur 32, le flux d'air circule à travers le dispositif de bagues collectrices 30 dans la direction du ventilateur 32. L'air est 35 ainsi aspiré latéralement et parcourt tout d'abord principalement 3055073 9 l'intérieur, perpendiculairement à l'arbre de rotor 20a. Le flux d'air passe à travers une ouverture entre la paroi 14a et le générateur d'angle de rotation 34 dans le volume 14b du dispositif des bagues collectrices, et circule parallèlement à l'arbre de rotor 20a à travers l'espace 14b des 5 bagues collectrices en direction du ventilateur 32. Cela permet au flux d'air de passer sur les bagues collectrices 28a et/ou sur les contacts frottants 28d ou/ et sur d'autres composants intéressants du dispositif de bagues collectrices 30 pour en évacuer la chaleur. Le flux d'air (flèche) 910 est ensuite aspiré à travers l'élément de guidage 14c ou le 10 canal d'air 14d en direction du ventilateur. Le cas échéant, le module de machine électrique 10 permet à l'air de passer à la fois par l'électronique de puissance 16 et/ou un organe de refroidissement. La figure 7 est une représentation schématique du trajet de flux d'air selon un mode de réalisation préférentiel. Le trajet du flux 15 d'air est schématisé par les flèches 920. En variante du mode de réali- sation représenté à la figure 6, ici le flux d'air est aspiré à travers un orifice non représenté, entre la paroi 14a et le générateur d'angle de rotation 34. Au lieu de cela, dans le mode de réalisation présenté, la machine électrique comporte des éléments d'aspiration 40 avec des orifices 20 40a traversés par le flux d'air. A titre d'exemple, les éléments d'aspiration 40 comportent des orifices 40a comme des ouvertures par le flux d'air. La figure 8 est une représentation schématique du trajet d'un flux d'air 920 selon un mode de réalisation préférentiel. Le flux 25 d'air est conduit sur l'élément d'aspiration 40 de façon analogue au mode de réalisation de la figure 7. Selon le mode de réalisation représenté à la figure 8, l'élément d'aspiration 40 est réalisé en une seule pièce avec le corps de refroidissement du processeur de puissance 16 ou est moulé sur celle-ci. 30 La figure 9 montre schématiquement le trajet d'un flux d'air 920 selon un autre mode de réalisation préférentiel. Le flux d'air passe sur un élément d'aspiration 40 qui est formé sur le corps de refroidissement de l'électronique de puissance 16. On aspire de façon analogue au mode de réalisation de la figure 8. Le composant de gui- 35 dage d'air peut être à l'extrémité libre de la plaque de raccordement 14 3055073 10 et l'intervalle entre l'élément d'aspiration 40 et de la plaque de branchement 14 est utilisé comme ouverture 14a pour l'entrée d'air. Le congé ou la nervure de réunion peuvent être réalisés comme un labyrinthe pour compliquer la pénétration de saletés. 5 3055073 11 NOMENCLATURE 10 Module de machine électrique 12 Machine électrique 5 14 Plaque de raccordement 14a Paroi 14b Espace des bagues collectrices 14c Elément de guidage du flux d'air 14d Canal d'air 10 15 Capot 16 Electronique de puissance 18 Support de balais 20 Rotor 20a Arbre de rotor 15 20b Griffe polaire 20c Bobinage de rotor 22 Stator 22a Bobinage de stator 24 Paquet de lamelles 20 26 Roulements à billes 28 Module de bagues collectrices 28a Bague collectrice 28b Enrobage de matière plastique 28d Contact frottant 25 30 Dispositif de bagues collectrices 32 Ventilateur 34 Générateur d'angle de rotation 34a Générateur d'angle de rotation / boîtier non conducteur 34b Aimant permanent 30 34c Broche de maintien 38 Panneau de palier Elément d'aspiration 40a Orifices 900 Trait interrompu délimitant une zone qui sera agrandie 35 910 Flèche / flux d'air REVENDICATIONS1°) Module de machine électrique (10) comportant une machine électrique (12) avec un stator (22), un rotor (20) et un dispositif de bagues collectrices (30) ainsi qu'un ventilateur (32) entraîné par le rotor (20), le dispositif de bagues collectrices (30) du module de machine (10) étant situé au moins en partie dans le chemin de sortie du ventilateur (32). 2°) Module de machine électrique (10) selon la revendication 1, caractérisé en ce que le ventilateur (32) est sur le côté B de la machine électrique (12). 3°) Module de machine électrique (10) selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le ventilateur (32) est relié solidairement en rotation au rotor (20). 4°) 3°) Module de machine électrique (10) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu' il comporte en outre un module mono-boîtier, couvrant au moins partiellement le ventilateur (32) et logeant au moins partiellement le dispositif de bagues collectrices (30). 5°) Module de machine électrique (10) selon la revendication 4, caractérisé en ce que le module mono-boîtier comporte au moins un élément de guidage du flux d'air (14c) couvrant le ventilateur (32) et sa partie logeant le dispositif de bagues collectrices (30) comporte une ouverture, l'élément de guidage d'air (14c) et l'ouverture étant disposés pour que la veine d'air aspirée par le ventilateur (32) passe au moins partiellement sur le dispositif de bagues collectrices (30). 6°) Module de machine électrique (10) selon la revendication 5, caractérisé en ce qu' 3055073 14 au moins un élément de guidage de flux d'air (14c) et/ou au moins un orifice forment au moins en partie un canal d'air (14d), le canal d'air (14d) guidant au moins partiellement le flux d'air aspiré. 5 7°) Module de machine électrique (10) selon l'une des revendications 4 à 6, caractérisé en ce que le module de boîtier est sur le côté du ventilateur (32) opposé au stator 10 (22). 8°) Module de machine électrique (10) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte en outre 15 un générateur d'angle de rotation (34) associé au moins en partie au chemin d'aspiration du ventilateur (32). 9°) Module de machine électrique (10) selon l'une des revendications précédentes, 20 caractérisé en ce qu'il comporte en outre une électronique de puissance (16) installée au moins en partie dans le chemin d'aspiration du ventilateur (32). 10°) Module de machine électrique (10) selon la revendication 9, 25 caractérisé en ce que le ventilateur (32) est placé entre le stator (22) et le dispositif de bagues collectrices (30) et le ventilateur (32) et le dispositif de bagues collectrices (30) se trouvent entre le stator (20) et l'électronique de puissance (16), accolée. 30 11°) Module de machine électrique (10) selon las revendication 9 ou 10, caractérisé en ce que l'électronique de puissance (16) comporte un corps de radiateur qui se trouve au moins en partie dans le chemin d'aspiration du ventilateur 35 (32).