Brevet FR3059175A1 — publié le 20180525

Domaine de l'invention La présente invention se rapporte à une installation de commutation de machine électrique comportant un dispositif de balais équipé de plusieurs balais dont les faces frontales s'appliquent contre la surface enveloppe d'un collecteur ayant des lamelles de collecteur sépa- rées par des fentes entre les lamelles. Etat de la technique On utilise des installations de commutation pour trans- mettre le courant dans les machines électriques vers les enroulements d'un induit rotatif. L'installation de commutation comporte un rotor de commutateur ou collecteur, côté induit, ainsi que des balais en carbone en contact avec la surface enveloppe du collecteur. Le collecteur est formé d'une périphérie subdivisée en lamelles entre lesquelles il y a des fentes ou intervalles pour séparer électriquement les lamelles du collec- teur. Les conducteurs des enroulements d'induit sont reliés aux la- melles de collecteur. Le document DE 100 58 872 A 1 décrit une installation de commutation comportant des balais qui ont une arête située à l'avant selon le sens de circulation avec des fentes de lamelles inclinées. Cette disposition doit garantir que les balais au cas où l'arbre de rotor tourne en sens inverse, soit orienté par leur arête inclinée, située à l'amont, pour ne pas arriver brusquement mais progressivement en contact avec les lamelles suivantes pour diminuer l'usure et le bruit occasionné. But de l'invention L'invention a pour but de développer une installation de commutation pour transmettre et appliquer le courant à une machine électrique, notamment un moteur électrique à rotor intérieur tel que, par exemple, un moteur électrique de démarreur pour une installation de démarreur de moteur à combustion interne. L'invention a également pour but d'appliquer une telle installation à des moteurs à courant con- tinu avec des aimants d'excitation permanente ou des électroaimants. Exposé et avantages de l'invention L'installation de commutation selon l'invention comporte un rotor de commutateur (ou collecteur), côté induit, qui est relié à l'arbre de rotor de la machine électrique et tourne avec l'arbre de rotor. 3059175 2 Le collecteur alimente les bobines de l'induit installées autour de l'arbre de rotor. L'installation de commutation comporte en outre un dispositif de balais équipé de plusieurs balais dont les faces frontales sont appliquées contre la surface enveloppe du collecteur sous l'effet d'une force 5 de ressort. Les balais sont électro-conducteurs ; il s'agit, par exemple, de balais en carbone ; l'alimentation électrique du collecteur et ensuite des bobines de l'induit se fait ainsi par l'intermédiaire des balais. Le collecteur comporte plusieurs lamelles de collecteur, à sa périphérie. Les lamelles sont réparties, et reliées électriquement chaque fois à une bo- 10 bine. Les lamelles voisines du collecteur sont séparées les unes des autres par des fentes. Au moins un balai et de préférence tous les balais ont une face frontale tournée vers le collecteur avec une arête de contact en saillie, orientée en biais par rapport aux fentes entre les lamelles du col- 15 lecteur. La transmission de la force à partir du balai vers le collecteur se fait par l'intermédiaire de l'arête de contact, par le contact réduit du balai avec la surface enveloppe du collecteur. L'arête de contact s'étend contre la face frontale du balai et a une surface de section réduite par rapport à la face frontale globale. 20 En particulier, si l'on utilise de nouveaux balais, on a un contact défini, en saillie, avec le collecteur. L'arête de contact forme une partie en relief dépassant de la face frontale du balai d'essuie-glace de sorte que les segments suivants, travaillant directement avec l'arête de contact n'ont aucun contact avec le collecteur par la face frontale des 25 balais. Globalement, grâce à l'arête de contact du balai, on aura globa- lement un comportement défini électriquement, souhaité, de l'installation de commutation et de la machine électrique ainsi équipée. L'arête de contact est inclinée par rapport aux fentes entre les lamelles du collecteur. Ainsi, l'arête de contact fait un certain 30 angle avec les fentes entre les lamelles. Cela s'applique à la fois à des réalisations dans lesquelles les lamelles du collecteur et les fentes entre les lamelles sont parallèles à l'axe longitudinal du rotor de la machine électrique et aussi à des réalisations avec des lamelles de collecteur et des fentes entre les lamelles qui sont inclinées par rapport à l'axe longi- 35 tudinal du rotor. L'arête de contact est dimensionnée par son épaisseur, 3059175 3 sa longueur et sont inclinaison par rapport aux fentes entre les lamelles pour que ces fentes soient chevauchées par l'arête de contact pendant la rotation de l'arbre de rotor et du collecteur. Cette réalisation a l'avantage que lors de la rotation du 5 collecteur, les balais appliqués contre la surface enveloppe du collecteur et qui sont notamment sollicités par la force d'un élément de ressort exerçant une force radiale sur la surface enveloppe du collecteur, ne pénètrent pas dans les fentes entre les lamelles, mais conservent une position radiale constante par rapport à la surface enveloppe du collec- 10 teur pendant sa rotation. L'arête de contact est ainsi appliquée en per- manence en contact avec la surface enveloppe des lamelles de collecteur. Il n'y a pas de mouvement radial des balais pendant la rotation du collecteur qui pourrait développer un bruit gênant par l'enfoncement et le mouvement inverse dans les fentes entre les la- 15 melles. De plus, cela réduit les contraintes mécaniques exercées sur les balais et sur le collecteur. Du fait de l'usure de la partie en saillie de l'arête de con- tact par rapport aux zones environnantes de la face frontale du balai d'essuie-glace, en fonction de la durée d'utilisation, cette usure se ré- 20 duit jusqu'à ce que l'arête de contact soit enlevée et que la face frontale du balai s'appuie partiellement ou complètement en surface contre la surface enveloppe du collecteur. Indépendamment du degré d'usure actuel de l'arête de contact, elle pourra chevaucher la fente entre les lamelles de collecteur, ce qui évite tout enfoncement gênant dans les 25 fentes entre les lamelles. Selon un développement avantageux, l'arête de contact est rectiligne. Mais on peut également envisager des modes de réalisation avec des arêtes de contact non rectilignes et en particulier des arêtes de contact courbes ayant une courbure constante ou variable. 30 Selon un développement avantageux, la largeur maximale de l'arête de contact correspond à la largeur de la fente entre les lamelles. Malgré cette largeur relativement faible de l'arête de contact, grâce à sa position inclinée, quelle que soit la position angulaire relative du collecteur par rapport au balai, cette fente entre les lamelles sera 35 chevauchée par l'arête de contact. 3059175 4 Selon un autre développement avantageux, l'arête de contact forme avec les fentes entre les lamelles un angle minimum, par exemple, égal à 10° ou au moins 20°. Selon un autre développement avantageux, l'arête de contact forme avec les fentes des lamelles, un 5 angle maximum défini qui est, par exemple, égal à 30° maximum. Selon un autre développement avantageux, l'arête de contact fait corps avec le balai. L'arête de contact est réalisée lors de la réalisation du balai et forme sur la surface frontale du balai d'essuie-glace, une partie en relief, qui dépasse. Toute la face frontale du balai d'es- 10 suie-glace peut être composée d'une, de deux ou de plus de surfaces inclinées ; l'arête de contact se situe de préférence à la ligne d'intersection entre deux surfaces inclinées. Selon un autre développement avantageux, le balai a une surface de section rectangulaire et l'arête de contact est orientée en dia- 15 gonale ou sensiblement en diagonale au niveau de la face frontale du balai. Dans le cas d'une extension en diagonale, l'arête de contact a sa longueur maximale au niveau de la face frontale du balai. Dans le cas d'une disposition en diagonale de l'arête de contact sur la face frontale du balai, les côtés longitudinaux du balai peuvent être parallèles aux 20 fentes des lamelles. Selon une variante de réalisation, l'arête de contact est parallèle aux grands côtés du balai rectangulaire et elle passe notamment au milieu de la face frontale du balai. Dans cette réalisation, le balai est incliné par rapport aux lamelles du collecteur et aux fentes 25 entre les lamelles de sorte que l'arête de contact sera orientée en biais par rapport aux fentes des lamelles. Selon un développement avantageux, le balai a la forme d'un balai à une couche, fabriqué en une matière uniforme et en variante, le balai est un balai à plusieurs couches avec avantageusement 30 une couche de puissance et une couche de commutation dont la résis- tance électrique est différente. L'arête de contact peut passer le cas échéant le long de la ligne de séparation entre les couches du balai (balai à plusieurs couches). 35 3059175 5 Dessins La présente invention sera décrite ci-après, de manière plus détaillée, à l'aide d'exemples de réalisation de l'invention représentés dans les dessins annexés dans lesquels : 5 la figure 1 montre un dispositif de démarrage d'un moteur à com- bustion interne représenté en coupe longitudinale, équipé d'un moteur électrique de démarreur dont les bobines d'induit sont alimentées en courant par l'intermédiaire d'une installation de commutation, 10 la figure 2 est une vue de la face frontale d'un balai de l'installation de commutation avec une arête de contact orientée en biais, la figure 3 est une vue en coupe selon la ligne III-III du balai de la figure 2, la figure 4 montre une installation de commutation avec un balai 15 d'essuie-glace dont l'arête de contact est inclinée pour chevaucher les fentes entre les lamelles voisines du collecteur, la figure 5 est une vue correspondant à la figure 4 d'une installation de commutation avec un balai disposé en biais et ayant une arête de contact droite. 20 Dans les différentes figures on a utilisé les mêmes réfé- rences pour désigner les mêmes composants. Description de modes de réalisation de l'invention La figure 1 montre un dispositif de démarreur 1 d'un mo- teur à combustion interne comportant un moteur électrique de démar- 25 reur 4 comme machine électrique logée dans un boîtier 2 ayant un panneau de palier 3 côté avant. L'arbre de rotor 5 du moteur de démarreur 4 entraîne un arbre d'entraînement 11 par l'intermédiaire d'une transmission planétaire 6. L'arbre d'entraînement 11 porte un organe d'entraînement 8 d'une installation de roue libre 7, de façon coulissante 30 axialement tout en étant couplé à l'arbre d'entraînement 11 dans le sens de rotation. L'organe d'entraînement 8 s'appuie par des galets 9 contre une collerette 10 faisant corps avec le pignon de démarreur 12. Par un mouvement axial d'avancée, le pignon de démarreur 12 passe de sa position de repos en retrait dans une position avancée, de prise avec 35 la couronne dentée du moteur à combustion interne. 3059175 6 Le mouvement axial d'avancée du pignon de démarreur 12 est commandé par un relai de démarreur 13, électromagnétique, comportant un induit coulissant 14, mobile axialement, couplé à une fourchette 15. Le mouvement d'actionnement axial de l'induit coulissant 5 14 bascule la fourchette 15 montée dans le boîtier qui déplace l'organe d'entraînement 8, y compris le pignon de démarreur 12, dans la direction axiale. Le moteur électrique de démarreur 4 est un moteur à ro- tor intérieur comportant un induit 16 solidaire en rotation de l'arbre de 10 rotor 5. L'induit est équipé des bobines d'excitation électrique. Les bo- bines de l'induit 16 sont alimentées par l'intermédiaire d'une installation de commutation 17. Le champ électromagnétique généré par les bobines électriques de l'induit coopère avec le champ magnétique des aimants permanents 18 portés par le côté intérieur du stator entourant 15 l'induit. L'installation de commutation 17 comporte plusieurs dispositifs de balai 19 sous la forme d'unité balai-ressort, qui comportent, côté boîtier, un balai 20 en carbone et un ressort de balai 21. L'installation de commutation 17 comporte en outre un collecteur 22 20 côté induit. Les balais en carbone 20 sont poussés radialement contre la surface enveloppe du collecteur 22 par la force développée par le ressort de balai 21. Les balais en carbone 20 et les ressorts de balai 21 sont logés avantageusement dans des supports de balai (carquois) solidaires du boîtier du moteur de démarreur. Un ensemble de six unités 25 ressort-balai 19 sont répartis régulièrement en périphérie. Le collecteur 22 tournant avec l'arbre de rotor 5 comporte un ensemble de lamelles répartis à sa périphérie ; ces lamelles sont séparées les unes des autres, électriquement, chaque fois par une fente de lamelles. Les lamelles, y compris les fentes intercalaires sont parallèles 30 les unes aux autres et parallèles à l'axe longitudinal du rotor de la ma- chine électrique 4. La figure 2 montre la face frontale d'un balai 20 poussé par la force d'un élément de ressort, radialement contre la surface enveloppe du collecteur. La face frontale 23 a une arête de contact 24 qui 35 dépasse de la face frontale 23 au moins par rapport à la zone marginale 3059175 7 latérale de la face frontale. L'arête de contact 24 forme ainsi sur la face frontale 23, la partie qui en dépasse. L'arête de contact 24 a un tracé sensiblement en diagonale de la face frontale 23 du balai 20 de section rectangulaire. L'arête de contact 24 fait corps avec le balai 20. 5 L'arête de contact 24 est une arête rectiligne de la face frontale 23 et par rapport au grand côté de balai de forme rectangulaire, elle fait un angle compris entre une valeur minimale et une valeur maximale, par exemple entre au moins 10° par rapport au côté longitudinal et au maximum égale, par exemple à 30°. 10 La figure 4 montre une partie d'une machine électrique 4 comportant une installation de commutation 17 ayant un collecteur 22 tournant avec l'arbre de rotor et plusieurs balais 20. Les balais sont poussés chacun par un élément de ressort, radialement en direction de la surface enveloppe du collecteur 22. Les balais 20 sont réalisés 15 comme dans l'exemple des figures 2 et 3 ; ils ont une arête de contact 24 orientée en diagonale qui constitue la partie en relief venant en contact avec les lamelles de collecteur 25. Les lamelles de collecteur 25 sont séparées les unes des autres chaque fois par une fente 26. Les lamelles de collecteur 25 et les fentes 26 sont parallèles à l'axe longitudi- 20 nal 27 du rotor. L'arête de contact 24 de la face frontale chevauche par sa position inclinée, les fentes 26 entre les lamelles de sorte que dans chaque position relative du collecteur 22, tournant par rapport à un balai 20, la fente entre deux lamelles 26 est chevauchée et le segment de 25 l'arête de contact 24 s'applique contre la lamelle de collecteur 25 voisine de la fente de lamelle 26 en cours de chevauchement. Cela garantit que les balais 20 ne plongent pas dans les fentes 26 lorsque le collecteur 22 tourne. La figure 5 montre une variante de réalisation d'une ins- 30 tallation de commutation 17 d'une machine électrique 4. Selon la figure 5, les balais 20 ont une arête de contact 24 en saillie et inclinée par rapport à la direction des lamelles de collecteur 25 et des fentes 26 en chevauchant ainsi les fentes (26) entre les lamelles quelle que soit la position angulaire de rotation du collecteur 22. Toutefois, comme l'arête 35 de contact 24 orientée parallèlement au grand côté du balai 20, a une 3059175 8 section rectangulaire elle passe au milieu entre la face frontale du balai 20. Le balai 20 est globalement positionné de façon inclinée pour que les grands côtés du balai 20 fassent un angle par rapport aux fentes de lamelles 26. 5 3059175 9 NOMENCLATURE DES ELEMENTS PRINCIPAUX 1 Dispositif de démarreur 2 Boîtier 5 3 Panneau de palier 4 Machine électrique / moteur de démarreur 5 Arbre de rotor 6 Transmission planétaire 7 Dispositif de roue libre 10 8 Organe d'entraînement 9 Galet d'appui 10 Collerette de galet 11 Arbre d'entraînement 12 Pignon de démarreur 15 13 Relai de démarreur 14 Induit coulissant 15 Fourchette / élément de transmission 16 Induit 17 Installation de commutation 20 18 Aimant permanent 19 Dispositif de balais / unité ressort-balai 20 Balai 21 Ressort de balai 22 Collecteur 25 23 Côté frontal 24 Arête de contact 25 Lamelle de collecteur 26 Fente entre deux lamelles 27 Axe longitudinal du rotor 30 REVENDICATIONS1°) Installation de commutation de machine électrique (4) comportant un dispositif de balais (19) équipé de plusieurs balais (20) dont les faces frontales (23) s'appliquent contre la surface enveloppe d'un collecteur (22) ayant des lamelles (25) séparées par des fentes (26), installation caractérisée en ce que la face frontale (23) d'au moins un balai (20) forme une arête de contact (24) venant en saillie et orientée en biais par rapport aux fentes (26) entre les lamelles de collecteur (25). 2°) Installation de commutation selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'arête de contact (24) est droite. 3°) Installation de commutation selon les revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que le balai (20) a une surface de section de forme rectangulaire et son arête de contact (24) est orientée en diagonale par rapport à la face frontale (23) du balai (20). 4°) Installation de commutation selon les revendications 1 et 2, caractérisée en ce que le balai (20) a une surface de section rectangulaire et l'arête de contact (24) est orientée parallèlement à l'arête longitudinale du balai (20). 5°) Installation de commutation selon les revendications 1 à 4, caractérisée en ce que les côtés longitudinaux des balais (20) de forme rectangulaire, ont des surfaces de section, parallèles aux fentes (26) entre les lamelles. 6°) Installation de commutation selon les revendications 1 à 5, caractérisée en ce que les grands côtés des balais (20) à surface de section rectangulaire sont orientés en biais par rapport aux fentes (26) entre les lamelles. 30 35 3059175 11 7°) Installation de commutation selon les revendications 1 à 6, caractérisée en ce que les lamelles de collecteur (25) et les fentes (26) entre les lamelles sont parallèles à l'axe longitudinal (27) du rotor de la machine électrique (4). 5 8°) Installation de commutation selon les revendications 1 à 7, caractérisée en ce que l'arête de contact (24) fait corps avec le balai d'essuie-glace (20). 10 9°) Installation de commutation selon les revendications 1 à 8, caractérisée en ce que l'arête de contact (24) fait avec la fente (26) entre les lamelles, un angle égal au maximum à 30°. 15 10°) Installation de commutation selon les revendications 1 à 9, caractérisée en ce que la largeur de l'arête de contact (24) est au maximum égale à la largeur de la fente (26) entre les lamelles. 20 11°) Installation de commutation selon les revendications 1 à 10, caractérisée en ce que l'angle de l'arête de contact (24) est dimensionné par rapport aux fentes (26) entre les lamelles pour que l'arête de contact (24) chevauche la fente (26) entre les lamelles. 25 12°) Machine électrique, notamment moteur de démarreur, comportant une installation de commutation (17) selon l'une quelconque des revendications 1 à11.30