Brevet FR3072226A1 — publié le 20190412

Motoréducteur compact DOMAINE DE L'INVENTION [0001]Le domaine de l'invention concerne la circulation de fluide à l'intérieur d'un véhicule automobile (par exemple : volets de climatisation, vanne d'eau thermostat, refroidissement des batteries d'un véhicule électrique,...) ou la circulation pilotée d'air venant de l'extérieur (par exemple volet de grille d'air). Il concerne plus particulièrement un motoréducteur compact formé d'un boitier contenant un actionneur électrique et un train d'engrenages réducteur destiné à l'entraînement d'un organe de fermeture hydraulique d'une vanne qui lui est accouplé mécaniquement, par exemple un boisseau ou un papillon. [0002]11 s'agit d'organes nécessitant un couple relativement élevé, de l'ordre de 0,5 Nm, avec un déplacement de quelques dizaines de degrés et une précision de positionnement typique de moins de 5 degrés, ainsi qu'un encombrement minimal. [0003] L'invention se rapporte plus spécifiquement aux motoréducteurs destinés à de tels dispositifs, comprenant un moteur électrique de type sans balai, associé à un train d'engrenages réducteur de vitesse, sous la forme d'une solution très compacte. ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE [0004] Dans l'état de l'art, on connaît la demande de modèle d'utilité chinoise CN201478933 qui décrit un micromoteur à aimant permanent, comprenant un boîtier constitué d'une base et d'un couvercle formant une coque munie intérieurement d'un noyau en fer de stator en forme de Y. Le moteur comprend un rotor avec un aimant permanent, un arbre intermédiaire parallèle à l'arbre de rotor et un arbre de sortie avec une extrémité se prolongeant hors du boîtier. Le noyau de fer de stator présente trois dents avec un pas de dent de 60 degrés, avec deux dents longues entourées par une bobine et une dent courte au milieu. [0005] La demande de modèle d'utilité chinois CN2335297 décrit un moteur électrique et qui est composé d'une partie d'entraînement, un élément d'orientation et -2 une partie de réduction de vitesse. Les pièces polaires d'un stator de la partie d'entraînement sont conçues en arcs asymétriques circulaires, des rainures convexes et concaves des rainures, qui peuvent faire des espaces d'air non uniforme et peuvent changer les conditions magnétiques de distribution du champ. La partie 5 de l'orientation et la partie de réduction de vitesse ont l'avantage de la structure compacte et raisonnable. Le modèle d'utilité peut améliorer les performances de démarrage et le couple de sortie de moteurs miniatures, peut réduire le bruit et peut réduire le volume partiel supplémentaire. [0006] On connaît aussi, par le brevet américain US9168828, un autre actionneur 10 pour une grille d'obturation d'un véhicule. [0007] La demande de brevet européen EP2640590 décrit un autre exemple de dispositif de réglage destiné à régler une entrée d'air d'un compartiment moteur d'un véhicule automobile. [0008] On connaît également dans l'état de la technique la demande de brevet 15 DE102014107900 décrivant un actionneur avec un moteur électrique, en particulier un moteur à courant continu sans balai comportant un stator et un rotor pourvu d'un pignon d'entraînement qui transmet le mouvement à un train d'engrenages avec au moins une roue intermédiaire. [0009] Il est encore connu de réaliser des systèmes de réduction mécanique à 20 engrenages compacts comme par exemple décrit dans le document DE4342185. [0010] Il est encore connu, plus récemment, d'associer des moteurs électriques sans balai à de tels systèmes de réduction compact comme décrit par exemple dans le brevet US8403376. INCONVENIENTS DES SOLUTIONS DE L'ART ANTERIEUR 25 [0011]Ces dispositifs de l'art antérieur ont pour objet de résoudre le problème général de disposer d'un ensemble de réduction mécanique relativement compact. -3 [0012]Cependant, bien que compacts, ces dispositifs ne permettent pas de concilier un encombrement limité avec une empreinte de forme carrée et une faible épaisseur tout en garantissant un couple suffisant à déplacer des organes tels des volets. Particulièrement, dans le cas de l'actionnement de volets de thermorégulation dans 5 un véhicule automobile, le marché demande des ensembles motoréducteurs toujours plus nombreux et petits impliquant une empreinte réduite par rapport à l'état de l'art existant, tout en garantissant un couple d'actionnement suffisant à déplacer le volet. [0013]Ainsi, les solutions de l'état de l'art utilisant des réducteurs compacts présentant au moins deux ensembles pignons/roue dentée par axe porteur ne 10 permettent pas de remplir les demandes imposées dans ce type d'applications où une meilleure intégration entre le moteur et le réducteur doit être réalisée, notamment en intégrant ces éléments dans un seul boitier relativement plat et étroit par rapport aux solutions existantes. SOLUTION APPORTEE PAR L'INVENTION 15 [0014] La présente invention vise à pallier les inconvénients de l'état de la technique en proposant un motoréducteur associant de manière astucieuse un moteur électrique sans balai et un ensemble d'engrenages réducteur de mouvement, dans une empreinte carrée et dans une faible hauteur. [0015]A cet effet, l'invention concerne selon son acception la plus générale un 20 motoréducteur formé d'un boitier, comprenant un moteur électrique comportant un ensemble statorique et un rotor entrainant un train d'engrenages réducteur présentant une pluralité d'étages intermédiaires formés chacun d'un axe accouplé à une roue dentée et à un pignon denté, et un étage de sortie formé d'un axe accouplé à une roue et un organe d'accouplement, les axes du rotor, desdits étages 25 intermédiaires et de ladite roue de sortie étant parallèles, ledit motoréducteur comportant en outre un circuit imprimé positionné transversalement au-dessus dudit stator. Ladite roue de l'étage de sortie est positionnée au-dessus d'une partie dudit stator, les axes desdits étages intermédiaires étant situés dans la zone du boîtier -4 située du côté opposé, par rapport à un plan vertical transversal, de la zone comprenant l'axe dudit rotor et de l'axe de ladite roue de sortie. [0016]Avantageusement, ledit ensemble statorique présente au moins deux extensions statoriques sous forme de pôles portant chacune une bobine, et une zone 5 semi-annulaire de fermeture et en ce que ladite roue de l'étage de sortie est positionnée au-dessus d'une partie d'au moins une desdites extensions statoriques et desdites bobines. [0017] Avantageusement, le motoréducteur selon l'invention comprend : - un moteur électrique comportant un ensemble statorique à extensions statoriques 10 sous forme de pôles décalées deux à deux de 60° et une zone de fermeture semiannulaire s'étendant sur 240° et un rotor entrainant un train d'engrenages réducteur présentant une pluralité d'étages intermédiaires formés chacun d'un axe accouplé à un pignon et à une roue, et un étage de sortie formé d'un axe accouplé à une roue et un organe d'accouplement, ledit motoréducteur comportant en outre un circuit 15 électronique muni d'au moins une sonde électromagnétique pour la détection du flux magnétique généré par le rotor, positionné transversalement au-dessus dudit stator, - ladite roue de l'étage de sortie est positionnée au-dessus de l'une desdites extensions statoriques, - les axes desdits étages intermédiaires étant situés sur un arc dans la zone du 20 boîtier complémentaire à la zone comprenant le rotor et l'axe de l'étage de sortie, ladite zone étant située du côté opposé, par rapport à un plan vertical transversal, de la zone comprenant l'axe dudit rotor et de ladite roue de sortie. [0018] De préférence, le ratio entre la longueur et la largeur dudit boîtier sans connecteur ni organe de fixation étant compris entre 0,8 et 1,2. 25 [0019]Selon un mode de réalisation particulier, le circuit électronique est muni d'au moins une sonde magnétosensible pour la détection du flux magnétique généré par le rotor, -5 [0020] De préférence, le circuit imprimé présente une découpe pour le passage de la roue du 2ème étage intermédiaire. [0021] Avantageusement, le circuit imprimé présente une sonde magnétosensible additionnelle, positionnée en regard de la zone de déplacement d'un aimant 5 permanent fixé à la surface inférieure de ladite roue de l'étage de sortie. [0022] Selon une variante, le circuit imprimé s'étend transversalement dans la zone comprenant l'axe dudit rotor et de ladite roue de sortie. [0023] Selon un mode de réalisation particulier, le couvercle et/ou le fond du boîtier présente des protubérances creuses formant les paliers de guidage des axes dudit 10 rotor, desdits étages intermédiaires et dudit axe de l'étage de sortie. [0024] De préférence, lesdites protubérances sont entourées de nervures dont l'une au moins est orientée selon la direction des efforts latéraux appliqués à l'axe correspondant. [0025]Selon un mode de réalisation préféré, le rapport de réduction d'un étage est 15 compris entre 3 et 6. [0026]Selon un autre mode de réalisation avantageux, le rapport de réduction total est compris entre 200 et 600. DESCRIPTION DETAILLEE D'UN EXEMPLE NON LIMITATIF DE REALISATION [0027] La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui 20 suit concernant un exemple non limitatif de réalisation se référant aux dessins annexés où : - la figure 1 représente une vue de dessous d'un mécanisme de motoréducteur selon l'invention, - la figure 2 représente une vue de côté d'un mécanisme de motoréducteur 25 selon l'invention, - 6 - - la figure 3 représente une vue d'un motoréducteur et de son boîtier sans couvercle et sans circuit imprimé selon l'invention avec un moteur triphasé, - la figure 4 représente une vue d'un motoréducteur et de son boîtier sans couvercle selon l'invention, 5 - la figure 5 représente une vue en perspective du boîtier d'un motoréducteur selon l'invention, - la figure 6 représente une vue en perspective de l'intérieur du boîtier d'un motoréducteur selon l'invention, - la figure 7 représente une vue de dessous et en perspective du couvercle du 10 boîtier d'un motoréducteur selon l'invention, - la figure 8 représente une vue en détail de la liaison électrique entre l'ensemble statorique et le circuit imprimé, - la figure 9 représente une vue d'un motoréducteur et de son boîtier sans couvercle et sans circuit imprimé selon l'invention avec un moteur diphasé, 15 - la figure 10 représente une vue de coupe d'un motoréducteur selon l'invention comprenant un capteur de position de la roue de sortie, - la figure 11 représente une vue en perspective d'un boitier sans couvercle avec vue d'un stator vissé, - la figure 12 représente une vue de dessus d'un moteur sans couvercle avec 20 une vue du circuit imprimé. DESCRIPTION DE LA CHAINE CINEMATIQUE [0028] Le motoréducteur illustré par les figures annexées comprend un moteur sans balai présentant dans l'exemple décrit trois phases électriques, composé d'un rotor (1) muni d'aimants permanent, tournant autour d'un axe (2), et d'un ensemble 25 statorique (3) présentant plusieurs pôles formés de dents radiales dont ici trois pôles (4 à 6) longs portant chacun des bobines (7 à 9) dont les axes de bobinage sont -7 espacés d'un angle mécanique de 60° s'étendant radialement et prolongés par une zone annulaire dentée (10) s'étendant sur 240°. Il s'agit ici d'un cas, non limitatif, où le moteur utilisé est un moteur triphasé. Les dents radiales courtes prolongeant radialement cette zone annulaire dentée (10) constituent des pôles non bobinés. 5 [0029] La figure 9 montre un cas de réalisation où un moteur diphasé est utilisé. L'ensemble statorique (3) ne présente que deux pôles (6, 7) portant des bobines, ici avec un angle de 90° entre chacune des bobines. La topologie du moteur n'est pas limitative dans la présente invention. [0030] Le motoréducteur comprend dans l'exemple de la figure 3 trois étages de 10 réduction intermédiaires (100, 200, 300) formés chacun par un couple constitué par une roue dentée respectivement (102, 202, 302) et un pignon denté respectivement (103, 203, 303) montés de manière fixe sur un axe respectivement (101, 201, 301) et un étage de sortie (400) formé d'un axe (401) accouplé à une roue (402) et un organe d'accouplement. L'étage d'entrée est formé par le pignon (13) qui engrène la 15 roue dentée (102), formant au final un réducteur à quatre étages. [0031]Les taux de réduction sont respectivement de 4,3 ; 3,5 ; 3,8 et 5,2 soit un rapport de réduction total d'environ 300. [0032] L'axe du rotor (1) et l'axe de sortie (401) sont disposés d'un côté d'un plan transversal (500), alors que les trois axes des étages intermédiaires (101, 201, 301) 20 sont disposés de l'autre côté de ce plan transversal (500). Cette disposition permet d'exploiter au mieux l'espace disponible pour réaliser un rapport de réduction élevé dans une section réduite, et avec un rapport de forme proche d'un carré. [0033] Un circuit imprimé (20) supporte les composants d'alimentation et de pilotage du moteur électrique. Les bobines (7 à 9) sont reliées au circuit imprimé (20) par des 25 liaisons de type « press-fit » sans soudure. Une sonde magnétosensible est disposée sur l'une des faces du circuit imprimé (20) en regard de la surface frontale du rotor (1) pour capter le champ magnétique produit par les aimants permanents et fournir un signal de commande. Une autre sonde magnétosensible est disposée sur -8 le circuit imprimé (20), en dessous de la roue de sortie (402) munie d'un aimant permanent, pour fournir un signal représentatif de la position de la roue de sortie. [0034]Comme visible sur la figure 2, l'ensemble statorique (3) et la roue (302) du troisième étage (300) sont disposés en dessous du circuit imprimé (20), alors que la 5 roue (102) du premier étage (100) et la roue de sortie (402) sont disposées au- dessus du circuit imprimé (20). La roue (202) du deuxième étage (200) est placée dans le plan du circuit imprimé (20), dont le bord est découpé pour permettre le passage de cette roue (202). [0035]Comme visible en figure 3, l'ensemble est placé dans un boîtier (30) de 10 section proche d'un carré, avec un bord périphérique (35), qui peut optionnellement être muni d'un joint d'étanchéité, ou être soudé par laser au boîtier (30). Le boîtier présente trois pattes de fixation (31 à 33) traversées par un trou pour le passage d'un rivet ou d'un boulon pour la fixation du boitier à une structure d'accueil dans l'application. 15 [0036]11 présente également un prolongement latéral (34) formant un connecteur pour le passage des raccordements électriques. Le raccordement électrique est effectué par des conducteurs rigides recourbés (61 à 64), visibles en figure 6, dont les extrémités intérieures sont connectées par une insertion forcée (de type « press-fit ») sur le circuit imprimé (20). 20 [0037] Le boîtier (30) reçoit un couvercle (40), visible en figure 5, percé pour la mise en place d'un palier (42) annulaire pour le passage de l'axe de sortie (401) présentant une couronne intérieure crénelée (41), servant d'organe d'accouplement à un élément pour la fermeture d'une vanne par exemple. [0038] Visible en figure 6, le fond du boîtier (30) présente des paliers (71, 72) pour le 25 guidage des axes (1, 401) respectivement du rotor (2) et de la roue de sortie (402), ainsi que des paliers (73 à 75) pour le guidage des axes (101, 201, 301) des étages intermédiaires (100, 200, 300). - 9 - [0039]Comme illustré par la figure 4, le circuit imprimé (20) présente un trou pour le passage de l'axe (401) de la roue de sortie, ainsi qu'une découpe latérale pour le passage de la roue (202) du second étage. 5 MISE A LA MASSE DU STATOR [0040]Pour réaliser la mise à la masse électrique de l'ensemble statorique (3), l'actionneur comporte un ressort (52) métallique en contact avec un côté de l'ensemble statorique (3) entre deux pôles (6, 7). Le fond du boitier (30) présente une surface étagée ou inclinée, pour former une zone de réception de l'extrémité 10 inférieure (54) du ressort qui n'est pas parallèle au plan transversal. Cette configuration conduit à un flambage du ressort, lorsqu'il est mis sous contrainte, ce qui force un contact mécanique et donc électrique entre les spires du ressort (52) et la surface extérieure de l'ensemble statorique (3). [0041] Du côté opposé, le ressort (52) vient en contact avec une piste conductrice du 15 circuit imprimé (20), qui est relié à la masse. [0042] Lors de la mise en place du circuit imprimé (20), celui-ci vient s'appuyer sur le ressort (52) et le mettre en compression, assurant ainsi une bonne liaison électrique et mécanique entre la culasse de l'ensemble statorique (3) et une piste conductrice (non montrée) reliée à la masse. 20 [0043] Le fond du boîtier (30) présente aussi des ailettes (76 à 78) pour le calage des pôles statoriques (4 à 6) ainsi que des zones d'appui (79, 80) sur lesquelles vient s'appuyer l'ensemble statorique (3). [0044] En figure 7, le couvercle (40) présente un rebord périphérique (43) qui vient s'appuyer de manière étanche contre la bordure (35) du boîtier (30). Le couvercle 25 (40) présente plusieurs protubérances dont un palier (42) annulaire pour le guidage de l'axe (401) de la roue de sortie (402). Ce palier annulaire (42) est entouré de nervures (44 à 48), servant de raidisseurs mécaniques, orientées radialement, selon les directions privilégiées des efforts s'exerçant sur la roue de sortie (402). -10- [0045] Le couvercle (40) présente en outre un palier (90) pour le guidage de l'axe (2) du rotor (1) ainsi que des paliers (91 à 93) pour le guidage des axes (101, 201, 301) des étages intermédiaires (100, 200, 300). [0046] Le palier (92) présente un prolongement semi-tubulaire (94) permettant 5 l'insertion de l'axe (201). [0047] La figure 10 présente un cas de réalisation où la roue de sortie (402) intègre, solidairement, un aimant permanent (601) qui sert à la détection de la position de la roue de sortie (402). En regard de l'aimant (601) est positionnée une sonde magnétosensible (600), sur le circuit imprimé (20), détectant les variations du champ 10 magnétique (en intensité ou en direction) émis par l'aimant (601) en fonction de la position dudit aimant (601). Idéalement, mais de manière non limitative, l'aimantation de l'aimant (601) dans sa direction et/ou amplitude sera choisie afin de permettre une variation linéaire du signal délivré par la sonde magnétosensible (600) en fonction de la rotation de la roue de sortie (402). 15 [0048] La figure 11 montre une vue isolée du boitier (30) avec l'ensemble statorique (3) sur lequel ont été surmoulé, par une matière injectable de type plastique par exemple, les bobines électriques (7 à 9) d'un moteur, ici triphasé. L'ensemble statorique (3) surmoulé est ainsi vissé au boitier (30) à l'aide des vis (95, 96), permettant ainsi de rendre solidaire l'ensemble statorique (3) au boitier (30) et 20 conférer une résistance aux vibrations mécaniques pouvant s'exercer sur le motoréducteur pendant son fonctionnement. [0049] La figure 12 permet d'apprécier la fixation du circuit imprimé (20) au boitier (30) à l'aide de vis de fixation (97, 98), au-dessus de l'ensemble statorique (3) et avant le montage des engrenages du réducteur. Là aussi, cette fixation permet au 25 motoréducteur d'avoir une résistance aux vibrations mécaniques pouvant s'exercer REVENDICATIONS1 - Motoréducteur formé d'un boitier (30), comprenant un moteur électrique comportant un ensemble statorique (3) et un rotor (1) entrainant un train d'engrenages réducteur présentant une pluralité d'étages intermédiaires (100, 200, 300) formés chacun d'un axe (101, 201, 301) accouplé à une roue dentée (102, 202, 302) et à un pignon denté (103, 203, 303), et un étage de sortie (400) formé d'un axe (401) accouplé à une roue (402) et un organe d'accouplement (41), les axes (2, 101, 201, 301, 401) du rotor, desdits étages intermédiaires (100, 200, 300) et de ladite roue de sortie (402) étant parallèles, ledit motoréducteur comportant en outre un circuit imprimé (20) positionné transversalement au-dessus dudit ensemble statorique (3), caractérisé en ce que ladite roue (402) de l'étage de sortie (400) est positionnée au-dessus d'une partie dudit ensemble statorique (3), les axes desdits étages intermédiaires (100, 200, 300) étant situés dans la zone du boîtier (30) située du côté opposé, par rapport à un plan vertical transversal (500), de la zone comprenant l'axe (2) dudit rotor (1) et de l'axe (401) de ladite roue de sortie (402). 2 - Motoréducteur selon la revendication 1 caractérisé en ce que ledit ensemble statorique (3) présente au moins deux extensions statoriques sous forme de pôles (4, 5) portant chacune une bobine (7, 8), et une zone semi-annulaire de fermeture (10) et en ce que ladite roue de l'étage de sortie (400) est positionnée au-dessus d'une partie d'au moins une desdites extensions statoriques (4, 5) et desdites bobines (7, 8). 3 - Motoréducteur formé d'un boitier (1) selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comprend : - un moteur électrique comportant un ensemble statorique (3) à trois extensions statoriques sous forme de pôles (4, 5, 6) décalées deux à deux de 60° et une zone de fermeture semi-annulaire (10) s'étendant sur 240° et un rotor (1) entrainant un train d'engrenages réducteur présentant une pluralité d'étages intermédiaires (100, 200, 300) formés chacun d'un axe (101, 201, 301) accouplé à un pignon (102, 202, 302) et à une roue (102, 202, 302), et un étage de sortie -12- (400) formé d'un axe accouplé à une roue et un organe d'accouplement, ledit motoréducteur comportant en outre un circuit électronique muni d'au moins une sonde électromagnétique pour la détection du flux magnétique généré par le rotor, positionné transversalement au-dessus dudit stator, 5 - ladite roue de l'étage de sortie (400) est positionnée au-dessus de l'une desdites extensions statoriques, - les axes desdits étages intermédiaires (100, 200, 300) étant situés sur un arc dans la zone du boîtier complémentaire à la zone comprenant le rotor et l'axe de l'étage de sortie (400), ladite zone étant située du côté opposé, par rapport à un 10 plan vertical transversal (500), de la zone comprenant l'axe (2) dudit rotor (1) et de ladite roue de sortie (402). 4 - Motoréducteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que le ratio entre la longueur et la largeur dudit boîtier (1) sans connecteur ni organe de fixation est compris entre 0,8 et 1,2. 15 5 - Motoréducteur selon la revendication 1 caractérisé en ce que ledit circuit imprimé (20) est muni d'au moins une sonde magnétosensible pour la détection du flux magnétique généré par le rotor, 6 - Motoréducteur selon la revendication 1 caractérisé en ce que ledit circuit imprimé (20) est positionné dans un plan au-dessus de la zone comprenant 20 l'ensemble statorique (3) et la roue (302) du Sème étage intermédiaire (300), et au-dessous de la zone comprenant la roue (102) du ter étage intermédiaire (100) et de la roue de sortie (402). 7 - Motoréducteur selon la revendication 1 caractérisé en ce que ledit circuit imprimé (20) présente une découpe pour le passage de la roue (202) du 2ème 25 étage intermédiaire (200). 8 - Motoréducteur selon la revendication 1 caractérisé en ce que ledit circuit imprimé (20) présente une sonde magnétosensible additionnelle, positionnée en -13- regard de la zone de déplacement d'un aimant permanent fixé à la surface inférieure de ladite roue de l'étage de sortie (400). 9 - Motoréducteur selon la revendication 1 caractérisé en ce que ledit circuit imprimé (20) s'étend transversalement dans la zone comprenant l'axe (2) dudit 5 rotor (1) et de ladite roue de sortie (402). 10 - Motoréducteur selon la revendication 1 caractérisé en ce que le couvercle (40) présente des protubérances creuses formant les paliers (90 à 93) de guidage des axes dudit rotor (1), desdits étages intermédiaires (100, 200, 300) et dudit axe (401) de l'étage de sortie (400). 10 11 - Motoréducteur selon la revendication précédente caractérisé en ce que lesdites protubérances sont entourées de nervures (44 à 48) dont l'une au moins est orientée selon la direction des efforts latéraux appliqués à l'axe correspondant. 12 - Motoréducteur selon la revendication 1 caractérisé en ce que le rapport de réduction de chaque étage (100, 200, 300) est compris entre 3 et 6. 15 13 - Motoréducteur selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comprend trois étages intermédiaires (100, 200, 300) et en ce que le rapport de réduction total est compris entre 200 et 600.