Brevet FR3083387A1 — publié le 20200103

"FABRICATION D'UN DISPOSITIF DE DISTRIBUTION DE PUISSANCE ELECTRIQUE MULTIPHASEE" [0001] L'invention porte sur un dispositif de distribution de courant pour une machine électrique sans balais. [0002] On rappelle que les machines électriques sans balais, ou machine synchrone auto-pilotée à aimants permanents, forment une famille de machines électriques fonctionnant, vu de l'extérieur, avec une alimentation en courant continu, un système électronique de commande convertissant la puissance électrique continue en une puissance électrique alternative diphasée ou triphasée. Pour les puissances modérées le système électronique de commande est intégré dans le moteur, alors que pour les puissances puis élevées, il constitue un onduleur externe. [0003] Les moteurs sans balais sont, pour une puissance donnée, légers et peu encombrants, et ils permettent des vitesses de rotation élevées. Ainsi, leurs performances justifient un intérêt croissant pour ces moteurs au cours des dernières années. [0004] Ces moteurs sont utilisés pour les outils portatifs, tels que perceuses, visseuses, tondeuses, débroussailleuses ou compacteuses, en robotique ou dans des modèles réduits comme les avions ou les voitures radioguidés, dans les lecteurs de disques des ordinateurs, ou également dans le domaine de l'automobile : les machines électriques de traction sont souvent des machines sans balais. On les utilise aussi pour les vélos électriques. [0005] Leur structure est caractérisée par l'absence de connexion électrique sur le rotor. La machine est constituée d'aimants permanents répartis à la périphérie du rotor et d'un bobinage multiphasé sur le stator, source d'un champ magnétique tournant. [0006] Dans certaines conceptions, le stator est en périphérie et le rotor est central. L'inertie du rotor en général faible, et les vitesses atteintes par ce type de moteur peuvent atteindre 10000tr/min. [0007] Dans d'autres conceptions, le stator est central, tandis que le rotor, en forme de cloche, tourne autour du stator. Cette dernière configuration est intéressante en termes de couple moteur, car les aimants sont disposés sur un diamètre important, ce qui crée un bras de levier en conséquence. 2 [0008] Dans les deux cas, sous l'effet du champ magnétique tournant créé par les bobines du stator, le rotor suit de manière synchronisée. Le système est muni d'un capteur de position du rotor, afin d'assurer son autopilotage. [0009] Les moteurs sans balais offrent comparativement aux moteurs avec balais, les 5 avantages d'une moindre usure du fait de l'absence de pièces d'usures, un faible dégagement de poussières, et l'absence d'échauffements mécaniques liés à ces frottements. Il y a aussi moins de nuisance sonore. [0010] On s'intéresse en particulier aux dispositifs de distribution de puissance électrique amenant la puissance électrique vers la machine, ou quand celle-ci fonctionne en 10 génératrice, collectant et exportant la puissance créée. [0011] On est intéressé par la mise au point de dispositifs aisément adaptables au type de moteur précis. Des moteurs peuvent être proposés par gamme de moteurs d'un même fournisseur, variant au sein de la gamme par leurs dimensions et leur puissance. Il est intéressant de pouvoir avec une même série de composants de base, équiper différents 15 moteurs d'une même gamme, ou proches en conception. [0012] Pour cela il est proposé un procédé de fabrication d'un dispositif de distribution de puissance électrique multiphasée pour une machine électrique sans balais. [0013] Le procédé comprend une étape de disposition d'éléments conducteurs indépendants comprenant chacun une piste formant un arc de cercle de même rayon, en 20 sorte de définir des contacts électriques sur différents secteurs angulaires pour la machine à équiper, puis une étape de surmoulage des éléments conducteurs indépendants disposés avec un matériau thermoplastique formant support pour la machine électrique sans balais. [0014] Le procédé est basé sur la génération préalable de barres de connexion ou 25 éléments conducteurs indépendants pour améliorer l'assemblage et la fiabilité de l'assemblage et de l'exploitation. L'assemblage se fait avec très peu d'outils. [0015] L'usage de moyens versatiles offre une compatibilité entre des modèles de dimensions proches, de puissances différentes, pour lesquels il est néanmoins possible de conserver certaines pièces, notamment des crochets pour fixation du dispositif de 30 distribution aux bobinages du moteur et les terminaux de connexion, configurés pour interagir avec l'interface utilisateur. Ces technologies (bobinage et interface) sont typiquement constantes chez un même constructeur de moteurs. 3 [0016] Du fait du surmoulage, le recouvrement de surface est limité aux seules parties en interface avec des éléments externes (interface client, interface bobinage), ce qui induit une diminution du recours à des processus de traitement de surface contaminants. [0017] Le produit final peut de plus être 5 à 7% plus léger que des produits équivalents 5 sur le marché. [0018] Selon des caractéristiques avantageuses et optionnelles : [0019] - l'étape de disposition est faite en mettant autant d'éléments conducteurs indépendants qu'il y a de phase à la puissance électrique devant être distribuée, ainsi qu'un élément conducteur indépendant supplémentaire pour un connecteur neutre ; 10 [0020] - l'étape de disposition est faite en mettant des éléments conducteurs indépendants superposés les uns aux autres en sorte de former une prise mâle comprenant des terminaux de connexion mâles des éléments conducteurs indépendants les uns à côté des autres ; [0021] - l'étape de disposition est faite en mettant des éléments conducteurs 15 indépendants superposés en sorte que leurs extrémités respectives soient accessibles pour l'alimentation des différentes bobines de la machine électrique sans balais ; [0022] - l'étape de disposition est faite en mettant plusieurs éléments de conducteurs indépendants munis d'un terminal de connexion mâle superposés sur un demi-cercle et un élément de conducteur indépendant sans terminal de connexion mâle sur l'autre demi- 20 cercle ; [0023] - l'étape de disposition est faite en plaçant des éléments conducteurs indépendants sur des gradins successifs d'une empreinte de moulage et en surmoulant les éléments conducteurs indépendants dans l'empreinte ; [0024] - les éléments conducteurs indépendants sont en cuivre, et sont munis de 25 crochets isolants tournés du côté destiné à recevoir la machine électrique sans balais. [0025] Il est également proposé un dispositif de distribution de puissance électrique multiphasée pour une machine électrique sans balais obtenu selon le procédé évoqué ci-dessus. [0026] Il est utilisable dans le domaine des moteurs automobiles, dans l'avionique, dans 30 les appareils de type tracteurs ou tondeuses, ainsi que dans l'électroportatif, comme les 4 outils électriques ou les appareils électroménagers équipés d'un moteur, ainsi que dans les jouets et le modélisme, et dans d'autres domaines. [0027] De par le mode d'obtention du dispositif de distribution présenté, les avantages sont les suivants. [0028] En matière d'amélioration du procédé les moyens utilisés sont flexibles, et il y a un besoin en matière d'outils spécifiques limité, et les modalités d'obtention sont adaptables à toutes les tailles de moteurs. [0029] Au niveau du produit, il y a optimisation de la masse du produit, qui est de 5 à 7% plus léger que le produit équivalent connu précédemment, et à fonction équivalente, 10 contribution à la réduction de la masse embarquée dans les domaines automobile, avionique, jardinerie, outillage électroportatif ou électroménager portatif. [0030] L'invention sera mieux comprise, et d'autres buts, caractéristiques, détails et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement dans la description explicative qui va suivre faite en référence aux dessins annexés donnés uniquement à titre d'exemple 15 illustrant un mode de réalisation de l'invention et dans lesquels : - La figure 1 montre un exemple de machine électrique sans balais, vue de l'extérieur ; - les figures 2 et 3 montrent un élément de base d'un dispositif de connexion selon l'invention, avant et après assemblage de ses parties - les figures 4 et 5 montrent les différents éléments de base d'un dispositif de distribution 20 selon l'invention, vu en configuration éclatée, les éléments étant positionnés les uns par rapport aux autres pour l'assemblage ; - la figure 6 montre le dispositif de distribution selon l'invention, fini ; - la figure 7 à 10 montrent les étapes du procédé de fabrication du dispositif de distribution, selon l'invention. 25 [0031] En figure 1 on a représenté un moteur électrique sans balais 100. Il comprend dans un carter 101 cylindrique, de révolution, un arbre d'entrée sortie 102 coaxial avec le carter. Le carter 101 porte sur son pourtour interne des aimants par paire de pôles, et constitue un rotor externe relié à l'arbre d'entrée sortie 102. Le carter 101 et l'arbre d'entrée sortie 102 tournent à la même vitesse. A l'intérieur du carter 101 se trouvent des 30 bobines par multiple de trois, alimentées en courant triphasé, en sorte d'entrainer en 5 rotation les aimants portés à l'intérieur du carter 101, ce qui entraine la rotation de celui-ci et de l'arbre d'entrée sortie 102. [0032] II existe également des moteurs sans balais à rotor strictement interne. [0033] L'alimentation du moteur sans balais 100 se fait à l'aide de courant continu, transformé par une électronique de puissance embarquée en un courant triphasé alimentant les bobines du stator, qui sont en nombre multiple de trois. [0034] A l'opposé de l'arbre d'entrée sortie 102 sur la base opposée du cylindre constituant le carter, est situé un support de connexion 103. [0035] Le support de connexion 103 permet à l'alimentation des trois bobines ou 10 groupes de bobines, avec le courant triphasé apporté par un dispositif de distribution. [0036] En figure 2 on a représenté un module de construction du dispositif de distribution selon l'invention, qui est utilisé pour apporter le courant électrique aux bobines. [0037] Ce dispositif de distribution est développé en fonction de la typologie du moteur, à savoir sa taille et sa puissance, pour distribuer le courant aux bobines du moteur depuis la 15 source d'énergie. [0038] Le dispositif de distribution est constitué de quatre inserts disposés d'une manière particulière pour fabriquer l'ensemble. La figure 2 montre la structure d'un des inserts. L'insert porte la référence 200 il est constitué d'une piste semi-circulaire 201, d'un terminal 202 constitué d'une plaque disposée perpendiculairement au plan de la piste 201 à 20 l'extrémité de celle-ci, et deux crochets 203 et 204. [0039] En figure 3, on a représenté l'insert 200 après montage des quatre pièces ainsi énoncées. Les crochets 203 et 204 sont orientés dans le même demi-espace que le terminal de connecteur 202 vis-à-vis du plan de la piste 201. On précise que le terminal de connecteur 202 et les crochets de bobinage 203 et 204 sont assemblés par soudure 25 électrique sur la piste 201. [0040] L'insert 200 est essentiellement défini par l'amplitude du secteur angulaire de la lame 201, le positionnement des crochets de bobinage 203 et 204 et le nombre de crochets de bobinage sur l'insert. [0041] La piste 201 et le terminal 202 sont en cuivre pur à 99%. Les terminaux 202 et les 30 crochets de bobinage 203, 204 sont recouverts d'une couche protectrice contre la 6 corrosion en différents matériaux possibles, comme de l'étain sans plomb, du nickel, de l'argent ou de l'or. [0042] En figure 4 on a représenté les quatre inserts permettant de construire un exemple, suivant un mode de réalisation de dispositif de distribution. 5 [0043] Les inserts sont référencés 301, 302, 303 et 304. Les inserts 301 à 303 répondent à la description qui a été faite en référence à la figure 3, mais la longueur de leur piste augmente de l'insert 301 vers l'insert 302 et l'insert 303. Un crochet est toujours présent, sur chacun de ces trois inserts, à l'extrémité opposée au terminal, et le deuxième crochet est placé à une position intermédiaire, plus proche du terminal pour l'insert 301, 10 plus proche du crochet opposé pour l'insert 303, et intermédiaire pour l'insert 302. [0044] L'insert 304 est dépourvu de terminal, est basé sur une piste d'un peu moins d'un demi-tour et porte six crochets, répartis régulièrement d'un bout à l'autre de la piste, et tous tournés vers le même demi-espace. [0045] La figure 5 montre une vue éclatée d'un dispositif de connexion selon l'invention, 15 basé sur les inserts de la figure 4. [0046] Les inserts 301 à 304 sont placés coaxialement autour d'un axe X-X en définissant un cylindre de révolution autour de celui-ci, les inserts 301 à 303 d'un côté du cylindre et l'insert 304 de l'autre côté du cylindre, tous les crochets dirigés vers le même demi-espace. Les terminaux des inserts 301 à 303 sont placés proches les uns des 20 autres, avec un léger décalage angulaire autour de l'axe X-X pour qu'ils ne soient pas superposés, dans l'ordre terminal de 301, terminal de 302 et terminal de 303. [0047] Les quatre inserts sont positionnés dans un surmoulage en matériau thermoplastique 400, ayant une forme générale annulaire et placé autour de l'axe X-X. Le surmoulage 400 comprend 7 pattes tournées vers le demi-espace opposé au demi-espace 25 vers lequel sont tournés les crochets des inserts. [0048] La figure 6 montre le dispositif de connexion 500 assemblé. Il comporte le surmoulage 400 au sein duquel sont présents les quatre inserts. Les 7 pattes du surmoulage sont tournées vers un demi-espace, et les crochets et les terminaux 401 à 403 sont tournés vers l'autre demi-espace. 7 [0049] En figures 7 et 8 on a représenté le procédé de surmoulage. Les quatre inserts 301 à 304 sont finement positionnés dans des empreintes, inférieure 450 et supérieure 451, de moule. [0050] En figure 9, on visualise les trois inserts 301 à 303 qui sont placés sur des 5 marches d'escalier de l'empreinte inférieure 450. La zone 600 est destinée à être remplie de matériau thermoplastique, différents canaux, par exemple le canal 700 amenant le matériau sous forme fluide en sorte de procéder au moulage, par remplissage puis refroidissement. [0051] Une fois le matériau thermoplastique refroidi, REVENDICATIONS1. Procédé de fabrication d'un dispositif de distribution de puissance électrique multiphasée (500) pour une machine électrique sans balais, caractérisé en ce qu'il comprend une étape de disposition d'éléments conducteurs indépendants (301-304) comprenant chacun une piste (201) formant un arc de cercle de même rayon, en sorte de définir des contacts électriques sur différents secteurs angulaires pour la machine à équiper, puis une étape de surmoulage des éléments conducteurs indépendants (301-304) disposés avec un matériau thermoplastique (400) formant support pour la machine électrique sans balais. 10 2. Procédé de fabrication d'un dispositif de distribution de puissance selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'étape de disposition est faite en mettant autant d'éléments conducteurs indépendants (301-303) qu'il y a de phases à la puissance électrique devant être distribuée, ainsi qu'un élément conducteur indépendant (304) supplémentaire pour un connecteur neutre. 15 3. Procédé de fabrication d'un dispositif de distribution de puissance selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que l'étape de disposition est faite en mettant des éléments conducteurs indépendants (301-303) superposés les uns aux autres en sorte de former une prise mâle comprenant des terminaux de connexion mâles (401-403) des éléments conducteurs indépendants les uns à côté des autres. 20 4. Procédé de fabrication d'un dispositif de distribution de puissance selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'étape de disposition est faite en mettant des éléments conducteurs indépendants (301-303) superposés en sorte que leurs extrémités respectives soient accessibles pour l'alimentation des différentes bobines de la machine électrique sans balais. 25 5. Procédé de fabrication d'un dispositif de distribution de puissance selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'étape de disposition est faite en mettant plusieurs éléments conducteurs indépendants (301-303) munis d'un terminal de connexion mâle (401-403) superposés sur un demi-cercle et un élément conducteur indépendant (304) sans terminal de connexion mâle sur l'autre demi-cercle. 30 6. Procédé de fabrication d'un dispositif de distribution de puissance selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'étape de disposition est faite en plaçant des éléments conducteurs indépendants (301-303) sur des gradins successifs d'une empreinte 9 de moulage (450) et en surmoulant les éléments conducteurs indépendants dans l'empreinte. 7. Procédé de fabrication d'un dispositif de distribution de puissance selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les éléments conducteurs indépendants (301- 304) sont en cuivre, et sont munis de crochets isolants (203, 204) tournés du côté destiné à recevoir la machine électrique sans balais. 8. Dispositif de distribution de puissance électrique multiphasée (500) pour une machine électrique sans balais obtenu selon le procédé selon l'une des revendications 1 à 7.