Brevet FR3091961A1 — publié le 20200724

Description Titre de l'invention : COLLECTEUR TOURNANT POUR UN ROTOR BOBINE D'UNE MACHINE ELECTRIQUE. [0001] L'invention porte sur un collecteur électrique tournant, un rotor bobiné comprenant ce collecteur électrique tournant, et une machine électrique comprenant ce rotor. [0002] L'invention vise notamment mais non limitativement, des applications dans le domaine des machines électriques motrices des véhicules automobiles. [0003] Dans le domaine des machines électriques motrices, l'une des problématiques consiste à connaitre la vitesse instantanée du rotor. Il est alors commun d'utiliser un capteur sensible à la rotation du rotor, ce capteur étant intégré dans la machine électrique motrice, c'est-à-dire abrité par un carter contenant le stator de la machine électrique, pour limiter l'encombrement d'une telle machine, et en outre protéger le capteur des agressions extérieures au carter. [0004] Un exemple d'une telle intégration consiste à utiliser un capteur à tête magnétique pour mesurer la vitesse du rotor par l'intermédiaire d'une mesure du flux de dispersion atteignant la tête magnétique. Cependant cette conception est sensible aux bruits magnétiques et la mesure est peu précise. En outre, cette conception n'est pas adaptable à tous les types de machines électriques motrices et est principalement réservée aux moteurs électriques sans balais, dont le rotor comprend des aimants permanents à la place des bobinages. [0005] Pour remédier à cet inconvénient, il est connu, par exemple, du document de brevet EP-A2-0779515 de rajouter une cible magnétique pour un capteur de vitesse, en l'espèce une roue polaire, cette cible étant en vis-à-vis du capteur de rotation, et étant solidarisée avec le rotor. [0006] Si cette conception permet bien une mesure précise de la vitesse du rotor, ou de sa position angulaire, ou de son sens de rotation, son montage reste complexe à industrialiser car la cible est une pièce supplémentaire qu'il faut manipuler, positionner, et immobiliser sur le rotor, qui sont trois étapes de montage délicates et donc conteuses. [0007] Le but de l'invention est de réduire la complexité de montage, notamment en op- timisant la conception de cette cible. [0008] A cet effet, l'invention a pour objet un collecteur électrique tournant rapporté pour un rotor bobiné, ce collecteur comprenant un moyeu rapporté sur un arbre du rotor, et étant tel que le moyeu comprend une cible pour un capteur. [0009] Ainsi, lors de l'étape de mise en place du collecteur sur le rotor, qui est une étape préexistante à l'invention, la cible est également mise en place sans nécessiter d'étapes de montage spécifiques à la cible puisque le collecteur comprend déjà la cible. 2 [0010] En effet, le collecteur est aussi manipulé, positionné, puis immobilisé sur l'arbre du rotor. [0011] Ainsi, le montage étant simplifié, il devient également moins couteux. [0012] On comprendra par collecteur électrique tournant, dans tout le texte de ce document, la partie tournante d'un dispositif permettant de créer une connexion électrique entre une partie fixe d'une machine électrique, et cette partie tournante, la connexion électrique se faisant par friction entre au moins une première surface conductrice du collecteur et au moins une deuxième surface conductrice de la partie fixe. Cette première surface est de façon connue une piste annulaire d'une bague, ou, pour les collecteurs à commutation, une piste comprenant une succession de lames électriquement isolées entre elles et formant une couronne de lames. Cette deuxième surface est, de façon connue, l'extrémité libre d'un balai, habituellement nommé « charbon » lorsque ce dernier est réalisé à base de carbone. [0013] On notera que cette définition du collecteur électrique tournant inclue aussi bien les collecteurs frontaux qui ont la première et la deuxième surface planes et sensiblement orthogonales à l'axe de rotation du collecteur, que les collecteurs radiaux qui ont la première surface galbée en forme de cercle dont le centre est sur l'axe de rotation du collecteur, généralement sous forme d'un cylindre. [0014] Selon un mode de réalisation de l'invention, ce collecteur comprend une piste électrique dans un premier volume du moyeu, la cible étant située dans un deuxième volume du moyeu en prolongement du premier volume et axialement opposé au premier volume. [0015] On comprendra par piste, dans tout le texte de ce document, un élément portant la première surface conductrice, cette première surface conductrice ayant pour fonction de transmettre un courant à travers un enroulement de la bobine du rotor. [0016] Selon un mode de réalisation de l'invention, la cible est en forme de disque centré sur l'axe du moyeu. [0017] Selon un mode de réalisation de l'invention, la cible est située à une extrémité libre du moyeu. [0018] Selon un mode de réalisation de l'invention, la cible est une cible magnétique pour un capteur magnétique, notamment à effet Hall. [0019] Selon un mode de réalisation de l'invention, la cible et le moyeu sont d'une seule pièce. [0020] Selon un mode de réalisation de l'invention, ce collecteur est du type frontal. [0021] Selon une variante de réalisation de l'invention, ce collecteur est du type radial. [0022] L'invention a également pour objet un rotor bobiné d'une machine électrique, ce rotor comprenant un arbre et un collecteur rapporté sur l'arbre, ce collecteur étant un collecteur tel que précédemment décrit. 3 [0023] L'invention a également pour objet une machine électrique comprenant un rotor bobiné, cc rotor comprenant un arbre et un collecteur rapporté sur l'arbre, ce collecteur étant un collecteur tel que précédemment décrit, la machine électrique étant un moteur électrique synchrone. [0024] D'autres caractéristiques, buts et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description des exemples de réalisation non limitatifs qui vont suivre, faite en référence aux figures 1 à 3 annexées, qui représentent : [0025] [fig.1] représente un schéma partiel d'un rotor bobiné en coupe selon un plan passant par l'axe du rotor, ce rotor bobiné ayant un collecteur rapporté radial sur son arbre selon l' invention. [0026] [fig.2] représente un schéma partiel d'un rotor bobiné en coupe selon un plan passant par l'axe du rotor, ce rotor bobiné ayant un collecteur rapporté frontal sur son arbre selon une variante de l'invention. [0027] [fig.3] représente un schéma partiel d'un rotor bobiné en coupe selon un plan passant par l'axe du rotor, ce rotor bobiné ayant un collecteur rapporté radial sur son arbre selon une autre variante de l'invention. [0028] La figure 1 divulgue un collecteur électrique tournant 1 rapporté pour un rotor bobiné 2, ce collecteur 1 comprenant un moyeu rapporté 3 sur un arbre 4 du rotor, le moyeu 3 comprenant une cible 5 pour un capteur 6. [0029] Le moyeu 3 comprend un alésage central dans lequel pénètre l'arbre 4. La liaison entre cet alésage central et l'arbre 4 est complète, et est réalisée par exemple par collage, frettage, complémentarité de forme (anneaux élastique et cannelures), coincement (alésage conique), ou encore montage à la presse. [0030] Ce moyeu 3, qui est un élément du collecteur 1, est un support pour tous les autres éléments du collecteur 1, notamment la cible 5. [0031] Ce collecteur électrique 1 comprend une piste électrique?, 8 dans un premier volume 9 du moyeu 3. La cible 5 est située dans un deuxième volume 10 du moyeu 3 en prolongement du premier volume 9 et axialement opposé au premier volume 9. [0032] Ces volumes sont des constructions fictives dont le but est uniquement de situer la piste 7,8, le moyeu 3 et la cible 5 relativement entre eux. [0033] On notera que toutes les figures illustrent deux pistes 7, 8 : une première piste 7, et une deuxième piste 8, ce qui est caractéristique d'un rotor de moteur synchrone. [0034] Le premier volume 9 est contiguë au bobinage 15 du rotor. Ce bobinage 15 est schématisé sur la figure 1, comme sur les autres figures, par un rectangle hachuré. Comme le sait bien l'homme du métier, ce bobinage comprend des enroulements de fils conducteurs (non représentés), notamment des fils de cuivres enrobés d'un vernis électriquement isolant, chaque enroulement ayant deux extrémités électriquement reliées aux pistes 7, 8 du collecteur 1. La cible 5 étant située dans le deuxième volume 10, elle ne fait pas obstacle à la liaison électrique entre les extrémités des enroulements et le collecteur 1. En outre, cette disposition commune aux trois figues, permet d'éloigner le capteur 6 et la cible 5 des bruits magnétiques. [0035] D'autres éléments du collecteur 1, également supportés par le moyeu 3, ne sont pas représentés sur les figures, comme les pièces d'isolation électrique entre les pistes 7, 8 pour un collecteur radial tel que sur les figures 1 à 3, ou les pièces d'isolation électrique entre les lames pour les collecteurs à commutation (non illustrés), ou encore des dispositifs de fixation de chaque extrémité d'enroulement sur les pistes 7, 8 du collecteur 1 (généralement par soudure). [0036] Ces pistes électriques 7, 8 comprennent les premières surfaces conductrices qui sont dans cet exemple des surfaces annulaires sur lesquelles sont mis en contact des balais 13, 14, par exemple des balais à base carbone dits « charbons ». Mais selon la taille du rotor 2, d'autres technologies de balais sont envisageables pour l'invention, comme des lames en acier ressort pour les petits rotors 2. Ces « charbons » 13, 14 sont coulissants dans un porte-balais solidaire du stator (non représentés) et poussés par des ressorts engendrant la connexion électrique par friction (lorsque le rotor 2 tourne) entre les premières surfaces conductrices du collecteur et les deuxièmes surfaces conductrices des « charbons ». [0037] La cible 5 de la figure 1 est en forme de disque centré sur l'axe 11 du moyeu 3. Cette cible 5 est par exemple une roue cannelée sur sa périphérie, dont chaque cannelure est, successivement, en vis-à-vis du capteur 6 lors de la rotation du rotor 2. Ce capteur 6 est alors un capteur de vitesse du rotor 2 qui, par un calculateur dédié (non représenté) comptant les cannelures, permet de déterminer la vitesse du rotor 2. Mais ce même capteur 6 détecte aussi la position du rotor 2, ou le nombre de tours cumulés du rotor 2 ou encore son sens de rotation. En effet, il est connu d'avoir des cannelures non régulières formant une singularité, par exemple une cible ayant une cannelure manquante ou d'une largeur double de la précédente, permettant de détecter par le capteur 6 cette cannelure manquante ou de double épaisseur. Il suffit alors que cette singularité soit placée angulairement à une position prédéterminée pour pouvoir détecter cette position prédéterminée. [0038] La cible 5 est par exemple une cible magnétique pour le capteur 6 magnétique, notamment à effet Hall. Cette cible 5 est par exemple réalisée en acier, mais de façon équivalente peut comprendre une cage en matériaux quelconque ou électriquement isolant, et inclure dans sa périphérie des inserts magnétiques constitués de simples masses en acier ou plus avantageusement constitués d'aimants permanents remplaçant la fonction des cannelures, et formant ainsi une roue polaire. [0039] La cible 5 est par exemple située à une extrémité libre 12 du moyeu 3. On notera que le moyeu n'a qu'une extrémité libre 12, l'autre extrémité étant encombrée par la bobine et les extrémités des enrouements électriquement reliées aux pistes 7, 8 du collecteur 1. [0040] La figure 1 illustre la cible 5 rapportée sur le moyeu 3, par exemple par collage, vissage, frettage ou encore montage à la presse. Mais en variante, cette cible 5, ou la cage de la cible 5, peut être réalisée en une seule pièce avec le moyeu 3. [0041] Le collecteur 1 de la figure 1 est un collecteur radial. Ainsi, les premières surfaces sont galbées en forme d'arc de cercle dont le centre est sur l'axe 11 de rotation du collecteur 1, cet axe 11 étant confondu avec celui de l'arbre 11. [0042] La figure 2 est une variante de la figure 1, où seule l'architecture du collecteur 1 est différent. Cc collecteur 1 est ici un collecteur de type frontal. Ainsi les premières et les deuxièmes surfaces sont planes et sont orthogonales à l'axe 11 de rotation du collecteur 1. En l'espèce, la figure 2 illustre un collecteur avec deux premières surfaces en forme de disque et qui sont portées par la première piste 7 pour l'une, et la deuxième piste 8 pour l'autre. [0043] La figure 3 représente à nouveau le collecteur 1 radial de la figure 1, mais avec une disposition particulière de la cible 5 puisqu'elle est entièrement logée dans l'alésage central du moyeu 3. Bien entendu, que le collecteur 1 soit radial ou frontal, cela est indifférent pour cette disposition particulière qui s'applique donc dans ces deux cas. La figure 3 illustre un arbre 4 raccourci par rapport aux figures 1 et 2, pour préserver un espace à la cible 5, mais en variante non représentée le moyeu 3 peut aussi être rallongé et avoir son extrémité libre 12 qui dépasse de l'arbre 4 pour la même raison. [0044] En outre, cette intégration de la cible 5 dans l'alésage central du moyeu 3, que ce soit l'exemple de la figure 1,2 ou 3, est applicable quel que soit le type de collecteur 1, qu'il soit à commutation ou non. Dans le cas du collecteur 1 à commutation, la première surface est portée par une unique piste comprenant une succession de lames électriquement isolées entre elles et formant une couronne de lames pour un collecteur 1 radial, ou un disque orthogonal à l'axe 11 pour un collecteur 1 frontal. [0045] Le rotor bobiné 2 est un élément d'une machine électrique comprenant le stator. Ce rotor 2 comprend l'arbre 4 et le collecteur 1 rapporté sur l'arbre 4. [0046] La machine électrique (qui n'est représentée que par son rotor 2) est un moteur électrique à courant alternatif, notamment un moteur électrique synchrone. Dans ce cas le collecteur 1 est le collecteur dont les première et deuxième pistes 7, 8 sont des bagues annulaires. [0047] En variante, la machine électrique est un moteur à courant continu. Dans ce cas le collecteur 1 est le collecteur à commutation (non représenté). 6 [0048] On notera que l'invention est indépendante du type de moteur électrique et du type de pilotage du courant du rotor bobiné, du moment que le moteur électrique a un rotor bobiné. [0049] Tl est à garder à l'esprit que les figures sont données à titre d'exemples et ne sont pas limitatives de l'invention. Elles constituent des représentations schématiques de principe destinées à faciliter la compréhension de l'invention et ne sont pas nécessairement à l'échelle des applications pratiques. En particulier, les dimensions des différents éléments illustrés ne sont pas représentatives de la réalité. [0050] En outre, tous les exemples de réalisation de la cible 5 sont combinables avec tous les types de collecteurs 1 décrits : radiaux, frontaux, à commutation ou non. 7