Brevet FR3114926A1 — publié le 20220408

L’invention concerne une machine électrique comportant : - un carter (100), - un arbre (10) monté rotatif dans le carter au moyen d’un roulement (30) qui comporte une bague extérieure (31) montée dans le carter et une bague intérieure (32), et - un joint d’étanchéité annulaire (60) qui assure l’étanchéité entre la bague intérieure et le carter. Selon l’invention, la machine électrique comporte un anneau électriquement conducteur (70) qui est fixé audit joint d’étanchéité annulaire de façon à être au contact du carter et de la bague intérieure. Figure pour l’abrégé : Fig.2 Machine électrique et procédé d'assemblage d'une telle machine Domaine technique de l'invention La présente invention concerne de manière générale les machines électriques. Elle concerne plus particulièrement une machine électrique comportant : - un carter, - un arbre monté rotatif dans le carter au moyen d’un roulement qui comporte une bague extérieure montée directement ou indirectement dans le carter et une bague intérieure montée directement ou indirectement sur l’arbre, et - un joint d’étanchéité annulaire qui assure l’étanchéité entre la bague intérieure et le carter. L’invention concerne également un procédé d’assemblage d’une telle machine électrique. Elle trouve une application particulièrement avantageuse dans la réalisation de moteurs électriques de traction de véhicules automobiles. Etat de la technique Une machine électrique telle qu’un moteur comprend généralement un rotor et un stator. Le rotor est une pièce mobile qui tourne alors que le stator est une pièce fixe. La vitesse de rotation du rotor, dans un moteur de traction de véhicule automobile, dépasse les 10 000 tours par minute, ce qui génère de fortes contraintes thermiques et mécaniques. Pour limiter la température des composants de la machine électrique, il est connu d’utiliser un liquide de refroidissement qui remplit une partie seulement de la machine, de façon à garantir une séparation entre la partie du moteur qui est refroidie par le liquide de refroidissement et la partie du moteur qui doit être isolée du liquide pour assurer le bon fonctionnement de ce moteur. Pour garantir cette étanchéité, il est connu d’utiliser des joints. Une autre difficulté dans l’élaboration d’un tel moteur est qu’il convient de protéger ses roulements des conséquences du passage de courant électrique entre la bague intérieure et la bague extérieure du roulement via ses billes et des perturbations dites CEM (pour « Compatibilité Electro-Magnétique »). Ces phénomènes génèrent en effet des problèmes d’électroérosion, la création de stries sur les pistes des deux bagues du roulement, des défaillances de la surface des bagues du roulement se caractérisant par un réseau de microfissures d’apparence blanche (on parle en anglaise de « White Etching Cracks »). En effet, lorsque le moteur est alimenté en courant alternatif par un onduleur, des courants de fuites issus de champs magnétiques, des différences de potentiels et des tensions de mode commun apparaissent, ce qui génère de l’électricité statique à l’origine d’arcs électriques au niveau des billes des roulements. Il est alors connu, par exemple du document WO2007001525, de mettre à la masse les différents composants du moteur (stator et rotor), ce qui assure l’équipotentialité entre ces composants et évite l’apparition du phénomène précité. Dans ce document, il est pour cela prévu d’utiliser une pièce qui est montée sur l’arbre du moteur pour assurer la fonction précitée. L’inconvénient de cette solution est qu’elle nécessite l’allongement de l’arbre pour pouvoir installer cette pièce, ce qui pose des problèmes d’encombrement. Par ailleurs, l’architecture de la pièce décrite dans ce document n’est pas adaptée aux moteurs de traction de véhicule automobile, qui tournent à des vitesses pouvant aller jusqu’à 17 000 tours par minute. Présentation de l'invention Afin de remédier aux inconvénients précités de l’état de la technique, la présente invention propose une machine électrique telle que définie dans l’introduction, dans laquelle il est prévu un anneau électriquement conducteur qui est fixé audit joint d’étanchéité annulaire de façon à être au contact du carter et de la bague intérieure. Ainsi, le joint d’étanchéité (qui est un joint dynamique) vient coulisser, lorsque l’arbre tourne, sur la bague intérieure du roulement, ce qui permet de garantir la circularité et l’état de surface nécessaire au bon fonctionnement de ce joint, sans générer d’encombrement excessif. L’invention propose alors de profiter de la présence de ce joint pour y rapporter l’anneau électriquement conducteur. Cette architecture évite donc de rallonger l’arbre et permet de coupler deux fonctions principales : la mise à la masse de la machine électrique et son étanchéité. D’autres caractéristiques avantageuses et non limitatives de la machine électrique conforme à l’invention, prises individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles, sont les suivantes : - ledit anneau électriquement conducteur est souple et présente, avant déformation, un diamètre extérieur supérieur au diamètre intérieur du carter et un diamètre intérieur inférieur au diamètre extérieur de la bague intérieure, lesdits diamètres étant mesurés au niveau de l’anneau électriquement conducteur ; - ledit anneau électriquement conducteur comporte des fibres de carbone noyées dans une résine ; - le joint d’étanchéité annulaire est un joint à lèvre comportant une embase fixée au carter, une lèvre qui s’appuie sur la bague intérieure, et une partie intermédiaire sur laquelle est fixée l’anneau électriquement conducteur ; - ledit anneau électriquement conducteur est fixé audit joint d’étanchéité annulaire par collage ; - la bague intérieure présente une section dont le diamètre mesuré au niveau du joint d’étanchéité annulaire est supérieur au diamètre mesuré au niveau de l’anneau électriquement conducteur ; - il est prévu un collecteur dont une partie tubulaire est enfilée sur l’arbre et est fixée à cet arbre, la bague intérieure étant montée sur cette partie tubulaire du collecteur ; - il est prévu des moyens d’étanchéité entre la bague intérieure et le collecteur ; - il est prévu des moyens d’étanchéité entre l’arbre et le collecteur. L’invention propose également un procédé d’assemblage d’une machine électrique telle que précitée, dans lequel, après que l’arbre, le roulement et le joint d’étanchéité annulaire ont été installés dans le carter, l’anneau électriquement conducteur est engagé entre le carter et la bague intérieure du roulement de façon à ce que ses bords intérieur et extérieur se déforment élastiquement et s’appuient contre le carter et la bague intérieure. Préférentiellement, avant d’engager l’anneau électriquement conducteur entre le carter et la bague intérieure du roulement, l’une des faces de l’anneau électriquement conducteur est revêtue de colle, et, lors de l’engagement de l’anneau électriquement conducteur entre le carter et la bague intérieure, ladite face est appliquée contre le joint d’étanchéité annulaire. Bien entendu, les différentes caractéristiques, variantes et formes de réalisation de l'invention peuvent être associées les unes avec les autres selon diverses combinaisons dans la mesure où elles ne sont pas incompatibles ou exclusives les unes des autres. Description détaillée de l'invention La description qui va suivre en regard des dessins annexés, donnés à titre d’exemples non limitatifs, fera bien comprendre en quoi consiste l’invention et comment elle peut être réalisée. Sur les dessins annexés : est une vue schématique en coupe d’une partie d’une machine électrique conforme à l’invention ; est une vue schématique en coupe d’une partie d’une variante de réalisation de la machine électrique de la figure 1 ; est une vue homologue de celle de la figure 2, représentant une autre variante de réalisation de la machine électrique de la figure 1. Sur les figures 1 à 3, on a représenté trois variantes de réalisation d’une partie d’une machine électrique. Ces trois variantes étant homologues, elles seront décrites conjointement, et on utilisera les mêmes signes de référence sur les figures 1 à 3. Dans ces trois variantes, la machine électrique pourrait être une génératrice. En l’espèce, il s’agit ici plutôt d’un moteur de traction pour véhicule automobile, lequel moteur peut éventuellement avoir une fonction de génératrice dans certains modes de fonctionnement du véhicule. Ce moteur comporte différents composants, parmi lesquels un carter 100 qui loge un stator et un rotor. Si le stator est fixe dans le carter, le rotor est monté mobile en rotation autour d’un axe de rotation A1. Pour cela, le moteur comporte un arbre 10 de révolution autour de cet axe de rotation A1. Cet arbre 10 peut présenter une section constante ou variable le long de l’axe de rotation A1. Le moteur comporte également un collecteur 20 qui est enfilé sur l’arbre 10. Ce collecteur 20 présente à cet effet une partie au moins de forme tubulaire 21. Sa forme peut être variable (elle est d’ailleurs différente sur les figures 1 et 2). La fonction de ce collecteur 20 est de transmettre un courant électrique entre une pièce fixe (par exemple le carter 100) et une pièce mobile (par exemple l’arbre 10). Pour cela, ici, la partie tubulaire 21 (mobile en rotation dans le carter) porte deux bagues 22, 23 en matériaux conducteur sur lesquelles s’appuient deux balais 24, 25 conducteurs (fixes dans le carter). Ici, le collecteur 20 est monté sur l’arbre 10 avec un ajustement serré (par exemple du type H7m6 ou H7p6), de sorte que le collecteur 20 et l’arbre 10 forment un ensemble monobloc. Cet ensemble monobloc est monté rotatif dans le carter 100 au moyen d’un roulement 30, ici un roulement à billes simple. En variante, il pourrait s’agir de n’importe quel autre type de roulement (à rouleaux, à aiguilles, à double rangées de billes…) Classiquement, ce roulement 30 comporte une bague intérieure 32 et une bague extérieure 31, dont les faces en regard sont rainurées de façon à emprisonner des billes 33. La bague intérieure 32 est allongée axialement (le long de l’axe de rotation A1), de manière à présenter une première extrémité dont la face intérieure porte la rainure pour les billes 33 et une seconde extrémité dont la face extérieure est montée sur le collecteur 20 avec un ajustement serré. La bague extérieure 31 est quant à elle montée dans une cavité qui est formée par la face interne du carter 100 et qui est cylindrique de révolution autour de l’axe de rotation A1. Elle y est également montée avec un ajustement serré. De cette manière, l’ensemble formé de l’arbre 10 et du collecteur 20 est bien guidé en rotation dans le carter 100 autour de cet axe de rotation A1. Ici, le moteur est refroidi grâce à un liquide de refroidissement. Ce liquide de refroidissement remplit une partie intérieure seulement du volume délimité par le carter 100 (la zone I sur les figures 1 et 2). L’autre partie intérieure (la zone II) est en revanche laissée sèche, de façon notamment à ce que le liquide de refroidissement n’interfère pas avec les contacts électriques entre les bagues 22, 23 du collecteur 20 et les balais 24, 25. Afin d’assurer l’étanchéité entre ces zones I et II, des joints sont employés. Il est ainsi prévu des premiers moyens d’étanchéité statiques 40 entre l’arbre 10 et le collecteur 20. Ces premiers moyens d’étanchéité sont ici formés par deux joints toriques logés dans deux gorges prévues en creux dans l’arbre 10, au niveau de la zone d’ajustement serré entre l’arbre et le collecteur 20. Il est aussi prévu des seconds moyens d’étanchéité statiques 50 entre le collecteur 20 et la bague intérieure 32 du roulement 30. Ces seconds moyens d’étanchéité sont ici encore formés par deux joints toriques logés dans deux gorges prévues en creux dans le collecteur 20, au niveau de la zone d’ajustement serré entre la bague intérieure 32 et le collecteur 20. Il est enfin prévu des troisièmes moyens d’étanchéité dynamiques entre la bague intérieure 32 du roulement 30 et le carter 100. Ces troisièmes moyens d’étanchéité comportent ici un joint à lèvre 60 qualifié de dynamique en ce sens qu’il permet d’assurer l’étanchéité recherchée lorsque l’arbre 10 tourne. Ce joint à lèvre 60 présente ici une forme symétrique de révolution autour de l’axe de rotation A1. Il comporte ici une embase 61 de forme tubulaire qui est fixée sur la surface intérieure du carter 100. Une extrémité de cette embase 61 est repliée à angle droit dans un plan orthogonal à l’axe de rotation A1 de façon à former un flasque 62. Le bord intérieur de ce flasque 62 est quant à lui replié à 45 degrés de façon à délimiter une lèvre 63 qui s’appuie contre la face extérieure de la bague intérieure 32 de façon à assurer l’étanchéité recherchée. Ces différents joints assurent alors une bonne étanchéité entre les deux zones I et II. Pour éviter que le carter 100 (qui est connecté à la masse du véhicule) et l’arbre 10 présentent des potentiels électriques différents, le moteur comporte un anneau 70 qui est électriquement conducteur et qui est fixé au joint à lèvre 60 de telle sorte qu’il maintient en continu un contact électrique entre le carter 100 et l’arbre 10. A l’état non déformé, cet anneau 70 est plat et il présente une épaisseur très inférieure à son diamètre (avec un rapport supérieur à 10). Il présente un diamètre extérieur supérieur au diamètre intérieur du carter 100 (mesuré au niveau de la partie du carter 100 le long de laquelle s’appuie l’anneau 70 une fois installé). Il présente en outre un diamètre intérieur inférieur au diamètre extérieur de la bague intérieure 32 (mesuré au niveau de la bague le long de laquelle s’appuie l’anneau 70 une fois installé). Compte tenu de ces dimensions, l’anneau 70 est souple de façon à pouvoir être engagé entre le carter 100 et le roulement 30. Ici, il est formé à cet effet de fibres de carbone, qui assurent la conduction électrique, noyées dans une résine. En pratique, les fibres de carbone forment une sorte de feutrine (elles s’étendent selon des directions différentes de façon à former une sorte de tissu). Cette feutrine est imprégnée de résine de telle sorte que les fibres de carbone restent accessibles sur l’une au moins de ses deux faces. La feutrine imprégnée forme alors l’anneau 70. En variante, la feutrine peut être placée sur un support annulaire (réalisé par exemple en matière plastique), les fibres de carbone restant accessibles sur la face de la feutrine opposée à celle qui est au contact du support annulaire. Dans cette variante, l’anneau 70 est formé de la feutrine et du support annulaire. Comme le montrent bien les figures, cet anneau 70 présente une face revêtue de colle, qui est fixée contre le flasque 62 du joint à lèvre 60. La face revêtue de colle est la même que celle sur laquelle les fibres de carbone sont accessibles. L’anneau 70 est placé dans la zone II, sur le côté du joint à lèvre 60 tourné à l’opposé du roulement 30. De cette manière, le lubrifiant du roulement 30 ne vient pas interférer avec le contact électrique établi par l’anneau 70 entre l’arbre 20 et le carter 100. Ainsi installé, comme le montre le trait C1 illustré en pointillés sur la figure 2, cet anneau 70 permet un passage du courant électrique entre l’arbre 10 et le carter 100 lorsque l’arbre pivote. Ici, l’anneau présente une forme symétrique de révolution autour de l’axe de rotation A1. En variante, il pourrait présenter une forme différente. L’un et/ou l’autre de ses bords intérieur et extérieur pourraient par exemple être crantés. Il pourrait également être percé. D’autres variantes sont envisageables, pour autant que l’anneau 70 s’étende sur une majeure partie de la périphérie de l’arbre 10 et qu’il assure un contact électrique entre le carter 100 et la bague intérieure 32 du roulement 30. Lors de l’assemblage du moteur, l’anneau 70 est mis en place une fois que l’arbre 10, le collecteur 20, le roulement 30 et le joint d’étanchéité annulaire 60 ont été installés dans le carter 100. L’anneau 70 est alors revêtu, sur une partie de l’une de ses faces, de colle. Puis il est enfilé sur l’arbre 10, et engagé entre le carter 100 et la bague intérieure 32 du roulement 30 de façon à ce que ses bords intérieur et extérieur se déforment en s’appuyant contre le carter 100 et la bague intérieure 32 et que sa face encollée vienne se placer en appui contre le joint à lèvre 60. Des rainures permettant de coincer les bords intérieur et extérieur de l’anneau peuvent être prévues sur la bague intérieure et le carter. Pour cette opération de montage, un outil de forme annulaire peut être employé afin de faciliter le travail d’assemblage. On notera que la face de l’anneau 70 sur laquelle les fibres de carbone sont accessibles est celle qui est revêtue de colle. La colle est préférentiellement placée à distance des bords périphériques intérieur et extérieur de l’anneau 70. Ainsi, les fibres de carbone au contact du carter 100 et de la bague intérieure 32 du roulement 30 ne sont imprégnées ni de résine, ni de colle, si bien qu’elles peuvent parfaitement assurer leur fonction de conduction du courant électrique. Elles peuvent d’autant mieux assurer cette fonction que l’anneau 70 se déforment en s’appuyant contre le carter 100 et la bague intérieure 32. On observera par ailleurs que la mise en place du joint à lèvre 60 sur la bague intérieure 32 du roulement est généralement effectuée en lubrifiant la face interne de ce joint, pour éviter que son montage ne provoque une usure prématurée. Cette opération provoque un dépôt de lubrifiant sur la zone de la bague intérieure 32 contre laquelle doit s’appuyer l’anneau 70. Il s’avère donc nécessaire de nettoyer cette zone afin que le lubrifiant ne forme pas obstacle au contact électrique entre l’anneau 70 et la bague intérieure 32. Pour éviter d’avoir à nettoyer la bague intérieure 32, la variante de la figure 3 propose d’utiliser une bague intérieure 32 comportant, entre la zone sur laquelle s’appuie le joint à lèvre 60 et la zone sur laquelle s’appuie l’anneau 70, un épaulement 35. Dans cette variante, le diamètre intérieur de l’anneau 70 est alors plus réduit que celui du joint à lèvre 60. Grâce à cet épaulement 35, le lubrifiant placé sur le joint à lèvre 60 vient se déposer uniquement sur la partie 36 de la face externe de la bague intérieure 32 qui est situé du côté gauche de l’épaulement 35. Par conséquent, la partie 37 de la face externe de la bague intérieure 32 qui est situé du côté droit de l’épaulement 35 n’est pas polluée par le lubrifiant lors du montage du joint à lèvre 60, de sorte que l’anneau 70 peut s’appuyer dessus sans qu’il ne soit nécessaire de la nettoyer au préalable. La présente invention n’est nullement limitée aux variantes de réalisation décrites et représentées, mais l’homme du métier saura y apporter toute autre variante conforme à l’invention. A titre d’exemple, on pourrait prévoir que la bague extérieure du roulement soit montée, non pas directement dans le carter 100, mais dans une pièce annuaire intermédiaire elle-même fixée dans le carter. Selon une autre variante de l’invention, l’anneau 70 pourrait être collé au joint d’étanchéité annulaire 60 avant que ce dernier ne soit inséré entre l’arbre 20 et le carter 100. Ici encore, l’anneau 70 sera collé sur le joint de façon à ce que sa face sur laquelle les fibres de carbone sont accessibles soit située du côté du joint. Selon une autre variante de l’invention, l’anneau électriquement conducteur 70 pourrait être formé différemment, pour autant qu’il soit bon conducteur électriquement et qu’il soit résistant à l’usure (des fibres métalliques pourraient par exemple être employées, une combinaison de plusieurs matériaux conducteurs pourrait aussi être utilisée). Machine électrique comportant : - un carter (100), - un arbre (10) monté rotatif dans le carter (100) au moyen d’un roulement (30) qui comporte une bague extérieure (31) montée dans le carter (100) et une bague intérieure (32), et - un joint d’étanchéité annulaire (60) qui assure l’étanchéité entre la bague intérieure (32) et le carter (100), caractérisé en ce qu’il comporte un anneau électriquement conducteur (70) qui est fixé audit joint d’étanchéité annulaire (60) de façon à être au contact du carter (100) et de la bague intérieure (32). Machine électrique selon la revendication 1, dans laquelle ledit anneau électriquement conducteur (70) est souple et présente, avant déformation, un diamètre extérieur supérieur au diamètre intérieur du carter (100) et un diamètre intérieur inférieur au diamètre extérieur de la bague intérieure (32), lesdits diamètres étant mesurés au niveau de l’anneau électriquement conducteur (70). Machine électrique selon l’une des revendications 1 et 2, dans laquelle ledit anneau électriquement conducteur (70) comporte des fibres de carbone noyées dans une résine. Machine électrique selon l’une des revendications 1 à 3, dans laquelle le joint d’étanchéité annulaire (60) est un joint à lèvre comportant une embase (61) fixée au carter (100), une lèvre (63) qui s’appuie sur la bague intérieure (32), et une partie intermédiaire (62) sur laquelle est fixée l’anneau électriquement conducteur (70). Machine électrique selon l’une des revendications 1 à 4, dans laquelle ledit anneau électriquement conducteur (70) est fixé audit joint d’étanchéité annulaire (60) par collage. Machine électrique selon l’une des revendications 1 à 5, dans laquelle la bague intérieure (32) présente une section dont le diamètre est, au niveau du joint d’étanchéité annulaire (60), supérieur à son diamètre au niveau de l’anneau électriquement conducteur (70). Machine électrique selon l’une des revendications 1 à 6, dans laquelle il est prévu un collecteur (20) dont une partie tubulaire (21) est enfilée sur l’arbre (10) et est fixée à cet arbre (10), la bague intérieure (32) étant montée sur cette partie tubulaire (21) du collecteur (20). Machine électrique selon la revendication 7, dans laquelle il est prévu des moyens d’étanchéité (50) entre la bague intérieure (32) et le collecteur (20) et dans laquelle il est prévu des moyens d’étanchéité (40) entre l’arbre (10) et le collecteur (20). Procédé d’assemblage d’une machine électrique conforme à l’une des revendications précédentes, dans lequel, après que l’arbre (10), le roulement (30) et le joint d’étanchéité annulaire (60) ont été installés dans le carter (100), l’anneau électriquement conducteur (70) est engagé entre le carter (100) et la bague intérieure (32) du roulement (30) de façon à ce que ses bords intérieur et extérieur se déforment élastiquement et s’appuient contre le carter (100) et la bague intérieure (32). Procédé d’assemblage selon la revendication 9, dans lequel, avant d’engager l’anneau électriquement conducteur (70) entre le carter (100) et la bague intérieure (32) du roulement (30), l’une des faces de l’anneau électriquement conducteur (70) est revêtue de colle, et, lors de l’engagement de l’anneau électriquement conducteur (70) entre le carter (100) et la bague intérieure (32), ladite face est appliquée contre le joint d’étanchéité annulaire (60).