Brevet FR3155380A1 — publié le 20250516

Dispositif d’alimentation en courant 1 du rotor bobiné d’une machine électrique caractérisé en ce qu’il possède un premier élément support 30, porté par l’arbre rotor 10, entrainé en rotation par ce dernier , un second élément complémentaire 40 porté et entraîné en rotation par le premier élément support 30, ces deux éléments support et complémentaire encadrant un élément fixe en rotation 60. Les éléments support 30, complémentaire 40 et fixe 60, en matériau isolant, portent des plaques en forme de couronne en matériau conducteur, de préférence en cuivre ou en alliage de cuivre, respectivement 31,41 rotatives et 61,62 non rotatives. Entre les plaques en forme de couronne 31,61 d’une part et 41,62 d’autre part sont intercalés des disques transmetteurs 50a, 50b identiques, composés d’un disque annulaire 51 en matériau isolant, dans laquelle sont insérés des rouleaux 52,53 transmetteurs de courant entre les plaques en forme de couronne 31,41 rotatives et les plaques en forme de couronne 61,62 non rotatives. Les plaques en forme de couronne 31 et 41, rotatives, possèdent des languettes 31b et 41b de connexion électrique et sont connectées aux bobines du rotor de la machine électrique et les plaques en forme de couronne 61,62 ,fixes en rotation, possèdent des languettes 61b,62b de connexion électrique et sont connectées au dispositif externe d’alimentation en courant continu. Figure pour l’abrégé: Fig.1 Dispositif d'alimentation en courant électrique du rotor bobiné d'une machine électrique. DOMAINE TECHNIQUE DE L’INVENTION La présente invention concerne un dispositif d’alimentation en courant électrique comprenant un élément central non rotatif, relié à une source d’énergie électrique, encadré par deux éléments rotatifs reliés aux bornes des bobines d’un rotor d’une machine électrique, et séparés de l’élément central non rotatif par des corps roulants conducteurs d’électricité. ETAT DE LA TECHNIQUE l’alimentation des bobines du rotor d’une machine électrique fait appel à un dispositif comportant deux contacts par frottement entre des éléments tournants, anneaux généralement en cuivre appelés aussi collecteurs, portés par une bague isolante agencée sur l’arbre du rotor, connectés aux bobines du rotor et des éléments fixes, les balais, appelés aussi « charbons » en raison de la forte proportion de carbone, portés par une structure isolante fixée sur le carter de la machine électrique. Les machines électriques à rotor bobiné n’ont été retenue que par très peu de constructeurs de voitures automobiles électriques. Pourtant ce type de machine a l’avantage de ne pas nécessiter d’aimants permanents et par conséquent de terres rares et le champ magnétique généré par les bobines du rotor est ajustable. En revanche, l’alimentation en courant des bobines présentent des inconvénients : une augmentation de la longueur de la machine; la nécessité de créer une chambre étanche car l’usure des balais libère des poussières; une usure des balais qui peut nécessiter une maintenance; des bagues de collecteurs de petit diamètre afin de limiter la vitesse tangentielle de contact avec les balais. Ce dernier inconvénient nous oblige à associer au moteur un réducteur conventionnel à différentiel déporté. Les bagues de petit diamètre ne permettent pas, en effet, l’association de la machine électrique à un réducteur coaxial, avantageux en packaging, car l’un des arbres de transmission, dont le diamètre fait de l’ordre de 25 à 30mm, traverse l’arbre creux du rotor. Or, le diamètre extérieur des bagues de collecteurs est du même ordre de grandeur de celui de l’arbre de transmission. On connait un moyen de transmission du courant autre que le frottement d’un balai. Il s’agit de la conduction par le contact d’un corps roulant sur un corps fixe. C’est ce moyen qui est utilisé pour la traction électrique sur rail. La motrice d’un train électrique est alimentée en énergie par l’unique câble conducteur d’une caténaire. La machine est soumise à la différence de potentiel entre la caténaire et la terre. Le lien entre la machine électrique de traction et la terre est réalisé via le châssis, l’essieu de la bogie, les roues et les rails. Un dispositif à balais assure la liaison électrique entre l’essieu et les roues afin de protéger les roulements de roues. Un tel dispositif est décrit dans la publication EP 2 724 913. Un dispositif de transmission de courant par un contact tournant est décrit dans la publication FR 2 124 728 (certificat d’utilité de 1972) intitulée « contact électrique tournant ». Le dispositif est similaire à un roulement à billes à contact oblique dont les bagues en tôle intérieure et extérieure possèdent chacune une cosse et sont isolées de l’arbre et du carter. PRESENTATION DE L’INVENTION La présente invention concerne l’alimentation en courant des bobines d’un rotor de machine électrique par deux contacts, alimentation et retour du courant électrique, comprenant les corps roulants. Les corps roulants sont positionnés sur un ou des diamètres suffisamment grands pour permettre la réalisation d’un arbre rotor creux et le passage de l’arbre de transmission d’un réducteur de type coaxial. Les corps roulants ne s’usent pas et ne produise pas de poussière. il n’est pas nécessaire de les confiner dans un espace étanche. Néanmoins, le courant transmis par un corps roulant doit rester de faible intensité pour ne pas voir apparaitre d’arc électrique risquant d’endommager le corps roulant proprement dit et ses pistes de roulement. La solution est la forte multiplication des corps roulants transmettant chacun, en parallèle, une petite fraction du courant. Selon une première caractéristique, le dispositif comprend un élément en matière isolante monté sur l’arbre rotor, entrainé en rotation par des cannelures, servant de support à l’ensemble du dispositif, portant une piste en forme de couronne en matière conductrice, cuivre ou alliage de cuivre, cette dernière possédant une cosse de première connexion avec les bobines du rotor. Selon une seconde caractéristique, le dispositif comprend un élément complémentaire en matière isolante similaire au premier sur lequel il est monté et entrainé en rotation par des cannelures, et portant également une piste en forme de couronne en matière conductrice, cuivre ou alliage de cuivre, cette dernière possédant une cosse pour une seconde connexion avec les bobines du rotor. Selon une troisième caractéristique, le dispositif comprend un élément central en matière isolante agencé entre les deux premiers, centré sur l’élément porteur, immobilisé en rotation par un pion porté par le carter du moteur, et portant de part et d’autre une piste en forme de couronne en matière conductrice, cuivre ou alliage de cuivre, chacune possédant une cosse de connexion avec un dispositif externe d’alimentation en courant continu. Selon une quatrième caractéristique, entre la piste de l’élément porteur rotatif et une première piste de l’élément fixe central est intercalé un disque annulaire en matière isolante supportant des corps roulants en matière conductrice, cuivre ou alliage de cuivre, chargés de réaliser une première liaison électrique, et entre la piste de l’élément complémentaire rotatif et la seconde piste de l’élément fixe central est intercalé un second disque annulaire en matière isolante, identique au premier, supportant des corps roulants en matière conductrice, cuivre ou alliage de cuivre, chargés de réaliser une seconde liaison électrique. Selon une autre caractéristique, l’élément complémentaire rotatif porte dans une rainure circulaire un ressort de type rondelle ondulée, mis sous tension par une rondelle arrêtée par un anneau logé dans une rainure de l’élément porteur, ce qui permet une mise sous tension axiale de l’ensemble des éléments et de garantir les contacts des corps roulants avec leurs deux pistes. DESCRIPTION DETAILLEE DE L’INVENTION Ces caractéristiques, buts et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui va suivre et au regard des dessins annexés donnés à titre d'exemples non limitatifs et sur lesquels: FIG. 1 est une vue de gauche de l’ensemble du dispositif monté sur l’arbre rotor et une coupe selon A-A; FIG. 2 est une vue de face du disque annulaire supportant des corps roulants et une coupe selon B-B; FIG. 3 est une vue de gauche de l’élément porteur rotatif et une coupe selon C-C; FIG. 4 est une vue de face de l’élément fixe en rotation et trois coupes selon D-D, E-E et F-F; FIG. 5 est une vue de gauche de l’élément complémentaire rotatif, sans le ressort et les éléments de maintien de celui-ci et une coupe selon G-G. La coupe A-A de la FIG. 1 montre une partie de l’arbre de transmission 20, traversant l’arbre rotor creux 10 porteur du dispositif d’alimentation en courant électrique 1. Le dispositif d’alimentation 1 est composé d’un premier élément support 30, en matière isolante, des autres éléments du dispositif d’alimentation 1. Cet élément support 30, porté par l’arbre rotor 10, est en appui axial sur l’épaulement 10a, est entraîné en rotation par les cannelures 10b et est maintenu axialement par l’anneau d’arrêt 11. Sur cet élément support 30 est fixé, par exemple par collage, une plaque 31 en forme de couronne en matériau conducteur, de préférence en cuivre ou en alliage de cuivre. Sur l’élément support 30 est monté un élément complémentaire 40, ayant la même fonction, également en matériau isolant et entraîné en rotation par les cannelures 30a. L’élément support 30 et l’élément complémentaire 40, solidaires en rotation, encadrent un élément fixe en rotation 60, en matériau isolant. L’élément fixe 60 en forme de couronne, est centré sur l’élément support 30, possède une excroissance 60a qui coopère avec un pion 70, de blocage en rotation, planté dans le carter 71 de la machine électrique. Sur l’élément complémentaire 40 est rapportée une plaque en forme de couronne 41 en matériau conducteur, de préférence en cuivre ou en alliage de cuivre. L’élément fixe 60, en matériau isolant, porte de part et d’autre les plaques en forme de couronne 61 et 62 en matériau conducteur. Entre les plaques en forme de couronne 31,61 d’une part et 41,62 d’autre part sont intercalés des disques transmetteurs 50a et 50b identiques, en matériau isolant, le premier 50a centré par son diamètre extérieur dans l’élément support 30, le second 50b centré par son diamètre extérieur dans l’élément complémentaire 40, libres en rotation et porteurs de rouleaux cylindriques transmetteurs de courant. L’élément support 30 et l’élément complémentaire 40 portent sur leur plaque en forme de couronne 31, 41 des languettes 31b et 41b de connexion aux bobines du rotor. Les plaques en forme de couronne 61,62 portées par l’élément fixe 60 possèdent chacun une languette 61b,62b de connexion au dispositif extérieur d’alimentation en courant. L’élément complémentaire 40, l’élément fixe 60, ainsi que les disques transmetteurs 50a,50b sont pressés les uns contre les autres et contre l’élément support 30 par un ressort de type rondelle ondulée 42, monté dans une rainure circulaire 40b de l’élément complémentaire 40, mis sous tension par la rondelle 43 maintenue par l’anneau d’arrêt 44 engagé dans une gorge de l’élément support 30. FIG. 2 est une vue de face des disques transmetteurs 50a ou 50b. ils sont similaires à ceux des butées à aiguilles, mais jouent un rôle bien différent. Ils sont composés d’un disque annulaire 51 en matière isolante qui possède, sur deux cercles concentriques, une grande quantité d’ouvertures rectangulaires dans lesquelles sont insérés des rouleaux 52,53, cylindriques tous identiques, en matière conductrice, en cuivre ou alliage de cuivre, de diamètre supérieur à l’épaisseur du disque annulaire 51. Ces rouleaux sont soumis à une très faible charge axiale qui assure le contact de la plus grande proportion possible de rouleaux 52,53 avec d’une part les plaques en forme de couronne 31,61 (disque transmetteur 50a)et d’autre part les plaques en forme de couronne 41,62 (disque transmetteur 50b)afin de transmettre le courant de l’élément fixe 60, relié à une alimentation électrique externe, à l’élément support 30 et l’élément complémentaire 40 en rotation, reliés aux bobines du rotor. Le choix d’un très grand nombre de rouleaux 52,53 est la façon de partager le courant électrique et de le limiter, pour chaque contact, à un niveau électrique d’intensité faible diminuant les risques d’arc électrique et d’endommagement. Le choix de rouleaux cylindriques courts est la manière de limiter les frottements par glissement car les extrémités des rouleaux, étant sur des rayons différents ont des vitesses de rotation théoriquement différentes. Cela n’étant pas possible, la compensation est faite pas du glissement qui peut engendrer à l’usage une légère usure. Le niveau de glissement, et l’endommagement qu’il peut provoquer sera réduit en installant ce dispositif 1 dans le compartiment du rotor et du stator d’une machine électrique dont le refroidissement des bobinages est par projection d’huile. Ainsi le dispositif 1 sera dans un brouillard d’huile non préjudiciable à la transmission du courant par les rouleaux. les rouleaux peuvent être remplacés par des billes. Cela a un impact sur les contacts qui deviennent ponctuels au lieu de linéiques. Il est possible d’aménager des pistes sur les plaques en forme de couronne 31,61,41,62 pour améliorer le contact avec les corps roulants, en ajoutant des rainures circulaires. Cela permet de passer à deux contacts ponctuels par billes. Les pistes sont évidemment plus délicates et couteuses à réaliser. Enfin, le diamètre des billes devra être supérieur à celui des rouleaux et augmente l’encombrement axial du dispositif. FIG. 3 est une vue de gauche de l’élément support 30 et une coupe selon C-C. Cette vue montre que la plaque en forme de couronne 31 possède en périphérie quatre crans 31a d’entraînement en rotation et une languette 31b, repliée visible sur la coupe C-C de transmission du courant (aller ou retour) vers les bobines du rotor de la machine électrique. La vue de gauche montre également une ouverture 30b permettant le passage de la languette 41b, visible sur FIG. 1 , liée à la piste 41 portée par l’élément complémentaire 40. FIG. 4 est une vue de face de l’élément fixe 60 et trois coupes selon D-D, E-E et F-F. Cette vue de face montre que la plaque en forme de couronne 61 possède quatre crans 61a anti-rotation par rapport à son élément fixe 60 porteur et une languette 61b de connexion électrique avec l’alimentation externe. Elle montre également la languette 62b de connexion électrique liée à la plaque en forme de couronne 62 et les orientation angulaires de ces deux languettes. La coupe D-D montre que les plaques en forme de couronne 61 et 62 ont des crans anti-rotation 61a et 62a identiques. La coupe E-E montre la forme courbée de la languette 61b de la plaque en forme de couronne 61. La coupe F-F montre la forme courbée de la languette 62b que la plaque en forme de couronne 62. FIG. 5 est une vue de face de l’élément complémentaire 40 en matière isolante et une coupe selon G-G. Cet élément complémentaire 40, porte la plaque en forme de couronne 41 muni de quatre crans 41a d’entrainement en rotation et d’une languette 41b de connexion aux bobines du rotor qui passe sous l’élément fixe 60 et traverse l’élément support 30 au niveau de l’ouverture 30b, comme le montre la vue de gauche de la FIG. 3 . Cet élément complémentaire 40, monté sur l’élément support 30, est entraîné en rotation par les cannelures 40a qui coopèrent avec les cannelures 30a. Cet élément complémentaire 40, a une rainure circulaire 40b d’accueil du ressort de mise en légère pression de l’ensemble des éléments de ce dispositif de transmission de courant. Dispositif d’alimentation en courant (1) du rotor bobiné d’une machine électrique comprenant un premier élément support (30), porté par l’arbre rotor (10), entrainé en rotation par ce dernier, un second élément complémentaire (40) porté et entraîné en rotation par le premier élément support (30), ces deux éléments support et complémentaire encadrant un élément fixe en rotation (60) caractérisé en ce que les éléments support(30), complémentaire (40) et fixe (60), en matériau isolant, portent des plaques en forme de couronne en matériau conducteur, de préférence en cuivre ou en alliage de cuivre, respectivement (31),(41) rotatives et (61),(62) non rotatives et qu’entre les plaques en forme de couronne (31),(61) d’une part et (41),(62) d’autre part sont intercalés des disques transmetteurs(50a),(50b) identiques, composés d’un disque annulaire (51) en matériau isolant, dans lequel sont insérés des rouleaux (52),(53) cylindriques en matériau conducteur, ce qui permet de transmettre le courant électrique des plaques en forme de couronne (61),(62) fixes en rotation aux plaques en forme de couronne (31),(41) rotatives. Dispositif d’alimentation en courant (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que les plaques en forme de couronne (31),(41) possèdent chacune et respectivement quatre crans (31a),(41a) d’entrainement en rotation respectivement à l’élément support (30) rotatif , à l’élément complémentaire (40) rotatif et que les plaques en forme de couronne (61),(62) possèdent chacune et respectivement quatre crans(61a),(62a) d’entrainement par l’élément fixe (60), les rendant ainsi également fixes. Dispositif d’alimentation en courant (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que les plaques en forme de couronne (31),(41),(61),(62) conductrices de courant électriques, possèdent chacune et respectivement une languette (31b),(41b),(61b),(62b) de connexion électrique. Dispositif d’alimentation en courant (1) selon la revendication précédente caractérisé en ce que les languettes (31b) et (41b) sont connectées aux bobines du rotor de la machine électrique et que les languettes (61b) et (62b) sont connectées au dispositif externe d’alimentation en courant continu. Dispositif d’alimentation en courant (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que l’élément fixe (60) possède une excroissance (60a) en forme de U. Dispositif d’alimentation en courant selon la revendication précédente, caractérisé en ce que l’excroissance (60a) de l’élément fixe (60) coopère avec un pion (70) planté dans le carter (71) de la machine électrique, réalisant le blocage en rotation.