Description
Titre de l'invention : Palier plastique pour machine
électrique tournante
[1 ] La présente invention porte sur un palier plastique pour machine électrique
tournante.
[2] De façon connue en soi, les machines électriques tournantes comportent un stator et un rotor solidaire d'un arbre. Le rotor pourra être solidaire d'un arbre menant et/ou mené et pourra appartenir à une machine électrique tournante sous la forme d'un alternateur, d'un moteur électrique, ou d'une machine réversible pouvant fonctionner dans les deux modes.
[3] Le stator est monté dans un carter configuré pour porter à rotation l'arbre sur des paliers par l'intermédiaire de roulements. Le rotor comporte un corps formé par un empilage de feuilles de tôles maintenues sous forme de paquet au moyen d'un système de fixation adapté. Le rotor comporte des pôles formés par exemple par des aimants permanents logés dans des cavités ménagées dans la masse magnétique du rotor. Alternativement, dans une architecture dite à pôles "saillants", les pôles sont formés par des bobines enroulées autour de bras du rotor. Alternativement, le rotor sera formé de deux roues polaires comportant des griffes.
[4] Par ailleurs, le stator comporte un corps constitué par un empilage de tôles
minces formant une couronne, dont la face intérieure est pourvue d'encoches ouvertes vers l'intérieur pour recevoir des enroulements de phase. Ces enroulements traversent les encoches du corps du stator et forment des chignons faisant saillie de part et d'autre du corps du stator. Les enroulements de phase sont obtenus par exemple à partir d'un fil continu de section ronde ou carrée recouvert d'émail ou à partir d'éléments conducteurs en forme d'épingles reliées entre elles par soudage.
[5] Les contraintes, notamment imposées par les normes antipollution, nécessitent de limiter la masse notamment de la machine sur le véhicule. Or de telles
machines sont lourdes, en particulier du fait de la masse métallique des paliers du carter.
[6] Le carter de la machine supporte un certain nombre de dispositifs fonctionnels.
Un des dispositifs fonctionnels est l’interconnecteur c'est-à-dire la pièce assurant la liaison entre les enroulements de phase du stator de la machine et une électronique de puissance. Le carter supporte également un certain nombre de capteurs tels que par exemple le capteur de température, ou de position.
[7] Le document FR3065338 décrit par exemple l’intégration d’un capteur de position sur le palier avant.
[8] L’implantation de ces dispositifs sur le carter nécessite des étapes additionnelles de montage notamment, ce qui implique un coût.
[9] Suivant l’invention, le palier pour machine électrique tournante comprend un corps en matière plastique et au moins un conducteur électrique fixé de manière non amovible au corps en plastique.
[10] Grâce à l’invention, le palier en plastique obtenu est plus léger, ce qui réduit la masse globale de la machine. Par ailleurs un tel palier dans lequel les différentes fonctions sont par exemple moulées directement lors du moulage du corps du palier est moins coûteux à fabriquer. Le procédé de fabrication est notamment simplifié puisqu’on limite le nombre d’étapes de fabrication.
[1 1 ] Selon d’autres caractéristiques prises isolément ou en combinaison :
- le conducteur électrique est une trace au moins partiellement moulée dans le palier;
- le conducteur électrique est une trace à la surface du palier ;
- la trace est destinée à connecter au moins une première extrémité de bobinage avec un plot de connexion à l’électronique de puissance de la machine ou deux deuxièmes extrémités de bobinage entre elles, ou un premier point connecté à un élément qui est au potentiel de la masse de l’électronique de commande à un deuxième point connecté à un élément qui est au potentiel de la masse du contrôle moteur ;
Dans ce cas la barre de neutre du bobinage statorique est directement intégrée au corps du palier ce qui permet notamment de renforcer la tenue mécanique de
la barre du neutre, de simplifier le procédé de fabrication, et d’assurer une bonne isolation électrique.
- la trace est destinée à connecter une première extrémité de bobinage avec un plot de connexion à l’électronique de puissance de la machine ou deux deuxièmes extrémités de bobinage entre elles, le corps comprenant un muret moulé, entourant l’au moins un plot de connexion ;
- le corps comprend également une sonde d’un dispositif de détection de
courant positionnée en regard d’au moins une trace.
On entendra par « en regard » que la sonde est à proximité de la trace à une distance permettant une mesure par effet Hall du courant circulant dans la trace. La distance entre la sonde et la trace sera typiquement de l’ordre de 1 5mm.
- le corps comprend une sonde d’une unité thermique ;
- le corps comprend également au moins une sonde d’un capteur de la position du rotor;
- au moins un canal de guidage adapté pour guider au moins un connecteur électrique est moulé dans le corps du palier.
[12] L’invention porte également sur une machine électrique tournante comportant un stator polyphasé entourant un rotor monté sur un arbre s'étendant suivant un axe X correspondant à l'axe de rotation du rotor et au moins un palier comportant un logement de roulement pour le montage à rotation de l'arbre, et un tel palier.
[13] L’invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit et à l’examen des figures qui l’accompagnent. Ces figures ne sont données qu’à titre illustratif mais nullement limitatif de l’invention.
[14] Brève description des dessins :
[15] La [Figure 1 ] est une vue en coupe longitudinale d’une machine électrique tournante selon la présente invention ;
[16] La [Figure 2] est une vue en perspective de la machine illustrant le boîtier d’interface à la surface du palier ;
[17] La [Figure 3] est une vue en perspective d’un palier de la machine
comprenant des traces ;
[18] La [Figure 4] est une vue en perspective d’un palier comprenant une sonde d’un dispositif de détection de courant ;
[19] La [Figure 5a] est une vue en coupe d’une partie de la machine équipée d’une unité thermique de détection;
[20] [Figure 5b] est une vue en perspective de l’unité thermique de
détection équipant la machine;
[21 ] [Figure 6a] est une vue de dessus d’un un palier équipé d’un capteur de
position du rotor ;
[22] [Figure 6b] est une vue en perspective d’une partie du palier portant le
capteur de position.
[23] Les éléments identiques, similaires, ou analogues, conservent la même
référence d’une figure à l’autre.
[24] Dans la suite de la description, on entend par un élément "avant", un élément situé du côté de l’entrainement et par élément "arrière" un élément situé du côté opposé.
[25] La description sera faite dans le cas d’une architecture de machine où les paliers avant et arrière sont des paliers en matière plastique, chaque palier intégrant certaines fonctions.
[26] La figure 1 montre une machine électrique tournante 10 comportant un stator polyphasé 1 1 entourant un rotor 14 monté sur un arbre 13 s'étendant suivant un axe X correspondant à l'axe de rotation du rotor 14.
[27] Dans la suite de la description, les dénominations axiales, radiales,
extérieures et intérieures se réfèrent à l’axe X traversant en son centre l’arbre 13. La direction axiale correspond à l'axe X alors que les orientations radiales correspondent à des plans concourants, et notamment perpendiculaires, à l'axe X. Pour les directions radiales, les dénominations extérieure ou intérieure s'apprécient par rapport au même axe X, la dénomination intérieure
correspondant à un élément orienté vers l’axe, ou plus proche de l’axe par rapport à un second élément, la dénomination extérieure désignant un
éloignement de l’axe.
[28] Le stator 11 entoure le rotor 14 avec présence d’un entrefer entre la périphérie interne du stator et la périphérie externe du rotor 14. Le stator 1 1 est monté dans un carter muni d'un palier avant 17 et d'un palier arrière 18, les deux paliers étant disposés chacun à une extrémité axiale du stator.
[29] Les paliers 17, 18 sont assemblés entre eux au moyen de vis appelées tirants destinés à coopérer avec des trous filetés ménagés dans des oreilles saillantes des paliers 17, 18 en sorte que le stator est monté serré entre les deux paliers 17, 18.
[30] Au moins l’un des deux paliers 17 est en plastique. L’autre palier 18 est par exemple métallique, par exemple en aluminium. En variante l’autre palier 18 est également en plastique. Chaque palier 17, 18 est obtenu aisément par moulage. Dans la suite de la description on considérera que les deux paliers sont en plastique.
[31 ] Chaque palier comporte un corps formé par un flasque transversal 171 , 181 et par une jupe 172, 182. Le flasque transversal 171 , 181 s’étend dans un plan perpendiculaire par rapport à l’axe X1 du palier destiné à être confondu avec l’axe X de la machine. La jupe annulaire 172, 182 est issue de la périphérie externe du flasque et présente une orientation axiale par rapport à l’axe X1. Au moins un des paliers comporte un logement de roulement 15 pour le guidage en rotation de l’arbre.
[32] Cette machine électrique 10 pourra par exemple être destinée à être
accouplée à une boîte de vitesses appartenant à une chaîne de traction de véhicule automobile. La machine électrique 10 est apte à fonctionner dans un mode alternateur pour fournir notamment de l’énergie à la batterie et au réseau de bord du véhicule, et dans un mode moteur, non seulement pour assurer le démarrage du moteur thermique du véhicule, mais également pour participer à la traction du véhicule seule ou en combinaison avec le moteur thermique. La puissance de la machine 10 pourra être comprise entre 10kW et 50kW.
Alternativement, la machine électrique 10 pourra être implantée sur un essieu du véhicule automobile, notamment un essieu arrière.
[33] Plus précisément, le rotor 14 comporte un corps sous la forme d’un paquet de tôles. Des aimants permanents sont implantés dans des cavités du corps. Dans
l'exemple représenté, les aimants sont implantés suivant une configuration en V. Alternativement, les aimants sont implantés radialement à l'intérieur des cavités, les faces en vis-à-vis de deux aimants adjacents étant de même polarité. Il s'agit alors d'une configuration à concentration de flux. Les aimants pourront être en terre rare ou en ferrite selon les applications et la puissance recherchée de la machine 10.
[34] Par ailleurs, le stator comporte un corps constitué par un paquet de tôles ainsi qu’un bobinage 24. Le corps est formé par un empilement de feuilles de tôles indépendantes les unes des autres et maintenues sous forme de paquet au moyen d'un système de fixation adapté. Le corps est muni de dents délimitant deux à deux des encoches pour le montage du bobinage du stator.
[35] Le bobinage 24 comporte un ensemble d'enroulements de phase traversant les encoches et formant des chignons 25 et s'étendant en saillie de part et d'autre du corps de stator 1 1. Les enroulements de phase sont obtenus ici à partir d'éléments conducteurs en forme d'épingles dont les extrémités sont reliées entre elles par exemple par soudage. Alternativement, les enroulements de phase pourront être obtenus à partir d'un ou plusieurs fils continus.
[36] Les enroulements de phase pourront présenter par exemple une configuration en étoile ou triangle de type triphasé ou double triphasée. Ces enroulements sont destinés à être reliés à la partie puissance du module électronique. Le module électronique comporte la partie puissance avec le pont de puissance intégrant des éléments de puissance, tels que des transistors de type MOSFET, ainsi qu'un circuit électronique de commande de plusieurs détecteurs.
[37] Comme illustré à la figure 2, un boîtier d’interface 40 destiné à être connecté au module électronique est solidaire de la surface du palier avant 17. Le boîtier 40 comprend des plots 41 en matériau conducteur moulés par leur base dans le palier plastique. Un muret 42 entourant les plots s’étend avantageusement depuis la surface du palier transversalement à la surface du palier. Le muret est par exemple venu de matière avec le palier plastique. Le muret 42 permet la coopération du boîtier 40 avec le boîtier de connexion du module électronique et assure l’étanchéité.
[38] Comme illustré à la figure 3, des conducteurs 43 relient notamment des premières extrémités 240 dudit bobinage 24 aux plots de connexion 41 du boîtier d’interface 40. Les conducteurs 43 sont fixés de manière non amovible au palier plastique.
[39] Les conducteurs 43 sont avantageusement des traces au moins partiellement moulées dans le palier. En variante les conducteurs sont des traces obtenues par peinture ou plastronique à la surface du palier plastique. Les traces faites par plastronique seront en particulier les traces permettant de relier des masses entre elles, et donc dans lesquelles circule un faible courant. Une première extrémité de bobinage 240 est par exemple soudée à une trace.
[40] En variante la première extrémité de bobinage 240 est vissée à la trace. La trace 43 est également avantageusement soudée au plot 41.
[41 ] Comme on peut le voir sur la figure 3, les traces 43 permettent donc d’assurer une connexion électrique de chaque sortie de phase avec un plot 41 adapté pour la connecter au module électronique de puissance précité, et des sorties de neutre entre elles. Dans le cas triphasé, trois traces 43 relient donc
respectivement chacune des premières extrémités de bobine correspondant à une phase 240, avec un plot 41 par phase. D’autres traces 44 permettent par ailleurs d’établir les connexions électriques des deuxièmes extrémités de bobine 241 correspondant à des sorties de neutre entre elles. Dans le cas triphasé, deux autres traces 44 permettent d’établir les connexions électriques des deuxièmes extrémités de bobine 241 entre elles.
[42] Des ouvertures 45 sont notamment prévues dans le flasque transversal du palier avant 171 pour y faire sortir les extrémités de bobinage statorique à connecter aux traces 43, 44. Une ouverture 45 permet par exemple de faire sortir les deux extrémités de bobinage 240, 241 d’une phase et du neutre
correspondant dans le cas d’un couplage en étoile.
[43] Comme illustré à la figure 2, l’ouverture 45 est par exemple entourée d’une paroi 46 adaptée pour protéger les extrémités des fils sortant de cette ouverture, formant ainsi un logement 47. La paroi 46 est par exemple venue de matière avec le flasque transversal du palier plastique, c’est-à-dire que la paroi 46 est
formée d’un seul tenant avec le flasque. Les parois sont avantageusement directement moulées lors du moulage du palier.
[44] Dans le cas d’une machine refroidie à huile en particulier, les extrémités de bobinage non isolées doivent être protégées contre l’infiltration d’huile. Dans ce cas les logements 47 sont avantageusement remplis de résine pour protéger les extrémités de bobinage. En variante on peut prévoir une seule ouverture 45 pour toutes les sorties de bobinage d’un système triphasé par exemple, la paroi 46 entourant cette ouverture et de la résine pouvant être utilisée pour remplir le logement ainsi formé de sorte à protéger les extrémités de bobinage. En variante chaque logement ainsi formé par la paroi pourra être fermé par un couvercle, monté de façon étanche sur ladite paroi 46.
[45] Des traces pourront également être prévues pour interconnecter un premier point connecté à un élément qui est au potentiel de masse de l’électronique de commande à un deuxième point connecté à un élément qui est au potentiel de masse du contrôle moteur. Le potentiel de masse de l’électronique de commande est récupéré au niveau d’un des plots 41 de phase du boîtier d’interface. Le potentiel de masse du contrôle moteur est récupéré au niveau de trous de fixation 190 du carter au véhicule. La masse est par exemple dans ce cas celle du 12V.
[46] Le palier 17 comprend une sonde 51 d’un dispositif de détection de courant 50, illustrée à la figure 4, permettant une mesure d'un courant circulant dans la trace de puissance. La sonde est donc au moins partiellement moulée dans le corps du palier plastique. La sonde 51 est par exemple une sonde de champ magnétique. La sonde de champ magnétique pourra être une sonde à effet Hall qui présente l'avantage d'être peu encombrante, de consommer peu de puissance, et de fournir un signal insensible aux bruits. Dans le mode de réalisation de la figure 4, la sonde 51 est montée en regard de la trace de puissance. Plus précisément, la sonde est positionnée en regard d'une portion de la trace.
[47] Comme on peut le voir clairement en figures 4, un bouclier ferromagnétique 52 permet de réduire les perturbations magnétiques susceptibles d'influencer la mesure réalisée par la sonde. Le bouclier ferromagnétique 52 est constitué par
une pièce en forme de U ayant une paroi de fond 521 de laquelle sont issues deux parois d'extrémité 522. La paroi de fond 521 présente une face en contact avec la face de la trace opposée à celle portant la sonde 51. Les parois d'extrémité 522 s'étendent de part et d'autre de la sonde 51. Les parois d'extrémité 522 s'étendent sensiblement perpendiculairement au fond 521 et à la portion de la trace portant la sonde. La largeur du U du bouclier 52
correspondant à la distance entre les parois d'extrémité 522 est sensiblement égale à la largeur de la trace de puissance.
[48] La sonde 51 est associée à un connecteur 53 doté d'une pluralité de broches de connexion. Deux des broches sont destinées à l'alimentation de la sonde 51 , et au moins une broche est destinée au transport d'un signal relatif à la mesure effectuée par la sonde.
[49] La sonde 51 et le connecteur 53 sont montés sur un circuit intégré 54 lequel est plaqué contre la portion de la trace de puissance. Le circuit intégré pourra être rigide ou souple. Le connecteur 53 est relié à l’unité de contrôle de l’électronique de commande, via un câble de connexion comme illustré à la figure 4. En variante, le connecteur est relié à l’électronique de commande par exemple par des traces surmoulées (non illustré).
[50] Comme illustré en figure 4, la trace 43 ainsi qu’au moins une partie du
bouclier 52 et que le circuit intégré 54 sont surmoulés dans le palier plastique, en délimitant une cavité dans laquelle se situe la sonde 51. Afin d'éviter la
pénétration de poussières, liquide, ou autres salissures dans la zone de mesure, la cavité est fermée de façon hermétique par un couvercle. En variante, la cavité est comblée par un matériau de type résine.
[51 ] Par ailleurs, afin de protéger la machine électrique en cas de surchauffe, on équipe cette machine d’une unité thermique de détection 70, illustrée à la figure 5a. Cette unité est destinée à être reliée via au moins un conducteur 73 à un circuit de protection thermique (non représenté) configuré pour réduire ou couper l'alimentation électrique de la machine lors de la détection d'une surchauffe.
[52] Plus précisément on utilise une sonde de température 71 (visible notamment à la figure 5b) solidaire d’un support 72 élastique de fixation au palier avant 17 de la machine électrique tournante. La sonde de température 71 sera notamment un
thermistor encapsulé dans du verre. Le support de fixation 72 sera notamment une portion flexible telle qu’une gaine compressible. La gaine sera par exemple une gaine en silicone. En variante il s’agira d’une gaine en caoutchouc ou en résine avec des propriétés élastiques. La sonde 71 débouche aux deux extrémités de la gaine.
[53] Une partie de la gaine est surmoulée dans la palier plastique avant 17, de sorte que les deux extrémités de la sonde débouchent de part et d’autre de la paroi du palier plastique. Dans un mode de réalisation, la gaine élastique est préalablement surmoulée sur le pourtour d’une ouverture du palier puis la sonde de température est insérée dans la gaine. En variante la sonde est préalablement intégrée dans la gaine compressible puis le tout est moulé dans le palier.
[54] Les conducteurs 73, par exemple des fils, connectés à l’extrémité de la sonde 71 sont guidés le long de la surface du palier avant 17. Dans un mode préféré de réalisation, des pattes de connexion 74 permettent de relier les fils au circuit de protection thermique. Les pattes conductrices 74 sont par exemple des traces à la surface du palier avant 17. Les extrémités des fils sont reliées aux pattes conductrices 74, notamment par soudure. De la résine est avantageusement utilisée pour recouvrir la jonction entre les pattes conductrices 74 et les fils 73, pour éviter qu’elles soient endommagées.
[55] La gaine 72 s’étend en saillie vers le chignon 25 de bobinage, et est destinée à venir localement en contact avec le chignon 25 concerné du bobinage du stator. La gaine est dans un matériau résistant à la chaleur transmise par le chignon 25 du bobinage. Elle assure un grand transfert thermique entre la sonde 71 et le chignon 25 concerné du bobinage. Cette gaine est électriquement isolante. La face interne de cette gaine présente une plus grande zone de contact avec le chignon que celle de contact direct entre la sonde 71 et le chignon 25 comme visible à la figure 5b. La gaine assure l’étanchéité et l’isolation électrique de la sonde 71 et de l’extrémité du ou des connecteurs 73, qui pourra être dénudée. La sonde 71 est en contact avec le chignon de bobinage 25 par effet ressort du support 72.
[56] En variante, dans le cas où la matière plastique n’est pas électriquement
conductrice, la sonde peut être partiellement moulée directement dans le palier
plastique notamment pour mesurer la température ambiante de la machine. Dans ce cas, la sonde n’est pas encapsulée dans une gaine conductrice. La sonde s’étend entre deux extrémités, la paroi latérale de la sonde étant moulée dans la palier plastique, la sonde débouchant donc de part et d’autre du flasque transversal du palier plastique.
[57] Comme illustré à la figure 6a, le palier arrière 18 comprend également
notamment des sondes 61 d’un capteur de position du rotor 60. Le capteur de position détecte notamment la position angulaire du rotor. Le capteur de position est notamment de type à lecture axiale.
[58] Ce capteur 60, visible sur la figure 6b, comporte une rondelle cible 65 montée autour de l'arbre 13. La rondelle 65 s'étend dans un plan perpendiculaire à l'axe de rotation X du rotor.
[59] Les sondes 61 de mesure de champ magnétique sont agencées pour assurer une mesure du champ magnétique générée par la rondelle cible 65 suivant la direction de l'axe de rotation X du rotor. En l'occurrence, on utilise trois sondes
61 décalées angulairement entre elles de façon régulière. Les sondes 61 sont avantageusement des sondes de type à effet Hall. En variante les sondes 61 sont des sondes à courant de Foucault.
[60] Les sondes de mesure de champ magnétique 61 sont montées en surface d'un circuit imprimé 62, tel que montré sur la figure 6b. Le circuit imprimé 62 est monté sur un support 63. Le support 63 par exemple en plastique est solidaire du stator 1 1 de sorte que les sondes 61 soient en regard de la rondelle cible 65.
[61 ] Les sondes 61 sont connectées à une unité de contrôle de l’électronique de commande, par exemple par des connecteurs filaires 65 allant du circuit imprimé
62 vers l’électronique. Le support 63 sur lequel est monté le circuit imprimé 62 est surmoulé dans le palier plastique 18 de sorte que les sondes 61 soient dégagées en regard de la rondelle, les connecteurs filaires 65 débouchant du palier vers l’électronique. En variante, les connecteurs 65 vers l’électronique de commande sont en partie des traces surmoulées dans le palier (non illustré).
[62] Ainsi, en fonctionnement, la rotation du rotor fait varier le champ magnétique reçu par les différentes sondes 61. Ces sondes 61 transmettent à l’unité de commande des signaux électriques qui sont fonction des niveaux de champ
magnétique reçus. L'unité de commande traite ces signaux pour en déduire la vitesse ainsi que la position du rotor.
[63] L’intégration du capteur de position 60 dans le palier plastique arrière 18 permet de réduire le nombre de pièces, d’améliorer et de simplifier la fixation dudit capteur de position sur la machine et permet la non rotation du capteur durant toutes les variations thermiques.
[64] Dans un mode préféré de réalisation, le flasque transversal du palier arrière 181 pourra notamment comprendre au moins un canal de guidage 64 adapté pour guider au moins un connecteur électrique 65 reliant les sondes 61 à l’unité de contrôle, comme illustré à la figure 6a. Le canal de guidage 64 est par exemple délimité par deux bourrelets de matière plastique moulés lors du moulage du palier au niveau du flasque transversal 181 et se prolongeant potentiellement sur la jupe annulaire 182 pour le guidage.
[65] Bien entendu, la description qui précède a été donnée à titre d'exemple
uniquement et ne limite pas le domaine de l'invention dont on ne sortirait pas en remplaçant les différents éléments par tous autres équivalents.
[66] En outre, les différentes caractéristiques, variantes, et/ou formes de
réalisation de la présente 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.
[67] Cette description pourra notamment s’appliquer à une machine de type rotor à griffes dans laquelle par exemple le pignon sera remplacé par une poulie.