FR2830381A1

FR2830381A1 - Moteur a rotor decale pour un demarreur de vehicule automobile

Info

Publication number: FR2830381A1
Application number: FR0112578A
Authority: FR
Inventors: Gerard Vilou
Original assignee: Valeo Equipements Electriques Moteur SAS
Current assignee: Valeo Equipements Electriques Moteur SAS
Priority date: 2001-09-28
Filing date: 2001-09-28
Publication date: 2003-04-04
Anticipated expiration: 2021-09-28
Also published as: FR2830381B1; WO2003029643A1

Abstract

Moteur électrique comprenant un stator (16) équipé de bobines inductrices (32. 1, 32. 2,... 32n) destinées à engendrer un champ magnétique inducteur, et un rotor (14) sans collecteur du type à réluctance variable ou à cage d'écureuil. Le rotor (14) est déplaçable axialement par effet d'attraction magnétique depuis une position décalée de repos vers une position centrée de travail, dans laquelle un pignon (12) solidaire de l'arbre de transmission (18) s'engrène avec une couronne (20) dentée de démarrage. Un commutateur électronique (CE) est formé par un convertisseur piloté par une unité de commande (30) apte à exciter les bobines inductrices (32. 1, 32. 2,... 32n) du stator (16) pour obtenir ladite attraction magnétique et la rotation du rotor (14).Applications : démarreur de véhicule automobile.

Description

Moteur à rotor décalé pour un démarreur de véhicule automobile Domaine technique de l'invention L'invention concerne un moteur à rotor décalé pour un démarreur de véhicule automobile, comprenant : - un stator équipé de bobines inductrices destinées à engendrer un champ magnétique inducteur, - un arbre de transmission supportant le rotor, lequel est déplaçable axialement depuis une position décalée de repos vers une position centrée de travail sous l'effet de l'attraction magnétique exercée par le stator sur le rotor, - un pignon solidaire de l'arbre de transmission et destiné à s'engrener dans la position active de travail avec une couronne dentée de démarrage, - des moyens de rappel du rotor vers la position décalée de repos après interruption de l'alimentation, et des moyens de réglage du courant d'alimentation du moteur à partir de la batterie du véhicule.

État de la technique Un démarreur de véhicule automobile comporte d'une manière classique un moteur électrique rotatif dont l'arbre de sortie est équipé d'un pignon mobile destiné à coopérer avec une couronne dentée pour assurer le démarrage du moteur à combustion du véhicule. Le pignon est généralement monté à coulissement sur l'arbre du moteur entre une position de repos dans laquelle il est désengagé de la couronne dentée, et une position active de travail dans laquelle il engrène avec ladite couronne liée en rotation au vilebrequin du moteur de véhicule. Le moteur électrique du démarreur est associé à un contacteur à électro-aimant disposé au-dessus du moteur, et ayant une double fonction d'alimentation du moteur électrique en courant, et de déplacement du pignon mobile entre les deux positions de repos et de travail.

Le noyau mobile du contacteur est relié mécaniquement par un levier à un lanceur à roue libre auquel appartient le pignon. Le levier en forme de fourchette est monté à pivotement, et la roue libre est intercalée axialement entre le pignon et un moyeu, lequel est pourvu intérieurement de cannelures hélicoïdales en prise avec des dentures complémentaires portées par l'arbre de sortie du moteur électrique. L'ensemble lanceur et pignon est ainsi animé d'un mouvement hélicoïdal lors du déplacement du levier pour venir en prise avec la couronne dentée. L'excitation du contacteur est pilotée par l'actionnement de la clé de contact, qui ferme le circuit électrique vers la batterie.

Une autre manière connue pour déplacer le pignon vers la couronne dentée consiste à décaler axialement le rotor (induit) par rapport au stator (inducteur).

Dans ce cas, le contacteur décrit précédemment n'est plus nécessaire. Lors de l'alimentation du moteur, il se produit, en plus du mouvement de rotation, une force d'attraction magnétique s'exerçant dans la direction axiale pour recentrer l'induit sous l'inducteur. Le lanceur est solidarisé à l'arbre de transmission du rotor, et la course de translation doit être suffisante pour autoriser l'engagement du pignon sur la couronne dentée.

Le document EP-A-0922854 décrit un perfectionnement de ce dernier type de démarreur, dans lequel l'induit décalé est tronconique, et coopère avec un stator de forme complémentaire, de manière à développer une force d'attraction non nulle en fin de course de centrage de l'induit dans l'inducteur. Le bobinage de l'induit est alimenté par un collecteur, et est relié électriquement en série avec l'inducteur. L'intensité d'alimentation du moteur est contrôlée par un composant semi-conducteur de puissance, par exemple un transistor de puissance MOSFET, piloté par un circuit de commande en liaison avec la clé de contact, et un capteur de position. La variation du courant permet d'alimenter le moteur avec une intensité modérée pendant la course de déplacement du pignon vers la position de travail, puis avec une intensité plus importante après la phase d'engrenage. Le contrôle du courant n'est pas toujours maîtrisable en fonction de certains paramètres influant sur le couple résistant (température, viscosité du lubrifiant, etc..).

Selon le document FR-A-2791830, une comparaison du courant d'alimentation du moteur électrique avec une valeur de seuil, est opérée aussi longtemps que le pignon n'a pas atteint la position de travail. L'excitation du moteur est réduite en cas de dépassement du seuil.

Les inconvénients des démarreurs connus à rotor décalé sont les suivants : - Le pignon avance en direction de la couronne sous l'effet du recentrage magnétique axial, et est sollicité simultanément en rotation. L'accélération du pignon est particulièrement élevée dans le cas d'un moteur série à courant continu et à inducteur bobiné. Si le courant n'est pas contrôlé correctement, le pignon peut arriver contre la couronne avec une vitesse de rotation élevée, entraînant des risques de chocs et de non pénétration. Il en résulte des bruits relativement importants, et une usure prématurée du pignon et de la couronne par arrachement de métal ou destruction de la denture.

- Un moteur série à rotor décalé nécessite un collecteur dont la longueur est égale à au moins la longueur du balai augmentée de la course du pignon entre les positions de repos et de travail. La fabrication d'un tel collecteur entraîne une augmentation de l'encombrement axial du démarreur, ce qui engendre un coût trop élevé.

Objet de l'invention L'invention a pour but de pallier ces inconvénients, et de réaliser un démarreur à rotor décalé autorisant un engagement fiable et maîtrisé du pignon sur la couronne dentée à entraîner.

Selon l'invention, ce but est atteint par le fait que le rotor sans collecteur est du type à réluctance variable ou à cage d'écureuil, et par le fait que les moyens de réglage comportent un commutateur électronique formé par un convertisseur piloté par une unité de commande apte à exciter les bobines inductrices du stator pour obtenir ladite attraction magnétique et la rotation du rotor.

Un tel moteur à rotor décalé et à commutation électronique permet de supprimer le contacteur et le levier d'actionnement du pignon, et d'utiliser un rotor sans collecteur de manière à réduire l'encombrement, le coût et le poids du démarreur.

Selon un mode de réalisation préférentiel, des moyens d'injection d'un courrant continu dans au moins une des bobines inductrices sont rendus actifs pour assurer l'attraction magnétique du rotor. L'unité de commande coopère avec des moyens de détection pour scruter la venue en butée du pignon contre la couronne, par exemple au moyen d'un capteur de présence détectant une position axiale prédéterminée, ou d'un capteur d'intensité destiné à analyser la variation du courant dans ladite bobine.

Il est possible de remplacer les moyens de détection par des moyens de temporisation dont la durée est supérieure au temps mis par le pignon lors de son déplacement vers la couronne.

Pour obtenir un engagement en douceur du pignon dans la couronne, le dispositif peut avantageusement être complété par une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - les moyens de réglage du courant sont ajustés pour faire tourner le rotor à une vitesse de rotation lente lorsque le pignon arrive en butée contre la couronne ; - les moyens de réglage du courant sont ajustés pour faire tourner le rotor pas à pas lorsque le pignon arrive en butée contre la couronne, le temps d'arrêt entre chaque pas étant calculé pour autoriser l'engagement dudit pignon lorsqu'une dent de pignon se trouve en regard d'une rainure entre deux dents successives de la couronne ; - les moyens de réglage du courant sont ajustés pour obtenir dès la position de repos, une vitesse de rotation lente du rotor, et simultanément son déplacement par attraction magnétique vers la position de travail, de manière à obtenir un mouvement hélicoïdal permettant l'accostage en douceur du pignon contre la couronne ; - les moyens de réglage du courant sont ajustés pour alimenter les bobines inductrices sous pleine puissance après avoir détecté la pénétration du pignon dans la couronne ; - les moyens de détection sont agencés pour mesurer une brusque augmentation d'intensité ou un ralentissement de la vitesse angulaire du rotor lorsque le pignon se trouve en prise avec la couronne ;

- l'unité de commande interrompt l'alimentation des bobines inductrices dès que le démarrage est confirmé, entraînant le rappel automatique du rotor vers la position décalée de repos.

Description sommaire des dessins D'autres avantages et caractéristiques ressortiront plus clairement de la description qui va suivre de modes particuliers de réalisation de l'invention donnés à titre d'exemples non limitatifs, et représentés aux dessins annexés, dans lesquels : - La figure 1 est une vue schématique d'un démarreur à rotor décalé conforme à l'invention ; - La figure 2 montre le schéma connu en soi du commutateur électronique alimentant le moteur ; - La figure 3 illustre le diagramme A de la force d'attraction F et le diagramme
B de la force de rappel en fonction du décalage du rotor ;
La figure 4 représente la courbe du courant absorbé par la bobine lors de l'alimentation du moteur.

Description d'un mode de réalisation préférentiel.

En référence à la figure 1, le moteur 10 électrique du démarreur est un moteur à commutation électronique, sans collecteur, sans contacteur ou relais

auxiliaire, et sans levier d'actionnement du pignon 12. Le moteur 10 possède un rotor 14 à cage d'écureuil ou à réluctance variable, et un stator 16 équipé de bobines inductrices 32.1, 32.2,... 32n. Un carter 23 à deux flasques porte le stator 16 et le rotor 14.

Le rotor 14 est séparé du stator 16 par un entrefer 17 radial, et est décalé longitudinalement en position de repos par rapport au stator 16 à l'opposé du pignon 12. La distance de décalage dX est comprise entre 1 et 1,2 fois la longueur de la course C du pignon entre la position de repos (figure 1) et la position de travail.

Le pignon 12 est solidarisé à l'arbre de transmission 18 du rotor 14, soit directement (cas illustré à la figure 1) soit par l'intermédiaire d'une roue libre connue en soi (non représentée). Le pignon 12 se déplace donc en translation et en rotation avec le rotor 14 lors de l'alimentation des bobines inductrices 32.1, 32.2,... 32n. L'effet d'attraction magnétique du stator 16 provoque le déplacement en translation du rotor 14 à l'intérieur du stator 16, ledit déplacement étant au moins égal à la course C du pignon 12 pour que ce dernier puisse s'engrener avec la couronne 20 dentée de démarrage du moteur thermique du véhicule automobile.

Les extrémités opposées de l'arbre de transmission 18 sont supportées dans deux paliers 21,22 alignés, ménagés dans les flasques du carter 23 du moteur 10. De manière connue, le flasque associé au palier 21 sert à la fixation du

démarreur sur une partie fixe du véhicule. L'autre flasque supporte les bobines inductrices.

Des moyens de rappel du rotor 14, représentés par un ressort de compression 24, coopèrent avec l'extrémité gauche de l'arbre de transmission 18 pour ramener le rotor 14 vers la position décalée de repos lorsque l'alimentation du moteur est interrompue. Il est clair que d'autres systèmes de rappel peuvent être utilisés, notamment un aimant permanent ou un électroaimant.

Les bobines inductrices 32.1, 32.2,... 32n du stator 16 sont excitées séquentiellement par un commutateur électronique CE, lequel est logé à l'intérieur du carter 23 autour du palier 22, ou dans un boîtier auxiliaire.

Sur la figure 2, le commutateur électronique CE comporte à titre d'exemple un convertisseur de puissance 25 constitué d'un ensemble de cellules de commutation 26.1, 26.2... 26n ; 28.1, 28.2.... 28n montées en pont, et reliées en parallèle aux bornes de la batterie B. Les points milieux des ponts sont connectés aux bobines inductrices 32.1, 32.2,... 32n couplées en étoile, et une unité de commande 30 permet de piloter les différentes cellules de commutation 26.1, 26.2... 26n ; 28.1, 28.2.... 28n.

Les cellules de commutation 26.1, 26.2... 26n ; 28.1, 28.2.... 28n sont constituées à titre d'exemple par des transistors MOS. Le convertisseur 25 est constitué par un onduleur, ou un hacheur.

L'unité de commande 30 est dotée à cet effet d'une pluralité de sorties S raccordées à la grille de chacune des cellules de commutation 26.1, 26.2... 26n ; 28.1, 28.2.... 28n, et fournissant des signaux de commande de formes rectangulaires dont la fréquence est modulée en fonction de certains paramètres.

Le drain des cellules de commutation 26.1, 26.2... 26. n des branches supérieures du convertisseur 25 est raccordé à la borne positive de la batterie B, la source desdites cellules de commutation 26.1, 26.2... 26. n étant connectée aux bobines inductrices 32.1, 32.2,... 32n.

Le drain des cellules de commutation 28.1, 28.2.... 28n des branches inférieures est branché aux bobines inductrices 32.1, 32.2,... 32n correspondantes, et leur drain est en liaison avec la masse, qui se trouve au potentiel de la borne négative de la batterie B.

Des moyens de détection 36 fournissent à l'unité de commande 30 des signaux de mesure, et un interrupteur K actionné par la clé de contact, relie une entrée E de l'unité de commande 30 à la borne positive de la batterie B. Les moyens de détection 36 peuvent être réalisés par tout type de capteurs de position ou de mesure du courant d'alimentation, par exemple des capteurs inductifs, à effet Hall, capacitifs, piézoélectrique, etc...

Dans un premier mode de réalisation, au moins une des bobines inductrices du stator est alimentée par un courant continu pour créer un flux magnétique traversant le stator 16 et le rotor 14. L'ensemble se comporte comme un électroaimant à entrefer radial qui génère une force électromagnétique F axiale d'attraction sur le rotor 14. Le rotor 14 est ainsi sollicité dans une position de réluctance minimale, en étant centré sur le stator 16 à l'encontre de la force de rappel du ressort 24.

La figure 3 illustre le diagramme A de la force d'attraction F et le diagramme B de la force de rappel en fonction du décalage dX du rotor 14 par rapport à la position centrée. Le point d'intersection M des deux courbes intervient à la distance X2, et correspond à la position active d'équilibre lorsque ladite bobine du stator 16 est alimentée en courant continu. La distance X1 représente la position de repos décalée du rotor 14, lequel est sollicité par le moyen de rappel 24 contre une butée 38 liée au palier 22 de droite.

Lors du déplacement en transition du rotor 14 de X1 (position de repos) vers X2 (position de travail), le rotor 14 ne tourne pas, mais se cale angulairement en fonction de la position géométrique de la bobine alimentée en courant continu pendant cette première phase. En fin de course, le pignon 12 vient en butée contre la couronne 20 dentée, ce qui engendre l'alimentation des bobines inductrices 32.1, 32.2,... 32n par le convertisseur 25, de manière à créer une rotation lente du rotor 14 autorisant l'engagement du pignon sur la couronne 20.

L'arrivée du pignon 12 contre la couronne 20 peut être détectée suivant différentes manières : Soit par un capteur de présence qui signale une position axiale prédéterminée ; Soit par un capteur d'intensité qui détecte une variation du régime de montée du courant. On a en effet constaté que le déplacement axial du rotor 14 dans le champ magnétique crée une force contre-électromotrice qui s'oppose partiellement au passage du courant dans la bobine. Il en résulte un ralentissement de la montée en courant pendant la phase d'attraction entre les temps t1 et t2 (voir figure 4). Lorsque le rotor 14 vient buter dent contre dent contre la couronne 20, la force contre-électromotrice s'annule étant donné que la vitesse de déplacement tombe à zéro. La montée en courant dans la bobine s'accélère à nouveau après le temps t2. Le capteur de courant mesure en permanence la dérivée dl/dt, et la fin de course est détectée lors du passage d'une valeur négative à une valeur positive de la dérivée seconde de 1 par rapport au temps t.

A la place de faire intervenir les moyens de détection 36 pour détecter la venue en butée dent contre dent, il est aussi possible de faire usage de moyens de temporisation T entre le début du déplacement axial par attraction magnétique, et la mise en rotation du moteur électrique par le convertisseur 25. La durée de la temporisation doit être suffisante pour permettre le déplacement du rotor 14 jusqu'à la fin de course. La temporisation pourra être ajustée en fonction de la

tension disponible aux bornes du démarreur, et/ou de la valeur de la température sous le capot du véhicule.

Dans un deuxième mode de réalisation, lorsque le pignon 12 arrive en butée dent contre dent contre la couronne 20, on alimente successivement une ou plusieurs bobines inductrices 32.1, 32.2,... 32n du stator 16, de façon à faire tourner le rotor 14 pas à pas. Le temps entre chaque pas est suffisamment long pour autoriser l'engagement du pignon 12 sur la couronne 20 lorsque une dent du pignon 12 se trouve en regard d'une rainure entre deux dents consécutives de la couronne 20. Ce temps d'arrêt peut être compris entre 5 et 100 millisecondes.

Dans un troisième mode de réalisation, le moteur 10 est alimenté dès la position de repos, d'une part avec un courant suffisamment élevé pour déplacer le rotor 14 par attraction magnétique, et d'autre part avec une alimentation séquentielle des bobines inductrices 32.1, 32.2,... 32n du stator 16 pour obtenir une vitesse réduite du rotor, par exemple inférieure à 500 tr/mn. Le rotor 14 est ainsi animé d'un mouvement hélicoïdal permettant un accostage en douceur contre la couronne 20, et facilitant la pénétration du pignon sur celle-ci. Lorsque le pignon 12 s'engage dans la couronne 20, le rotor 14 se bloque ou ralentit. Dès que cet état est identifié par mesure de la vitesse du rotor 14, ou par la variation du courant absorbé ou de la tension aux bornes des bobines, le moteur 10 est ensuite alimenté directement ou progressivement avec la puissance maximale pour entraîner le moteur thermique jusqu'au démarrage.

En cas de mesure de la vitesse, on utilise soit un capteur de position angulaire du rotor 14 (capteur à effet Hall, spire de mesure sur un ou plusieurs pôles,..), soit les tensions induites dans les bobines. Il est également possible d'utiliser le capteur de vitesse du volant moteur qui sert à la gestion de l'injection et de l'allumage du moteur à combustion du véhicule.

Le démarreur reste alimenté jusqu'au démarrage du moteur à combustion indépendamment des modes de réalisation précités. La confirmation du démarrage peut être opérée par tout moyen connu, notamment par mesure de la vitesse d'entraînement, par mesure d'intensité du courant absorbé par le démarreur, ou par analyse de la tension du circuit électrique du véhicule.

Lorsque l'alimentation des bobines inductrices 32.1, 32.2,... 32n du stator 16 est interrompue, le rotor 14 retourne vers la position de repos sous l'effet du ressort de rappel 24.

Claims

Revendications 1. Moteur à rotor décalé pour un démarreur de véhicule automobile, comprenant - un stator (16) équipé de bobines inductrices (32.1, 32.2,... 32n) destinées à engendrer un champ magnétique inducteur, - un arbre de transmission (18) supportant le rotor (14), lequel est déplaçable axialement depuis une position décalée de repos vers une position centrée de travail sous l'effet de l'attraction magnétique exercée par le stator (16) sur le rotor (14), - un pignon (12) solidaire de l'arbre de transmission (18) et destiné à s'engrener dans la position active de travail avec une couronne (20) dentée de démarrage, - des moyens de rappel (24) du rotor (14) vers la position décalée de repos après interruption de l'alimentation, - et des moyens de réglage du courant d'alimentation du moteur (10) à partir de la batterie (B) du véhicule, - caractérisé en ce que le rotor (14) sans collecteur est du type à réluctance variable ou à cage d'écureuil, et en ce que les moyens de réglage comportent un commutateur électronique (CE) formé par un convertisseur (25) piloté par une unité de commande (30) apte à exciter les bobines inductrices (32.1, 32.2,... 32n) du stator (16) pour obtenir ladite attraction magnétique et la rotation du rotor (14).

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2. Moteur à rotor décalé selon la revendication 1, caractérisé en ce que des moyens d'injection d'un courrant continu dans au moins une des bobines inductrices (32.1, 32.2,... 32n) sont rendus actifs pour assurer l'attraction magnétique du rotor (14).
3. Moteur à rotor décalé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'unité de commande (30) coopère avec des moyens de détection (36) pour scruter la venue en butée du pignon (12) contre la couronne (20).
4. Moteur à rotor décalé selon la revendication 3, caractérisé en ce que les moyens de détection (36) comportent un capteur de présence signalant une position axiale prédéterminée du rotor (14) ou du pignon (12).
5. Moteur à rotor décalé selon la revendication 3, caractérisé en ce que les moyens de détection (36) sont constitués par un capteur d'intensité destiné à analyser la variation du courant dans ladite bobine.
6. Moteur à rotor décalé selon la revendication 5, caractérisé en ce que le capteur d'intensité mesure la dérivée dl/dt dudit courant par rapport au temps.
7. Moteur à rotor décalé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que des moyens de temporisation (T) coopèrent avec l'unité de commande (30) pour assurer la rotation du rotor (14) par l'excitation séquentielle des bobines

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inductrices (32.1, 32.2,... 32n), la durée de ladite temporisation étant supérieure au temps mis par le pignon (12) lors de son déplacement vers la couronne (20).
8. Moteur à rotor décalé selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les moyens de réglage du courant sont ajustés pour faire tourner le rotor (14) à une vitesse de rotation lente lorsque le pignon (12) arrive en butée contre la couronne (20).
9. Moteur à rotor décalé selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les moyens de réglage du courant sont ajustés pour faire tourner le rotor (14) pas à pas lorsque le pignon (12) arrive en butée contre la couronne (20), le temps d'arrêt entre chaque pas étant calculé pour autoriser l'engagement dudit pignon (12) lorsqu'une dent de pignon (12) se trouve en regard d'une rainure entre deux dents successives de la couronne (20).
10. Moteur à rotor décalé selon l'une des revendication 1 à 7, caractérisé en ce que les moyens de réglage du courant sont ajustés pour obtenir dès la position de repos, une vitesse de rotation lente du rotor (14), et simultanément son déplacement par attraction magnétique vers la position de travail, de manière à obtenir un mouvement hélicoïdal permettant l'accostage en douceur du pignon (12) contre la couronne (20).
11. Moteur à rotor décalé selon l'une des revendications 8 à 10, caractérisé en ce que les moyens de réglage du courant sont ajustés pour alimenter les

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bobines inductrices (32.1, 32.2,... 32n) sous pleine puissance après avoir détecté la pénétration du pignon (12) dans la couronne (20).
12. Moteur à rotor décalé selon la revendication 11, caractérisé en ce que les moyens de détection (36) sont agencés pour mesurer une brusque augmentation d'intensité ou un ralentissement de la vitesse angulaire du rotor (14) lorsque le pignon (12) se trouve en prise avec la couronne (20).
13. Moteur à rotor décalé selon la revendication 11, caractérisé en ce que l'unité de commande (30) interrompt l'alimentation des bobines inductrices (32.1, 32.2,... 32n) dès que le démarrage est confirmé, entraînant le rappel automatique du rotor (14) vers la position décalée de repos.