FR2992798A1

FR2992798A1 - Moteur a courant continu, systeme de moteur et procede de realisation

Info

Publication number: FR2992798A1
Application number: FR1356268A
Authority: FR
Inventors: Dirk Buehler; Sulistiyo Tri Prabowo; Philipp Hugelmann
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2012-06-29
Filing date: 2013-06-28
Publication date: 2014-01-03
Anticipated expiration: 2033-06-28
Also published as: BR102013016553B1; FR2992798B1; CN103532330B; CN103532330A; BR102013016553A2; DE102012211359A1

Abstract

Moteur à courant continu (1) ayant un induit avec deux bobines portées par l'arbre (3) et un collecteur commutateur (2) ayant au moins une paire de balais (14) coopérant avec les lamelles de collecteur (4) portées par l'arbre d'induit. Les balais (14) ont chacun une pointe (12) pour toucher les lamelles de collecteur (4) et au moins une paire polaire avec un axe (x x ) passant par les pôles magnétiques dirigés vers l'axe de rotor (3). Les pointes (12) sont chaque fois décalées du même angle de réglage (beta) d'une position dans laquelle l'instant de commutation des balais (14) est décalée par rapport à celui du passage par 0 de la tension induite dans les bobines. L'invention se rapporte également à un système de moteur à courant continu.

Description

Domaine de l'invention La présente invention se rapporte à un moteur à courant continu comportant un induit avec au moins deux bobines installées sur un arbre d'induit rotatif, un collecteur commutateur ayant au moins deux paires de balais avec deux balais coopérant avec les la- melles de collecteur de l'arbre d'induit : - les balais ayant chacun une pointe en contact avec les lamelles de collecteur et avec au moins une paire de pôles magnétiques situés sur un axe géométrique passant par l'arbre de rotor.

L'invention se rapporte également à un système de mo- teur à courant continu et à un procédé de réalisation de balai pour un tel moteur à courant continu ou un tel système de moteur à courant continu. Etat de la technique Les moteurs à courant continu du type défini ci-dessus sont connus selon l'état de la technique. Dans le cas de moteur à courant continu à balai, le collecteur comporte en général au moins deux balais coopérant avec des lamelles de collecteur correspondantes, installées solidairement en rotation sur l'arbre de rotor. Dans le cas de la présente description, les balais sont tous des éléments de contact glis- sant de sorte que dans cette définition, les balais peuvent être des éléments de balais déformables élastiquement et aussi des éléments de corps solide ou des goujons de contact glissant. Ainsi, les pointes des balais constituent un point de contact, une ligne de contact ou une sur- face de contact avec les lamelles de collecteur. Les balais sont habituel- lement installés de manière fixe par rapport au boitier pour la position par rapport à l'arbre de rotor et le corps du balai est fixé dans un support de balai. Si le collecteur commutateur comporte deux balais, ceux-ci sont habituellement dans des supports de balai diamétralement op- posés, portant chacun un balai. En outre, à côté des pôles magnétiques habituels, constituant une paire polaire et qui sont installés en position fixe à côté du boitier et leurs champs magnétiques forment respectivement un axe magnétique radial par rapport à l'axe du rotor. La position des bobines de l'induit commutée par les balais par rapport au pôle magnétique ou à l'axe magnétique influence la caractéristique du mo- teur ainsi qu'un grand nombre de grandeurs secondaires telles que par exemple l'ondulation du couple ou le développement du bruit généré par le moteur à courant continu. Habituellement, on choisit la position des balais par rapport au pôle magnétique et la positon des lamelles du col- lecteur par rapport aux bobines pour que les bobines commutent, c'est- à-dire commutent d'une lamelle de collecteur à la lamelle suivante et court-circuitent ainsi le cas échéant des lamelles voisines lorsque les bobines se situent au milieu des pôles magnétiques ou des axes des aimants polaires. En fonctionnement, cela correspond au moment du passage par 0 de la tension induite dans les bobines par les pôles ma- gnétiques. Exposé et avantages de l'invention La présente invention a pour objet un moteur à courant continu du type défini ci-dessus, caractérisé en ce que les pointes des balais sont décalées du même angle de réglage par rapport à une posi- tion dans laquelle l'instant de commutation respectif des balais est décalé par rapport au passage par 0 de la tension induite dans les bobines. Le moteur à courant continu, selon l'invention a l'avantage de diminuer l'ondulation du couple et en outre, d'améliorer la compatibilité électromagnétique. Le moteur à courant continu selon l'invention se caractérise en ce que, comme indiqué ci-dessus, les pointes des balais sont décalées chaque fois du même angle de réglage par rapport à la position dans laquelle l'instant de commutation respec- tif des balais coïncide avec le passage par 0 de la tension induite dans les bobines. En d'autres termes, les balais d'une paire de balais sont décalés d'un angle de réglage donné par rapport à la position habituelle de commutation. Cette rotation constructive des pointes des balais donne les avantages développés ci-dessus. Il est important que les deux pointes de balai soient décalées du même angle de réglage, c'est-à-dire de la même amplitude. Les pointes de balai peuvent être décalées dans la même direction ou dans des directions opposées de façon que l'angle entre les pointes des balais (par rapport à l'axe de rotation de l'arbre d'induit) reste le même ou change.

Selon un développement avantageux de l'invention, l'angle de réglage est défini en fonction du nombre (n) de lamelles du collecteur commutateur. En particulier, l'angle de réglage (13) est défini dans la plage suivante : 1°< [3 < 360°/(n*2) On optimise ainsi l'ondulation du couple et la comptabilité électromagnétique du moteur à courant continu.

De façon préférentielle, les pointes des balais de la paire de balais sont décalées dans la même direction selon l'angle de réglage de façon à avoir globalement une avance ou un retard de commutation. Le décalage des pointes des balais se situe dans la même direction, c'est-à-dire pour une avance ou un retard de commutation du moteur à courant continu, selon le sens de rotation de l'arbre de rotor. De façon préférentielle, la grandeur caractéristique du moteur à courant continu qui dépend du nombre de lamelle de collecteur est divisée par le double du nombre de paires polaires de pôles magnétiques du moteur à courant continu, cette grandeur caractéristique étant un nombre entier. De façon usuelle, l'instant de commutation est choisi selon la topologie du moteur pour que la commutation se fasse simultanément ou en alternance. Si la grandeur caractéristique est un nombre entier, la commutation est habituellement simultanée. Si la grandeur caractéristique n'est pas un nombre entier, la commutation se produit de manière alternée. De façon préférentielle, la grandeur carac- téristique du moteur à courant continu est un nombre entier. L'avance ou le retard de commutation du moteur à courant continu peut ainsi s'obtenir tout en conservant la simultanéité de la commutation. Selon un développement avantageux de l'invention, les pointes de la paire de balais sont décalées dans des directions opposées suivant un angle de réglage de sorte que les balais commutent de manière alternée. Suivant une autre caractéristique, les balais ne commutent pas simultanément d'une lamelle de commutateur à la suivante, mais successivement ou de façon alternée et l'un des balais commute avant l'autre qui commute en retard. La commutation alternée, pendant la phase de commutation réduit l'intensité du courant car seulement la moitié des bobines à commuter de l'enroulement d'induit est court-circuitée simultanément. On diminue ainsi les forces d'excitation et notamment l'ondulation du couple, ce qui diminue le bruit engendré par le moteur à courant continu. De façon préférentielle, chaque balai a un corps de base logé dans le support de balai et la pointe du balai est excentrée par rapport au corps de base ou par rapport à l'arbre d'induit. De façon correspondante, l'amplitude du décalage latéral ou du décalage décentré, se règle par l'angle de réglage des pointes des balais et de façon correspon- dante, selon l'un des types de commutation décrit ci-dessus, sans avoir à modifier le support de balai. Selon que le balai est placé dans le support respectif, la pointe du balai et ainsi l'instant de sa commutation pour la bobine se fera dans l'une ou l'autre direction par rapport à l'axe magnétique du pôle magnétique correspondant ce qui règle ainsi la commutation alternée, la commutation simultanée, l'avance de commutation ou le retard de commutation. De façon particulièrement préférentielle, la pointe du balai est réalisée par meulage et/ou par couple du segment de balai de façon que cette pointe soit décentrée par rapport au corps de base du balai. De façon avantageuse, au moins l'un des balais est droit, cintré, en forme de banane, et/ou en forme de losange. On dispose ainsi d'une manière simple la pointe du balai par rapport à l'axe magnétique respectif ou le réglage souhaité de l'instant de commutation.

Selon un développement avantageux de l'invention, le ba- lai et notamment la pointe du balai est munie d'un moletage qui améliore le contact des lamelles de collecteur. Le système de moteur à courant continu avec le moteur à courant continu décrit ci-dessus comprend au moins deux jeux de ba- lais respectivement identiques et qui seront sélectionnés pour garnir les supports de balais ; les jeux de balais se distinguent par la disposition excentrée des pointes par rapport au corps de base si bien que suivant le jeu de balais choisi, le collecteur commutateur sera avec avance ou retard de commutation ou les balais commuteront simultanément ou en alternance. Dans le montage, on peut ainsi choisir un jeu de balai qui réalisera une avance ou un retard de commutation ou encore une commutation alternée ou simultanée du moteur à courant continu. Ce principe de jeu de construction facilite le montage et diminue le coût de fabrication. Au moins, l'un des jeux de balais peut également avoir des pointes en position centrale dans la mesure où le jeu de balais choisi pour le support de balais en face, a une pointe de balais excentrée. L'invention a également pour objet un procédé de réalisa- tion d'un balai de moteur à courant continu comprenant les étapes suivantes, consistant à : - utiliser un balai ayant un corps de balai et un organe de contact de balai, et - couper et/ou meuler le corps de contact de façon à obtenir une pointe de balai excentrée par rapport au corps de base de balai. Les balais ainsi réalisés peuvent s'utiliser au montage du moteur à courant continu pour régler le type de commutation souhaité selon les critères développées. Dessins La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide de modes de réalisation de moteurs à courant con- tinu, à collecteur représenté schématiquement dans les dessins an- nexés dans lesquels : - la figure 1 montre un moteur à courant continu avec un collecteur et des balais à commutation simultané. - la figure 2 montre le moteur à courant continu avec des balais de collecteur commutant en alternance. - la figure 3 montre le moteur à courant continu avec des balais en avance ou en retard de commutation pour le collecteur, représenté à chaque fois par une vue en coupe simplifiée. - la figure 4 montre le moteur à courant continu avec des balais à commutation alternée selon une variante de réalisation. Description de modes de réalisation de l'invention La figure 1 montre par une vue en coupe simplifiée, un moteur à courant continu 1 ayant un collecteur commutateur 2, comme inverseur de courant pour inverser la polarité du moteur à courant con- tinu. Le moteur à courant continu comporte un arbre d'induit 3 monté à rotation dans le boitier du moteur et ayant au moins deux enroulements d'induit ou bobines non représentés. Les bobines sont reliées à des lamelles de collecteur 4 installées solidairement en rotation sur l'arbre 3 du rotor. Ces lamelles ne sont pas détaillées. Elles constituent la surface enveloppe extérieure 5 de l'arbre de rotor 3 dans la région du commutateur 2. Le branchement électrique des lamelles de collecteur 4 est assuré par des balais 6 qui sont ici diamétralement opposés par rapport à l'axe de rotation 7 de l'arbre de rotor 3, c'est-à-dire de façon alignés sur l'axe polaire magnétique (xi x2) de pôles magnétiques non détaillés faisant partie d'une paire de pôles magnétiques. Les balais 6 sont fixés à des supports de balai 8 eux-mêmes installés dans le corps de base 9 des supports de balai. Les supports de balai 8 sont, sous la forme de carquois et ils poussent les balais par des ressorts contre les lamelles de collecteur 4. Les balais 6 ont chacun un corps de base 10 fixé de façon correspondante aux supports de balai 8 de façon alignée sur l'axe polaire respectif (xi x2). Le corps de base du balai 10 se poursuit par un segment de contact de balai 11 tourné vers les lamelles de collecteur 4.

Le segment de contact de balai 11 respectif se termine par une pointe de balai 12 en contact avec les lamelles de collecteur 4 de préférence avec une surface de contact. Les pointes des balais 12 sont diamétralement opposées et font ainsi un angle de balai a = 180°. La position des pointes 12 des balais par rapport au pôle magnétique ainsi que la posi- tion des lamelles de collecteur 4 par rapport aux bobines sont choisies pour avoir une commutation lorsque les bobines sont situées au milieu suivant l'axe magnétique ou les axes magnétiques et que l'on ainsi un passage par 0 de la tension induite appliquée aux bobines. L'angle de balai a est défini par le point de contact entre les pointes de balai 12 et les lamelles de collecteur 4. La grandeur caractéristique (f) du moteur à courant continu 2 est un nombre entier. Le moteur à courant 1 a une grandeur caractéristique f qui découle du nombre de lamelles de collecteur 4 et du nombre de paires polaires. La grandeur caractéristique est donnée par l'équation suivante : f = n/ 2p Dans cette équation (p) représente le nombre de paires polaires et (n) le nombre de lamelles de collecteur 4. Si la grandeur ca- s ractéristique f est un nombre entier, on a habituellement une commuta- tion simultanée sur les balais 6 du moteur à courant continu 1 comme cela est représenté à la figure 1. Les figures 2 et 3 montrent un exemple de réalisation du moteur à courant continu 3 selon l'invention. Les éléments connus se- 10 lon la figure 1 portent les mêmes références et pour leur description ou se reportera à celle déjà donnée ci-dessus. La suite de la description porte essentiellement sur les différences. Les balais 4 de l'exemple de réalisation selon la figure 3 se distinguent des balais 6 de l'exemple de réalisation de la figure 1 par 15 la position des pointes au sommet 12 des balais par rapport au corps de base 10 des balais. Selon la figure 2, les segments de contact 11 des balais sont meulés ou coupés pour que les pointes 12 des balais soient décentrés par rapport au corps de base 10 des balais et se trouvent ainsi dé- 20 calés d'un angle de réglage [3 par rapport à l'axe xi x2 des pôles magnétiques qui sont alignés sur la ligne de liaison géométrique 13. Passant par le milieu des corps de base des balais et par l'axe de rotation 7. Les pointes 12 des balais sont alors décalées dans un sens opposé, c'est-à-dire sur le même côté de la ligne de liaison 13 de sorte que 25 l'angle de balai a qui en résulte est inférieur à 180°. Les balais 14 sont réalisés de la même manière et sont uniquement installés de manière symétrique plane dans les supports de balai ou carquois 8 respectifs de sorte que les pointes 12 se situent sur le même côté de la ligne de liaison 13. 30 Les balais 14 de la figure 2, commutent alternativement à la rotation de l'arbre de rotor 3. Cela réduit le courant de court-circuit pendant la phase de commutation sous l'effet des forces d'excitation ou de l'ondulation du couple et cela diminue le bruit généré par le moteur à courant continu 1. De façon particulièrement préférentielle, les ins- 35 tants de commutation ou la position des pointes 12 des balais par rap- port à la position initiale de la figure 1 sont décalés d'une moitié d'une division des lamelles de collecteur et de manière particulièrement préférentielle elles le sont de façon symétrique. Les balais 14 font partie d'un jeu de balais. Les balais d'un jeu sont différents des balais 6 en ce que les pointes 12 des balais sont excentrées. Pour avoir l'angle de balai a, on peut également envisager de ne changer qu'un des balais 6 pour le remplacer par un balai 14 du second jeu de balais. Dans tous les cas, on a un angle de balai al inférieur à 180° qui se traduirait par une alternance de commutation.

Suivant la réalisation du support de balai 8, comme décrit ci-dessus, les balais 14 peuvent être identiques et seule l'orientation correspondant dans le support de balai, donnera l'angle de balai ai choisi et/ la commutation alternée. En variante, on peut envisager pour des supports de balai 8 réalisés différemment, d'utiliser pour chaque support de balai 8, son propre jeu de balai réalisé de manière appropriée. Le système de moteur à courant continu ainsi obtenu, permet d'équiper le moteur à courant continu 1 selon le principe du jeu de construction ; pour la commutation en alternance, on utilise uniquement les balais de l'autre jeu de balais ou d'un autre jeu de balais dans les supports de balai 8. La figure 3 montre un autre exemple de réalisation d'un moteur à courant continu 1 selon l'invention. A la différence de l'exemple de réalisation de la figure 2, les balais 14 sont installés sur le support de balai 8 respectif pour que les pointes 12 des balais soient décalées dans la même direction d'un angle de réglage 0 ou se situent sur les côtés différents de la ligne de liaison géométrique 13. Si les pointes 12 des balais sont décentrées de la même amplitude, elles ont la même distance par rapport au milieu du corps rond du balai rond si bien que l'angle de balai sera a = 180°, correspondant à une commuta- tion simultanée. A la différence de l'exemple de réalisation de la figure 1, par la disposition excentrée des pointes 12 des balais 14, le collecteur 2 sera commuté en avance ou en retard selon le sens de rotation de l'arbre de rotor 2. Grâce au balai 14 et à la disposition correspondante du point de vue de sa pointe 12, on peut ainsi réaliser à la fois une commutation alternée (figure 2) et aussi une commutation avec avance ou retard (figure 3) et cela de manière simple sans adaptation constructive du support de balai 8. La seule géométrie des balais 14 du corps d'usure des balais permet d'avoir l'angle souhaité pour les balais et/ou une avance ou un retard de commutation. La géométrie des balais 14 peut ainsi avoir une forme droite, cintrée, courbe en banane, en losange ou des crochets avec des rapports de dimensions différentes. On peut également envisager de munir les balais 14, notamment les pointes 12 des balais 14, d'un moletage avec des rapports de dimensions différentes.

La commutation alternée réglée réduit l'amplitude des ondulations de courant et ainsi l'excitation de l'ondulation de couple et on augmente la compatibilité électromagnétique du moteur à courant continu. Grâce à des balais spéciaux 14, on pourra adapter l'angle de balai a et l'angle de réglage [3 d'une manière neutre du point de vue du coût. Les exemples de réalisation des figures 2 et 3 peuvent également être combinés pour avoir une commutation alternée avec avance et retard. On peut également envisager d'adapter le système de support de balais pour qu'ils ne soient pas installés directement en position diamétrale. Ainsi, on peut utiliser par exemple des systèmes de carquois et des systèmes marteau en regard. En variante des dispositifs selon les exemples de réalisation des figures 2 et 3, on peut également envisager d'atteindre l'angle de réglage [3 et l'angle de balai ai par une disposition décalée des supports de balai 8 comme à la figure 4 pour une commutation alternée selon la figure 2 sans que les balais 14 doivent présenter une pointe de balai décentrée. Dans ces cas, on peut utiliser les balais usuels. De plus, les balais 14 du moteur à courant continu 1 ne sont pas nécessairement, pour l'essentiel, face à face par rapport à l'arbre de rotor 3. Selon le nombre de paires polaires magnétiques, on peut installer les axes polaires magnétiques xi x2 également suivant des angles différents de 180°. L'angle des pôles magnétiques de 180° présenté dans les exemples de réalisation entre les axes xi et x2 sera modifié de manière correspondante.35 NOMENCLATURE DES ELEMENTS PRINCIPAUX 1 Moteur à courant continu 2 Collecteur/ commutateur 3 Arbre d'induit 4 Lamelles de collecteur 5 Enveloppe extérieur 6 Balai 7 Axe de rotation 8 Support de balai 9 Corps de base de support de balai 10 Corps de base de balai 11 Segment de contact de balai 12 Pointe de balai 13 Ligne de liaison géométrique 14 Balai a Angle de balai 13 Angle de réglage xi x2 Axes des pôles magnétiques25

Claims

REVENDICATIONS1°) Moteur à courant continu (1) comportant un induit avec au moins deux bobines installées sur un arbre d'induit (3) rotatif, un collecteur commutateur (2) ayant au moins deux paires de balais avec deux balais (14) coopérant avec les lamelles de collecteur (4) de l'arbre d'induit (3)) : - les balais (14) ayant chacun une pointe (12) en contact avec les lamelles de collecteur (4) et avec au moins une paire de pôles magnétiques situés sur un axe géométrique (xi, x2) passant par l'arbre de rotor (3), moteur à courant continu caractérisé en ce que les pointes (12) des balais sont décalées du même angle de réglage (13) par rapport à une position dans laquelle l'instant de commutation respectif des balais (14) est décalé par rapport au passage par 0 de la tension induite dans les bobines.
2°) Moteur à courant continu selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'angle de réglage (13) est défini en fonction du nombre (n) des lamelles de collecteur (4).
3°) Moteur à courant continu selon la revendication 1, caractérisé en ce que les pointes (12) des balais de la paire de balais (14) sont décalées dans la même direction selon l'angle (13) pour avoir une avance ou un retard de commutation.
4°) Moteur à courant continu selon la revendication 1, caractérisé en ce que la grandeur caractéristique (f) du moteur à courant continu est le nombre (n) de lamelles de collecteur (4) divisé par le double du nombre de paires polaires (2p) de pôles magnétiques, ce nombre étant un nombre entier.
5°) Moteur à courant continu selon la revendication 1, caractérisé en ce queles pointes (12) des balais de la paire de balais sont décalées dans les directions opposées de l'angle de réglage (13) pour que les balais (14) commutent de façon alternée.
6°) Moteur à courant continu selon la revendication 1, caractérisé en ce que les balais (14) ont chacun un corps de base (10) et chaque pointe de balais (12) est excentrée par rapport au corps de base (10) 7°) Moteur à courant continu selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' au moins l'un des balais est droit, cintré, en forme de banane et/ ou en forme de losange. 8°) Moteur à courant continu selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' au moins l'un des balais (14) comporte un moletage 9°) Système de moteur à courant continu comportant un moteur à cou- rant continu 1, selon au moins l'une des revendications 1 à 7 caractérisé par au moins deux jeux de balais (6, 14) chaque fois identique pour garnir des supports de balais (8), et les jeux de balais diffèrent notamment par la disposition excentrée des pointes (12) des balais par rapport à leur corps de base (10) de façon que suivant le jeu de balai sélectionné, le collecteur commutateur (2) aura des balais (6, 14) commutant avec avance ou retard ou de façon alternée ou simultanée. 10°) Procédé de réalisation de balai d'un moteur à courant continu se- lon les revendications 6, 7 ou 8 ou pour un système de moteur à cou- rant continu selon la revendication 9 comprenant les étapes suivantes, consistant à : - utiliser un balai (14) ayant un corps de balai (10) et un organe de contact de balai (11), et- couper et/ou meuler le corps de contact de balai de façon à obtenir une pointe de balai (12) excentrée par rapport au corps de base de balai (10).5