FR2994514A1

FR2994514A1 - Moteur electrique de demarreur

Info

Publication number: FR2994514A1
Application number: FR1357899A
Authority: FR
Inventors: Sven Hartmann; Torsten Knorr
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: SEG Automotive Germany GmbH
Priority date: 2012-08-09
Filing date: 2013-08-08
Publication date: 2014-02-14
Anticipated expiration: 2033-08-08
Also published as: CN103580433A; CN103580433B; DE102012214122A1; FR2994514B1

Abstract

Moteur électrique de démarreur pour un dispositif de démarreur d'un moteur thermique comportant des enroulements d'excitation dans le stator et des enroulements d'induit dans l'induit rotatif (22). Les enroulements d'induit sont alimentés en courant par une installation de commutation (20) comportant des balais (23) logés dans des supports de balai (24). Le moteur de démarreur peut fonctionner au choix avec un nombre maximum de pôles ou avec un nombre réduit de pôles. Dans le cas d'un nombre réduit de pôles, à la fois le nombre des enroulements d'excitation et celui des balais conducteurs de courant (23) en contact avec le collecteur (21) de l'installation de commutation (20) est réduit de façon correspondante.

Description

Domaine de l'invention La présente invention se rapporte à un moteur électrique de démarreur pour un dispositif de démarreur d'un moteur thermique comportant des enroulements d'excitation de stator et des enroulements d'induit dans l'induit rotatif, les enroulements d'induit étant alimentés en courant par une installation de commutation comportant des balais logés dans des supports de balais. Etat de la technique On connaît des dispositifs de démarreur pour des mo- u) teurs thermiques comportant un moteur électrique de démarreur pour entraîner le pignon de démarreur commandé par un actionneur électromécanique entre une position hors service, rétractée et une position de prise, avancée dans laquelle le pignon de démarreur engrène avec la couronne dentée du moteur thermique. Les moteurs de démarreur sont 15 des moteurs à courant continu alimentés à partir du réseau embarqué du véhicule. Le document US 1 399 948 décrit un moyen d'entraî- nement d'un moteur électrique de démarreur, au choix par deux batteries différentes reliées respectivement au moteur de démarreur par un 20 dispositif de commutation. Dans le cadre de la réduction des émissions et de la consommation de carburant, on utilise des systèmes de récupération consistant à récupérer l'énergie de freinage (freinage dynamique) par le générateur vers le réseau embarqué ou vers l'accumulateur d'énergie. 25 Pour avoir un fonctionnement économique, le générateur et l'accumulateur d'énergie fonctionnent habituellement à un niveau de tension élevé. But de l'invention La présente invention a pour but de développer un mo- 30 teur électrique de démarreur de dispositif de démarreur (ou dispositif de démarrage) comportant des moyens simples sans perte d'efficacité pour s'adapter à différents accumulateurs d'énergie. Exposé et avantages de l'invention A cet effet, l'invention a pour objet un moteur électrique 35 de démarreur du type défini ci-dessus caractérisé en ce que le moteur de démarreur peut fonctionner au choix avec un nombre maximum de pôles ou avec un nombre réduit de pôles et dans le cas d'un nombre réduit de pôles, on réduit de façon correspondante à la fois le nombre des enroulements d'excitation et celui des balais conducteurs de cou- rant en contact avec le collecteur de l'installation de commutation. Le moteur électrique de démarreur est appliqué à des dispositifs de démarrage de moteurs thermiques et sert à entraîner le pignon de démarreur déplacé ou commandé entre sa position hors service et sa position en prise avec la couronne dentée du moteur ther- mique. En position de prise, le pignon de démarreur est entraîné par le moteur électrique de démarreur. Le déplacement du pignon de démarreur qui est de préférence un mouvement d'actionnement dans la direction axiale, est commandé par exemple par un relais électromagnétique de démarreur.

Le moteur électrique de démarreur comporte des enrou- lements d'excitation alimentés en courant dans le stator ainsi que des enroulements d'induit portés par l'induit rotatif ; les enroulements d'induit sont alimentés par l'intermédiaire d'une installation de commutation avec des balais logés dans des supports de balais. Le moteur de démarreur peut fonctionner au choix avec un nombre maximum de pôles ou avec un nombre réduit de pôles et dans le cas du nombre réduit de pôles, le nombre d'enroulements d'excitation alimentés et le nombre de balais conducteurs de courant en contact avec l'installation de commutation est réduit au nombre de pôles. Le moteur électrique de démarreur peut fonctionner selon deux modes différents : d'une part, il peut fonctionner avec le nombre maximum de pôles et dans ce cas, tous les enroulements d'excitation sont alimentés et tous les balais servent au passage du courant en étant appliqués activement sur le collecteur, d'autre part, le moteur électrique de démarreur peut fonctionner selon un second mode avec un nombre réduit de pôles pour lequel seulement une partie des enroulements d'excitation du stator est alimentée et de plus, seule une partie des balais est traversée par le courant.

Ce développement a l'avantage qu'en commutant le fonctionnement en passant du nombre maximum de pôles au nombre réduit de pôles, la résistance d'induit augmente significativement, ce qui, notamment dans le cas d'un changement de tension d'alimentation, ne réduit pas la puissance nécessaire et le couple que le moteur de démar- reur fournit ; cela ne se traduit pas non plus par une augmentation des contraintes mécaniques ou thermiques. Ainsi il est possible d'utiliser des sources de tension différentes pour le fonctionnement du moteur électrique de démarreur et qui ont également une résistance interne dif- férente de batterie sans réduire la puissance et le couple fournis par le moteur de démarreur tout en assurant une sécurité thermique et mécanique appropriée. Il est par exemple possible d'alimenter le moteur élec- trique de démarreur par le réseau de bord classique de 12 Volts à partir d'une batterie usuelle ou en variante, à partir du réseau de tension de 48 Volts à partir d'une seconde batterie, par exemple une batterie lithium-ions, qui a notamment une résistance interne élevée aux basses températures. Le véhicule peut ainsi être démarré dans différents états de fonctionnement au choix à partir de la batterie de 12 Volts ou de la batterie de 48 Volts. De façon avantageuse, dans le cas d'un démarrage à froid ou premier démarrage du moteur de démarreur, on l'alimente à partir du réseau de bord de 12 Volts et non à partir du réseau de bord de 48 Volts car celui-ci a une résistance interne plus élevée aux basses températures et ne fournirait pas de puissance suffisante. Aux tempéra- tures plus élevées et/ou en mode de fonctionnement marche-arrêt, on utilisera en revanche le réseau de 48 Volts pour démarrer le moteur de démarrage car la résistance interne de la batterie de 48 Volts aux températures élevées chute de façon significative et l'effondrement de tension de puissance est inférieur à un démarrage par le réseau de bord de 12 Volts, ce qui augmente le confort d'utilisation du véhicule. Selon un développement avantageux, le moteur de démarreur fonctionne avec deux pôles lorsque le nombre de pôles est réduit. De façon correspondante, le moteur ne fonctionne alors qu'avec une paire de balais et ces balais sont décalés de 180° et n'alimentent que deux enroulements d'excitation. Les enroulements d'induit sont de préférence des enroulements à boucle ou à conducteur et le nombre d'enroulements d'induit par rainure dans l'induit est plus fort que dans les démarreurs classiques avec des enroulements d'arbre, notamment selon un coefficient qui correspond au rapport du nombre maximum de pôles au nombre réduit de pôles. Ainsi, le nombre maximum de pôles est par exemple six et le nombre réduit de pôles est égal à deux si bien que par exemple à la place de seulement deux lignes par rainure dans l'induit, on utilise six conducteurs ou spires par rainure dans l'induit. De cette manière, on compense le couple moindre fourni par des enrou- lements conducteurs avec un nombre réduit de pôles. En même temps, la résistance d'induit, résultante, est considérablement plus élevée avec un nombre de pôles réduit de sorte qu'en fonctionnement, le courant d'induit n'augmente pas trop fortement au niveau de la source de tension la plus élevée. Inversement, la résistance d'induit est réduite pour le nombre maximum de pôles de sorte que le fonctionnement alimenté par la source de tension faible utilise un courant plus élevé. Le moteur électrique de démarreur est avantageusement un moteur série dont les enroulements d'excitation sont en parallèle entre eux et en série par rapport aux enroulements d'induit. Les pôles nord et les pôles sud de l'enroulement d'excitation alternent dans la di- rection périphérique. Le nombre maximum de pôles est par exemple égal à six et le nombre réduit de pôles égal à deux. En principe, on peut également avoir un nombre de pôles différent, par exemple un maximum de quatre pôles ou dans le cas du nombre maximum de pôles, un nombre réduit de six à quatre. Le passage du courant et l'inversion sur les enroulements d'induit se fait à l'aide de l'installation de commutation qui a un nombre de balais dans les supports de balais correspondant au nombre maximum de pôles. Lorsque le moteur de démarreur fonctionne avec le nombre maximum de pôles, l'alimentation concerne tous les balais de l'installation de commutation. Pour un nombre réduit de pôles, le nombre de balais transmettant le courant et qui sont en contact avec le collecteur de l'induit du moteur de démarreur est réduit de façon correspondante. Cela se fait par exemple en ce que l'actionneur met une partie des balais hors service sans contact avec le collecteur alors qu'en revanche, les balais qui subsistent sont mis en position de fonctionnement en contact avec le collecteur. Dans le cas d'un mode de fonctionnement avec un nombre polaire maximum, tous les balais sont en position de fonctionnement, en contact avec le collecteur. L'actionneur qui est par exemple prévu sur le support de balai ou qui déplace les supports de balais, modifie alors la position radiale des balais par rapport au collecteur. Selon un autre développement, tous les balais restent en place sur la surface enveloppe du collecteur et au lieu d'alimenter les balais, on coupe ceux qui sont hors position de fonctionnement. Cette procédure a l'avantage de ne pas avoir d'actionneur déplaçant axiale-ment les balais ou les supports de balais mais commandant seulement l'alimentation par les balais. Dessins La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide d'un exemple de dispositif de démarreur selon l'invention représenté dans les dessins annexés dans lesquels les mêmes éléments portent les mêmes références dans les différentes figures.

Ainsi : la figure 1 est une vue d'un dispositif de démarreur de moteur thermique comportant un pignon de démarreur déplacé axialement par un relais de démarreur et entraîné en rotation par le moteur électrique de démarreur, la figure 2 montre une installation de commutation d'un moteur électrique de démarreur ayant globalement six balais répartis en périphérie dans des supports de balais, quatre des balais étant mis en contact avec le collecteur par des actionneurs agissant dans la direction radiale à partir de la position de fonctionnement et une position hors service sans contact avec le collecteur, la figure 3 montre le développement de l'induit du moteur de démarreur avec six enroulements d'induit auxquels l'installation de commutation associe six balais, la figure 4 est une coupe du stator du moteur électrique de démar- reur avec six enroulements d'excitation répartis en périphérie, la figure 5 est un schéma de principe du câblage des enroulements d'excitation, les figures 6 à 8 sont des représentations correspondant aux figures 3 à 5 mais lorsque le moteur de démarreur fonctionne uni- quement avec deux pôles. Description de modes de réalisation de l'invention La figure 1 montre un dispositif de démarreur 1 de mo- teur thermique comportant un pignon de démarreur 2 venant en prise avec la couronne dentée 3 du moteur thermique pour lancer le moteur thermique 4. Le pignon de démarreur 2 est coulissant axialement sur un arbre 5 dans la direction de la double flèche en étant solidaire en rotation de l'arbre 5. Le pignon de démarreur 2 est déplacé par le relais de démarreur 6 entre la position hors service rétractée et la position avancée, en prise avec la couronne dentée 3 du moteur thermique 4; le relais de démarreur est un relais électromagnétique et comporte un en- roulement de relais 7 ainsi qu'un induit coulissant 8 qui est rétracté axialement dans le relais lorsque l'enroulement 7 du relais est alimenté. L'induit coulissant 8 est couplé cinématiquement par un levier d'engrènement 9 au pignon de démarreur 2 pour que le mouvement axial de l'induit coulissant 8 entre sa position de repos et sa position actionnée se traduise par un mouvement axial correspondant du pignon de démarreur 2 entre sa position hors service et sa position en prise. Le mouvement d'entraînement en rotation de l'arbre 5 ou du pignon de démarreur 2 est assuré par le moteur électrique de dé- marreur 11 couplé à l'arbre 5 par une transmission 12, par exemple une transmission planétaire. L'actionnement du moteur électrique de démarreur 11 met en rotation l'arbre 5 et aussi le pignon de démarreur 2. Le moteur électrique de démarreur 11 est un moteur série, à courant continu et rotor intérieur avec des enroulements d'excitation et des en- roulements d'induit alimentés par une installation de commutation. Le dispositif de démarreur 1 est associé à un appareil de commande et de régulation 10 commandé par le fonctionnement du relais de démarreur 6 et le moteur de démarreur 11. Lors du mouvement d'actionnement axial de l'induit cou- lissant 8, lorsque le relais de démarreur 6 est actionné, lorsqu'on arrive dans la position déplacée par le couplage cinématique de l'élément de commutation avec le mouvement d'actionnement de l'induit coulissant 8, le courant électrique branché pour alimenter le moteur de démarreur 11, de sorte que le moteur de démarreur 11 se met en route et entraîne en rotation l'arbre 5 et le pignon de démarreur 2. Le dispositif de démarreur 1 a une installation de roue libre en forme de roue libre à rouleaux 14. Le levier d'engrènement 9 agit sur un élément de ressort 13 qui sollicite axialement un organe d'entraînement 15 de la roue libre à rouleaux 14; l'organe d'entraînement 15 coopère avec une collerette d'appui ou de rouleaux 16 de la roue libre à rouleaux 14 ; la collerette d'appui 16 est réalisée en une seule pièce avec le pignon de démarreur 2. La roue libre à rouleaux 14 transmet le mouvement de rotation dans le sens de l'entraînement du moteur électrique de démarreur 11 mais dès qu'après le lancement du moteur thermique 4, la vitesse de rotation de sa couronne dentée 3 augmente et inverse le sens de l'entraînement, la roue libre à rouleaux 14 neutralise le couplage cinématique entre l'organe d'entraînement 15 et la collerette d'appui 16. La figure 2 montre une installation de commutation 20 pour le moteur électrique de démarreur 11. L'installation de commuta- tion 20 comporte un collecteur 21 solidaire en rotation de l'induit 22 qui est une machine électrique à rotor intérieur ainsi que les balais 23 coulissant radialement dans les supports de balais 24 et venant en contact avec la surface enveloppe du collecteur 21. Les balais 23 transmettent le courant du collecteur 21 aux enroulements de l'induit 22. Les balais 23 peuvent avoir une compensation radiale du jeu dans les supports de balais 24 et ils sont de préférence chargés par la force développée par les ressorts de balais en direction du collecteur 21. Le moteur de démarreur est une machine à six pôles avec de façon correspondante, six enroulements d'excitation répartis à la pé- riphérie du stator ainsi que six balais 23 dans des supports de balais correspondants 24 répartis régulièrement en périphérie. Le moteur de démarreur peut fonctionner dans différents modes, à savoir d'une part avec un nombre maximum de six de pôles et d'autre part avec un nombre réduit de deux de pôles. Le fonctionnement avec six pôles est utilisé pour le démarrage à froid ou premier démarrage du moteur thermique ; l'alimentation en tension du moteur de démarreur 11 se fait par la première batterie du véhicule qui fournit la tension de bord de 12 Volts. Le mode de fonctionnement avec deux pôles se fait en re- vanche à des températures plus élevées ou en mode marche-arrêt et dans ce cas, l'alimentation électrique se fait par la seconde batterie du véhicule qui fournit la tension de bord de 48 Volts. La commutation entre le mode de fonctionnement avec six pôles et le mode de fonctionnement avec deux pôles est faite par les actionneurs 25 de l'installation de commutation 20 qui déplacent les balais 23 ou les supports de ba- lais 24 comme cela est indiqué par la double flèche, dans la direction radiale entre la position de fonctionnement avec contact entre les balais et la surface enveloppe du collecteur et une position hors service sans contact entre les balais et le collecteur. Pour le fonctionnement avec six pôles, tous les balais sont en position de fonctionnement en contact avec le collecteur ; dans le cas du fonctionnement avec deux pôles, seuls les balais 23 ou les supports de balais 24 équipés d'un actionneur 25 sont déplacés radialement dans la position hors service relevée par rapport au collecteur 21.

Sur un total de six balais 23 ou de supports de balais 24, deux balais ou supports de balais sans actionneur 25 sont diamétralement opposés et ainsi ils sont en contact avec la surface enveloppe du collecteur 21 à la fois lorsque le moteur de démarreur fonctionne avec six pôles ou avec deux pôles. Les autre autres balais 23 ou supports de balais 24 sont munis d'actionneurs 25 et comme décrit, ils peuvent être déplacés radialement entre une position de fonctionnement en contact avec le collecteur 21 et une position hors service. La figure 3 montre le développement à plat de l'induit 22 et de l'installation de commutation 20. L'induit 22 a des enroulements 26 en forme de boucles ou d'enroulements conducteurs dont le nombre de paires de balais est toujours égal au nombre de paires de pôles. Cela garantit que le sens de passage du courant dans une boucle conductrice dans le cas d'une réalisation avec six pôles s'inverse à chaque angle de rotation de 60° et commute ainsi le courant. L'installation de commutation 20 présente de façon correspondante, six balais 23 qui, pour une meilleure compréhension, portent une numérotation continue de 1 à 6. Parmi les six balais 23, comme représenté à la figure 2, il y a quatre balais qui portent les références 2, 3, 5, 6 et sont des balais réglables radialement entre une position de fonctionnement et une posi- tion hors service. Comme le montre la comparaison des figures 3 et 6, dans le cas du fonctionnement avec six pôles (figure 3), tous les balais 23 sont en contact avec la surface enveloppe du collecteur 21 alors que dans le cas du mode de fonctionnement avec deux pôles (figure 6), seuls les balais 1 et 4 diamétralement opposés sont en contact avec le collec- teur 20. Les balais portant les numéros 2 et 3 ainsi que 5 et 6 sont hors service et n'ont pas de contact avec le collecteur. Le fonctionnement avec six pôles selon les figures 2 à 5 correspond au démarrage à froid utilisant la batterie à 12 Volts. La réalisation de l'induit avec les enroulements conducteurs 26 et le type de branchement fait que le courant total dans l'induit est réparti entre six chemins parallèles de sorte que chaque chemin parallèle se compose de trois boucles conductrices branchées successivement. La figure 4 montre le stator 30 dont la paroi intérieure comporte des dents de support 31 radialement en saillie vers l'intérieur et portant les enroulements d'excitation 32. Globalement, on a six en- roulements d'excitation 32 répartis régulièrement sur la périphérie intérieure et alimentés en courant de façon à faire alterner les pôles nord et sud dans la direction périphérique. La figure 5 montre le branchement des enroulements d'excitation 32 du stator 30 pour les enroulements d'excitation 32. Les six pôles sont parallèles entre eux et en série avec l'induit 22 pour avoir une machine série. Comme le nombre des chemins de courant parallèle pour l'enroulement conducteur est trois fois supérieur à celui des démarreurs classiques avec des enroulements d'arbre, le nombre d'enroulements de l'induit 22 est augmenté par le coefficient 3 si bien que l'on a en tout six conducteurs par rainure. On compense ainsi un couple moins élevé, développé par l'enroulement de conducteur. En mode de fonctionnement avec deux pôles du moteur de démarreur selon lequel au démarrage à chaud ou en mode marche- arrêt, on utilise la batterie de 48 Volts, les balais 23 portant les numé- ros 2, 3 et 5, 6 sont en position hors service. De plus, comme cela apparaît aux figures 7 et 8, seuls deux enroulements d'excitation 32, diamétralement opposés, dans le stator 30 et qui portent les numéros 1 et 4 sont alimentés par la source de tension 33. Il s'agit de la batterie de 12 Volts dans l'exemple de réalisation des figures 3 à 5 et de la batterie de 48 Volts dans l'exemple de réalisation des figures 6 à 8. Comme seulement deux balais diamétralement opposés sont en contact avec le collecteur et sont traversés par le courant total de l'induit, la direction de passage du courant dans les boucles conductrice n'est plus inversée après 60° mais seulement après 180°. Ce type de branchement fait que le courant total de l'induit se répartit entre deux chemins de courant parallèles et chaque chemin se compose alors en tout de onze boucles conductrices branchées les unes après les autres ce qui augmente la résistance finale de l'induit, évitant de cette manière que le courant n'augmente pas trop fortement lorsqu'on utilise la source de tension de 48 Volts. En même temps, dans le stator, il n'y a plus qu'une paire de pôles qui est active, à savoir les enroulements d'excitation portant les numéros 1 et 4 et qui se font face diamétralement, ce qui garantit que les forces n'agissent que dans le sens de rotation et que le couple résul- tant est supérieur à zéro. En réduisant de six à deux chemins, on augmente le courant dans l'enroulement d'excitation selon un coefficient trois si bien que pour un même courant d'induit, le passage total reste au moins sensiblement égal. De cette manière, grâce à un courant plus important, on compense sensiblement le moins bon couple développé en mode avec deux pôles.30 NOMENCLATURE 1 Dispositif de démarreur 2 Pignon de démarreur 4 Moteur thermique 5 Arbre 6 Relais de démarreur 7 Enroulement de relais 8 Induit coulissant 9 Levier d'engrènement 10 Appareil de régulation ou de commande 11 Moteur électrique de démarreur 12 Transmission 13 Elément de ressort 14 Roue libre à rouleaux 15 Organe d'entraînement 16 Collerette à rouleaux Installation de commutation 21 Collecteur 20 22 Induit 23 Balai 24 Support de balai Actionneur 28 Enroulement conducteur 25 30 Stator 32 Enroulement d'excitation30

Claims

REVENDICATIONS1°) Moteur électrique de démarreur pour un dispositif de démarreur (1) d'un moteur thermique comportant des enroulements d'excitation (32) dans le stator (30) et des enroulements d'induit dans l'induit rotatif (22), les enroulements d'induit étant alimentés en courant par une ins- tallation de commutation (20) comportant des balais (23) logés dans des supports de balais (24), moteur caractérisé en ce que le moteur de démarreur (11) peut fonctionner au choix avec un nombre maximum de pôles ou avec un nombre réduit de pôles, et dans le cas d'un nombre réduit de pôles, à la fois le nombre des enroulements d'excitation (32) et celui des balais conducteurs de courant (23) en contact avec le collecteur (21) de l'installation de commutation (20) est réduit de façon correspondante.
2°) Moteur de démarreur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' au moins une partie des balais (23) est réglable entre une position de fonctionnement en contact avec un collecteur (21) et une position hors service sans contact avec le collecteur (21).
3°) Moteur de démarreur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' il est un moteur série.
4°) Moteur de démarreur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le nombre maximum de pôles est égal à six et le nombre réduit de pôles est égal à deux.
5°) Moteur de démarreur selon la revendication 4, caractérisé en ce que pour un nombre réduit de pôles, deux balais (23) diamétralement opposés transmettent le courant au collecteur (21) de l'installation de com- mutation (20).6°) Moteur de démarreur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les enroulements d'induit sont des enroulements conducteurs. 7°) Moteur de démarreur selon la revendication 6, caractérisé en ce que le nombre d'enroulements d'induit par rainure correspond au nombre de pôles. 8°) Moteur de démarreur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moteur de démarreur (11) peut être alimenté au choix par deux batteries différentes. 9°) Procédé de gestion d'un moteur de démarreur selon l'une des reven- dications 1 à 8, caractérisé en ce que le moteur de démarreur (11) fonctionnant avec une tension embarquée faible, utilise le nombre maximum de pôles et lorsqu'il fonctionne avec une tension de bord élevée, il fonctionne avec un nombre réduit de pôles. 10°) Dispositif de démarrage de moteur thermique comportant un moteur de démarreur (11) selon l'une quelconque des revendications 1 à 8 comportant des enroulements d'excitation (32) dans le stator (30) et des enroulements d'induit dans l'induit rotatif (22), les enroulements d'induit étant alimentés en courant par une installation de commutation (20) comportant des balais (23) logés dans des supports de balai (24), le moteur de démarreur (11) fonctionnant au choix avec un nombre maximum de pôles ou avec un nombre réduit de pôles, et dans le cas d'un nombre réduit de pôles, à la fois le nombre des enroulements d'excitation (32) et celui des balais conducteurs de courant (23) en contact avec le collecteur (21) de l'installation de commutation (20) est réduit de façon correspondante.