FR3015799A1 - Demarreur pour moteur thermique de vehicule automobile muni d'une machine electrique tournante a inducteur a poles saillants perfectionne et masse polaire correspondante - Google Patents

Abstract

L'invention porte principalement sur un démarreur de moteur thermique pour véhicule automobile comportant une machine électrique tournante (5) munie d'un rotor (9) et d'un stator (8) comportant une pluralité de pôles magnétiques (65) disposés sur une circonférence interne d'une culasse (66), chaque pôle magnétique (65) étant constitué par une masse polaire (69) saillante entourée par un enroulement (70), caractérisé en ce qu'un entrefer (76) séparant ledit rotor (9) des pôles magnétiques (65) dudit stator (8) varie suivant sa circonférence. L'invention a également pour objet une masse polaire (69) correspondante.

Description

DEMARREUR POUR MOTEUR THERMIQUE DE VEHICULE AUTOMOBILE MUNI D'UNE MACHINE ELECTRIQUE TOURNANTE A INDUCTEUR A POLES SAILLANTS PERFECTIONNE ET MASSE POLAIRE CORRESPONDANTE L'invention porte sur un démarreur pour moteur thermique de véhicule automobile muni d'une machine électrique tournante à inducteur à pôles saillants perfectionné ainsi que sur la masse polaire correspondante. L'invention trouve une application particulièrement avantageuse, mais non exclusive, avec les démarreurs de systèmes dits "stop and start" permettant l'arrêt et le redémarrage du moteur thermique du véhicule en fonction notamment des conditions de circulation. Afin de démarrer un moteur thermique, notamment d'un véhicule automobile, il est connu d'utiliser un démarreur pourvu d'un lanceur capable de transmettre une énergie de rotation du démarreur à un vilebrequin du moteur thermique par l'intermédiaire d'une couronne de démarrage. Ce lanceur est monté sur un arbre d'entraînement. Dans une forme de réalisation, un réducteur de vitesse est intercalé entre cet arbre d'entraînement et l'arbre d'un moteur électrique. Ce moteur électrique comporte d'une part, un rotor, encore appelé induit et d'autre part, un stator, encore appelé inducteur, monté coaxialement autour du rotor. Le rotor comporte un corps prenant la forme d'un paquet de tôles muni d'encoches délimitées chacune par deux dents successives. Le rotor comporte en outre des fils bobinés dans les encoches pour former le bobinage rotorique.

Le stator présente à l'emplacement de chaque pôle magnétique une masse polaire radialement saillante autour laquelle est bobiné un fil inducteur. Ces masses polaires sont généralement en forme de parallélépipède avec une courbure adaptée au rayon de l'induit afin de laisser un entrefer entre l'induit et les pôles magnétiques faible et constant de manière à rendre la conversion électromagnétique la plus efficace possible.

Par ailleurs, le rotor est pourvu d'un collecteur comprenant une pluralité de pièces de contact connectées électriquement aux conducteurs du bobinage rotorique. Un groupe de balais est prévu pour l'alimentation électrique du bobinage, certains balais étant reliés à la masse du démarreur et d'autres étant reliés à une borne électrique d'un contacteur. Les balais viennent frotter sur les lames du collecteur lorsque le rotor est en rotation pour permettre l'alimentation du rotor par commutation du courant électrique. Une des sources principale de bruit du moteur électrique est la "fréquence balais collecteur" et ses harmoniques. Cette fréquence généralement proche d'un sifflement est le multiple de la fréquence de rotation de l'induit et du nombre de lames du collecteur (et donc du nombre de dents du rotor). Cette source a deux origines: une mécanique due aux frottements des balais sur le collecteur de l'induit, l'autre électromagnétique. En effet, le rotor est soumis à des forces électromagnétiques qui comportent des composantes tangentielles (qui sont à l'origine de la rotation de l'induit), mais aussi des composantes radiales correspondant à une force dite "tournante" qui sont susceptibles de créer des déformations des pièces sur lesquelles elles s'appliquent, notamment les pôles et la culasse du moteur du démarreur. Ces déformations sont ensuite à l'origine du bruit qui peut être d'autant plus fort que le couple fourni par le démarreur est important. L'invention vise à remédier efficacement à cet inconvénient en proposant un démarreur pour moteur thermique de véhicule automobile comportant une machine électrique tournante munie d'un rotor et d'un stator comportant une pluralité de pôles magnétiques disposés sur une circonférence interne d'une culasse, chaque pôle magnétique est saillant par rapport à la culasse entourée par un enroulement , et en ce qu'un entrefer axiale entre une surface circonférentielle d'au moins deux pôles magnétiques en vis-à-vis d'une surface circonférentielle dudit rotor et un cercle de rayon de l'extérieur du rotor varie d'au moins 1 mm.

La variation de l'entrefer permet ainsi de minimiser la force tournante et donc le bruit résultant lors de l'actionnement du démarreur, et cela sans dégrader de manière significative le couple produit par le moteur électrique.

On entend par culasse, la partie du stator permettant de passer un flux entre deux pôles magnétiques. Selon un mode de réalisation, chaque pôle magnétique est constitué par une masse polaire montée contre la culasse du stator.

Selon un autre mode de réalisation le stator comprend un empilement de tôles formant la culasse et les différents pôles magnétiques. Selon un mode de réalisation le pôle magnétique comporte une rainure formant la variation de l'entrefer. Selon un mode de réalisation l'entrefer varie d'au moins 1 mm sur une extrémité circonférentielle de sa surface circonférentielle. Selon un autre mode de réalisation, la surface dans lequel l'entrefer varie suivant la circonférence varie également axialement. Selon une réalisation, chaque masse polaire comportant un épanouissement, ledit entrefer est plus grand entre une zone dudit épanouissement et ledit rotor que entre une portion centrale du pôle magnétique et ledit rotor. Selon une réalisation, une augmentation dudit entrefer est obtenue par une discontinuité d'une face interne d'au moins un pôle magnétique située en vis-à-vis dudit rotor. Selon une réalisation, la discontinuité est définie par au moins une surface plane ménagée dans la face interne d'un pôle magnétique. Selon une réalisation, ladite surface plane est ménagée dans ledit épanouissement. Selon une réalisation, on définit un premier plan parallèle à un axe dudit stator passant par une extrémité externe de ladite surface plane, un deuxième plan parallèle audit axe dudit stator passant par une intersection entre un cercle correspondant à un arc de cercle définissant une partie d'une face interne d'un pôle magnétique et un troisième plan perpendiculaire au premier plan passant par ladite extrémité externe de ladite surface plane, l'écart entre le premier et le deuxième plans correspondant à une hauteur de chanfrein ménagé dans ledit épanouissement étant compris entre 1.5mm et 2.8mm. Cela permet de minimiser le bruit généré par le moteur électrique du démarreur tout en conservant un couple moteur efficace pour les deux cas de fonctionnement du démarreur (démarrage classique du véhicule dont le moteur thermique est froid et redémarrage du moteur thermique déjà chaud en mode "stop and start"). Selon une réalisation, ladite surface plane se situe sensiblement dans le premier plan.

Selon une réalisation, lesdites masses polaires sont rapportées par rapport à ladite culasse dudit stator. On facilite ainsi le montage du stator. Selon une réalisation, ledit démarreur est configuré pour fonctionner à un courant de l'ordre de 600A pour un démarrage à froid du moteur thermique ou un courant de l'ordre de 250A pour un démarrage du moteur thermique en mode d'arrêt et de redémarrage du moteur thermique. Selon une réalisation, ledit rotor comporte 19 encoches destinées à recevoir des conducteurs pour la formation d'un bobinage rotorique. L'invention a également pour objet une masse polaire appartenant à un inducteur de moteur électrique de démarreur de véhicule automobile caractérisée en ce qu'elle comporte une face interne destinée à être située en regard d'un rotor dudit moteur électrique présentant une discontinuité rompant une régularité d'un arc de cercle définissant une partie de ladite face interne. 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. La figure 1 montre une vue en coupe longitudinale d'un démarreur de moteur thermique selon la présente invention; La figure 2 représente une vue schématique en coupe transversale du moteur électrique utilisé avec le démarreur selon la présente invention; La figure 3 montre une vue détaillée de côté d'une masse polaire utilisée avec le moteur électrique du démarreur selon la présente invention; Les figures 4a et 4b montrent respectivement des représentations graphiques des évolutions relatives du couple moteur et de l'amplitude de la force tournante à l'origine du bruit, en fonction de la hauteur d'un chanfrein ménagé dans la masse polaire pour un courant de batterie de l'ordre de 600A et de 250A.

Les éléments identiques, similaires, ou analogues conservent la même référence d'une figure à l'autre. Dans la description, on entend par pôle magnétique et masse magnétique, un pôle et respectivement une masse magnétique du stator. En référence à la figure 1, le démarreur 1 selon l'invention comporte un arbre d'entraînement 2, un lanceur 3 monté sur l'arbre 2 et un moteur électrique 5 décrit plus en détails ci-après composé d'un stator inducteur 8 et d'un rotor 9 induit montés de manière coaxiale suivant un axe X. Le stator 8 entoure le rotor 9 solidaire d'un arbre 14. Le moteur 5 comporte une carcasse 10 montée sur un support métallique 12 du démarreur 1 destiné à être fixé sur une partie fixe du véhicule automobile. Un réducteur de vitesse 13 à engrenages de type train épicycloïdal est de préférence intercalé entre une extrémité arrière de l'arbre d'entraînement 2 et l'arbre 14 du moteur électrique 5. Des balais 17 frottent sur des lames conductrices 18 d'un collecteur 20 pour alimenter le bobinage rotorique. Les balais 17 appartiennent à un porte- balais 23 équipé de cages de guidage et de réception des balais 17. Ces balais 17 sont sollicités en direction des lames conductrices 18 par des moyens élastiques 25 de type ressort. Le porte-balais 23 est solidaire d'un flasque arrière 24 présentant dans la partie centrale un logement pour le montage d'un roulement à aiguilles. Le palier du flasque arrière 24 sert au montage à rotation d'une extrémité de l'arbre 14 du moteur électrique 5.

3015 799 6 Le démarreur 1 comporte également un contacteur électromagnétique 29 s'étendant parallèlement au moteur électrique 5 en étant implanté radialement au-dessus de celui-ci. Le contacteur 29 présente une cuve métallique 30 portée par le support 12, et équipée d'une bobine d'excitation 5 33 dotée d'au moins un enroulement. Un épaulement de la cuve 30 permet d'assurer le calage axial d'un noyau fixe 34. Des bornes 37, 38 sont conformées pour former chacune un contact fixe à l'intérieur de la cuve 30. L'une des bornes 37 est destinée à être reliée à la borne positive de la batterie du véhicule, l'autre borne 38 est connectée à 10 l'entrée du bobinage inducteur du stator 8 et aux balais 17 de polarités positives. De manière connue, lors de l'excitation de la bobine 33, un noyau mobile 40 est attiré par attraction magnétique en direction du noyau fixe 34 pour, d'une part, agir après rattrapage d'un jeu sur une tige 41 portant un contact mobile 42 pour provoquer la fermeture des contacts du contacteur 29 15 et alimenter le moteur électrique 5 du démarreur 1, et d'autre part, actionner un levier de commande 45 du lanceur 3. L'arbre d'entraînement 2 est monté rotatif dans un palier avant 46 du support 12. Ce palier 46 est constitué à titre d'exemple par un roulement à aiguille ou en variante par un palier lisse. Cet arbre 2 porte à l'avant une butée 48 20 adjacente au palier 46 pour limiter le déplacement du lanceur 3. Le lanceur 3 est monté coulissant sur l'arbre d'entraînement 2, et comporte un pignon d'entraînement 50, un entraîneur 51 configuré pour être actionné par le levier de commande 45 pivotant, et un dispositif à roue libre 52 par exemple du type à galets installé entre l'entraîneur 51 et le pignon 50.

25 L'extrémité supérieure du levier 45 est montée de manière connue à articulation sur une tige reliée élastiquement au noyau mobile 40 via un ressort, dit ressort dent contre dent, logé dans le noyau mobile 40. De manière connue, l'entraîneur 51 est doté intérieurement de cannelures hélicoïdales en prise de manière complémentaire avec des dentures 30 hélicoïdales externes portées par l'arbre d'entraînement 2. Le lanceur 3 est ainsi animé d'un mouvement hélicoïdal lorsqu'il est déplacé par le levier 45 en direction de la butée 48 pour venir, par l'intermédiaire de son pignon 50, en prise avec la couronne de démarrage d'un moteur thermique 5 (non représentée). Il est clair que le dispositif à roue libre 52 peut être remplacé par un dispositif à embrayage conique ou un embrayage muni de plusieurs disques de friction, comme décrit dans le document FR2978500. De même, il est clair que le lanceur 3 en variante est implanté à l'extérieur du support 12. Dans le mode de réalisation de la figure 2, le rotor 9 comporte un corps 58 prenant la forme d'un paquet de tôles muni d'encoches 59 délimitées chacune par deux dents 61 successives. Le corps 58 comporte une ouverture centrale traversante 91 permettant le montage sur l'arbre 14 par exemple par emmanchement à force. Le rotor 9 comporte en outre des fils bobinés dans les encoches 59 pour former le bobinage rotorique 63. Ce bobinage 63 est en liaison avec les lames conductrices 18 du collecteur 20 solidaire de l'arbre du moteur électrique 5. En l'occurrence, le rotor 9 comporte K=19 dents soit 19 lames conductrices. Le rotor 9 présente par exemple un diamètre externe de l'ordre de 49.7mm. Le stator 8 comprend une pluralité de pôles magnétiques 65 disposés sur une circonférence interne d'une culasse 66. Chaque pôle 65 est constitué par une masse polaire 69 saillante en forme globale de parallélépipède entourée par un enroulement 70. Chaque enroulement 70 est retenu radialement par un épanouissement 73 de la masse polaire 69. L'axe Y de chaque enroulement 70 est radial par rapport à l'axe X du stator 8. Le bobinage inducteur comporte ici deux paires d'enroulements 70 Nord et Sud qui sont enroulés chacun autour d'une masse polaire 69 solidaire de la culasse 66. Chaque enroulement 70 est composé d'un conducteur électrique parcouru par un courant continu. Comme cela est visible sur la figure 1, chaque masse polaire 69 rapportée est fixée contre la circonférence interne de la culasse 66 au moyen d'une vis 691 de fixation insérée dans une ouverture traversante 692 ménagée dans la masse polaire 69. On pourra par exemple se référer au document FR2611096 pour plus de détails sur la manière dont les masses polaires 69 sont fixées sur la culasse 66.

3015 799 8 Les masses polaires 69 sont séparées d'une périphérie externe du rotor 9 par un entrefer 76 qui varie suivant sa circonférence. La variation de l'entrefer 76 dont il est question dans l'invention est bien entendu supérieure aux variations de l'entrefer 76 dues aux intervalles de tolérance intervenant 5 dans la réalisation du stator 8 et du rotor 9. En effet, la variation de l'entrefer 76 est d'au moins un millimètre. De préférence, l'entrefer 76 est plus grand entre une zone de l'épanouissement 73 et le rotor 9 que entre une portion centrale 77 de la masse polaire 69 et le rotor 9 où il vaut par exemple environ 0.65mm.

10 Comme cela est bien visible sur la figure 3, l'augmentation de l'entrefer 76 est obtenue par discontinuité des faces internes 74 des masses polaires 69 situées en vis-à-vis du rotor 9. Cette discontinuité rompt la régularité de l'arc de cercle définissant une partie de la face interne 74 de chaque masse polaire 69. En l'occurrence, la discontinuité est définie par deux surfaces 15 planes 80 ménagées dans l'épanouissement 73 du côté des bords longitudinaux dudit épanouissement 73. Ainsi, au moins une partie de l'épanouissement 73 ne se trouve pas dans le prolongement de l'arc de cercle définissant une partie de la face interne 74 correspondante. On définit un premier plan PI parallèle à l'axe X du stator 8 passant par une 20 extrémité externe d'une surface plane 80, et un deuxième plan P2 parallèle à l'axe X passant par une intersection entre un cercle Cl correspondant à l'arc de cercle définissant une partie d'une face interne 74 et un troisième plan P3 perpendiculaire au premier plan PI passant par ladite extrémité externe de la surface plane 80. De préférence, chaque surface plane 80 se situe dans le 25 premier plan P1. Alternativement, chaque surface plane 80 pourra être inclinée par rapport au plan P1, comme cela est représenté en traits discontinus. En variante, la discontinuité des faces internes 74 pourra être obtenue par toute autre forme, telle que des surfaces en forme en V ou en U, en dents de 30 scie ou en créneaux. En variante, la discontinuité pourra être réalisée au moins en partie dans la portion centrale 77 de chaque masse polaire 69. Les figures 4a et 4b montrent des représentations graphiques de l'évolution de l'amplitude Al du couple produit par le moteur 5 et de l'amplitude A2 de 3015 799 9 l'opposé de la force tournante en fonction de la hauteur du chanfrein correspondant à l'écart E entre le premier P1 et le deuxième plan P2. La force relative représente c"ost l'amplitude de la force tournante à l'origine du bruit comparée à la force générée sans variation de l'entrefer, par absence 5 de sans chanfrein. En l'occurrence, la force tournante à l'origine du bruit, est la force apparaissant à K=19 fois la fréquence de rotation du rotor 9 qui est à l'origine du bruit généré par le moteur électrique 5 en fonctionnement. Les courbes des figures 4a et 4b ont été obtenues pour un courant IB délivré par la 10 batterie correspondant respectivement à un démarrage classique à froid du moteur thermique (IB=600A) et à un redémarrage du moteur thermique du véhicule en mode "stop and start" (IB=250A). Afin d'obtenir un compromis optimum entre la réduction de la force tournante afin de minimiser le bruit et une dégradation limitée du couple moteur qui 15 décroît avec la hauteur E du chanfrein, on sélectionne un écart E optimum de l'entrefer 76 compris entre 1.5 et 2.8mm. Selon un autre mode de réalisation, le stator comprend un empilement de tôles formant la culasse 65 et les différents pôles magnétiques. Selon un autre mode de réalisation la surface dans lequel l'entrefer varie 20 suivant la circonférence varie également axialement. Par exemple surface externe 80 varie radialement. Selon un mode de réalisation, la surface externe 80 est dans un plan coupant l'axe du rotor. Par exemple la surface 80 commence à une extrémité axiale du pôle magnétique comme dans la figure 3 est fini à son autre extrémité axiale plus proche du rotor comme 25 représenté par les pointillés identifiée 80. On minimise ainsi le bruit généré par le moteur électrique 5 du démarreur 1 tout en conservant un couple moteur efficace pour les deux cas de fonctionnement du démarreur 1 (démarrage classique du véhicule dont le moteur thermique est froid et redémarrage du moteur thermique déjà chaud 30 en mode "stop and start").

Claims (14)

1. REVENDICATIONS1. Démarreur (1) pour moteur thermique de véhicule automobile comportant une machine électrique tournante (5) munie d'un rotor (9) et d'un stator (8) comportant une pluralité de pôles magnétiques (65) disposés sur une circonférence interne d'une culasse (66), chaque pôle magnétique (65) est saillant par rapport à la culasse entourée par un enroulement (70), caractérisé en ce qu'un entrefer (76) entre une surface circonférentielle d'au moins deux pôles magnétiques en vis-à-vis d'une surface circonférentielle dudit rotor et un cercle de rayon de l'extérieur du rotor (9) varie d'au moins 1 mm.
2. 2. Démarreur selon la revendication 1, dans lequel chaque pôle magnétique est constitué par une masse polaire (69) monté contre la culasse du stator.
3. 3. Démarreur selon la revendication 1, dans lequel le stator comprend un empilement de tôles formant la culasse (65) et les différents pôles magnétiques.
4. 4. Démarreur selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le pôle magnétique comporte une rainure formant la variation de l'entrefer.
5. 5. Démarreur selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel l'entrefer varie d'au moins 1mm sur une extrémité circonférentielle de sa surface circonférentielle.
6. 6. Démarreur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que chaque pôle magnétique (69) comportant un épanouissement (73), ledit entrefer (76) est plus grand entre une zone dudit épanouissement (73) et ledit rotor (9) que entre une portion centrale (77) du pôle magnétique(69) et ledit rotor (9).
7. 7. Démarreur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'une augmentation dudit entrefer (76) est obtenue par une discontinuité d'une face interne (74) d'au moins un pôle magnétique (69) situé en vis-à-vis dudit rotor.
8. 8. Démarreur selon la revendication 7, caractérisé en ce que la discontinuité est définie par au moins une surface plane (80) ménagée dans la face interne (74) de pôle magnétique (69).
9. 9. Démarreur selon les revendications 6 et 8, caractérisé en ce que ladite surface plane (80) est ménagée dans ledit épanouissement (73).
10. 10. Démarreur selon la revendication 9, caractérisé en ce que on définit un premier plan (P1) parallèle à un axe (X) dudit stator (8) passant par une extrémité externe de ladite surface plane (80), un deuxième plan (P2) parallèle audit axe (X) dudit stator (8) passant par une intersection entre un cercle (C1) correspondant à un arc de cercle définissant une partie d'une face interne (74) d'un pôle magnétique (69) et un troisième plan (P3) perpendiculaire au premier plan (P1) passant par ladite extrémité externe de ladite surface plane (80), et en ce que l'écart entre le premier (P1) et le deuxième (P2) plans correspondant à une hauteur de chanfrein ménagé dans ledit épanouissement (73) est compris entre 1.5mm et 2.8mm.
11. 11. Démarreur selon les revendications 9 et 10, caractérisé en ce que ladite surface plane (80) se situe sensiblement dans le premier plan (P1).
12. 12. Démarreur selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que ledit rotor (9) comporte 19 encoches destinées à recevoir des conducteurs pour la formation d'un bobinage rotorique (63).
13. 13 Démarreur selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la surface dans lequel l'entrefer varie suivant la circonférence varie également axialement.
14. 14. Masse polaire (69) appartenant à un inducteur de moteur électrique (5) de démarreur de véhicule automobile caractérisée en ce qu'ellecomporte une face interne destinée à être située en regard d'un rotor (9) dudit moteur électrique (5) présentant une discontinuité rompant une régularité d'un arc de cercle définissant une partie de ladite face interne (80).