FR3050340A1 - Demarreur de moteur thermique a performances ameliorees - Google Patents

Abstract

L'invention porte principalement sur un démarreur pour moteur thermique de véhicule automobile comportant: - un moteur électrique (DCM) comprenant des pôles bobinés et/ou à aimants permanents et un ensemble d'enroulements séparés (Wm), - un dispositif d'augmentation du couple (DAC) muni d'une première bobine (W1), dite de transformation, montée en série avec ledit ensemble d'enroulements séparés (Wm) connectés à la masse et d'une deuxième bobine (W2), dite d'accumulation, pour emmagasiner une énergie magnétique et restituer ladite énergie magnétique à ladite bobine de transformation (W1) pour que cette bobine de transformation (W1) transforme cette énergie magnétique en un courant circulant dans ledit ensemble d'enroulements séparés (Wm).

Description

DEMARREUR DE MOTEUR THERMIQUE A PERFORMANCES

AMELIOREES L'invention porte sur un démarreur de moteur thermique à performances améliorées. De manière générale, l'invention trouve une application particulièrement avantageuse dans le domaine des démarreurs pour moteur thermique de véhicules automobiles.

De façon connue en soi, un démarreur est pourvu d'un lanceur capable de transmettre une énergie de rotation au vilebrequin du moteur thermique par l'intermédiaire d'un pignon engrenant avec une couronne de démarrage du moteur thermique.

Lors de la mise sous tension d'un démarreur pour assurer le démarrage du moteur thermique, il se produit un appel de courant important qui est proche du niveau de courant de court-circuit du démarreur, à savoir, un courant de l'ordre de 1000 Ampères. Cet appel de courant à la mise sous tension du démarreur décroît ensuite en intensité à mesure que l'induit du démarreur, correspondant au rotor de la machine, monte en vitesse. A ce pic initial de courant correspond une chute conséquente de la tension aux bornes de la batterie.

Afin d'écrêter le pic de courant du démarreur au moment de son activation, il est connu de monter un dispositif de filtrage de type inductif dans le circuit de puissance du démarreur. Un tel dispositif de filtrage décrit notamment dans le document PCT/FR2011/052638 comporte un circuit d'enroulement primaire destiné à s'insérer en série dans ledit circuit de puissance, ainsi qu'un circuit d'enroulement secondaire monté en court-circuit. L'ajout de l'enroulement primaire engendre la mise en série d'une résistance associée dans le circuit de puissance, ce qui a pour effet de diminuer les performances en couple et en vitesse du démarreur. La figure 1 montre ainsi les caractéristiques de puissance et de régime/couple respectivement pour un démarreur de puissance 2.2kW (cf. courbes C22_P et C22_RC), d'un démarreur de puissance 1.8kW (cf. courbes C18_P et C18_RC), et d'un démarreur de puissance 1.8kW équipé d'un dispositif de filtrage (cf. courbes C18HCFP et C18HCF_RC).

On remarque une nette diminution des performances du démarreur de 1,8kW équipé d'un dispositif de filtrage par rapport aux performances du démarreur de 1,8kW fonctionnant seul. L’invention vise à remédier efficacement à cet inconvénient en proposant un démarreur pour moteur thermique de véhicule automobile comportant: - un moteur électrique comprenant des pôles bobinés et/ou à aimants permanents et un ensemble d'enroulements séparés, - un dispositif d'augmentation du couple muni d'une première bobine, dite de transformation, montée en série avec ledit ensemble d'enroulements séparés connectés à la masse et d'une deuxième bobine, dite d'accumulation, pour emmagasiner une énergie magnétique et restituer ladite énergie magnétique à ladite bobine de transformation pour que cette bobine de transformation transforme cette énergie magnétique en un courant circulant dans ledit ensemble d'enroulements séparés.

Ainsi le courant, à rotor bloqué, passant par les balais est inférieur à celui d’un moteur de l’art antérieur. Ainsi on a moins d’usure Balai.

Selon une réalisation, lesdites bobines de transformation et d'accumulation sont montées de façon co-axiale l'une par rapport à l'autre.

Selon une réalisation, lesdites bobines de transformation et d'accumulation sont montées autour d'un noyau magnétique.

Selon une réalisation, ledit noyau magnétique comprend deux demi-noyaux séparés axialement par un entrefer.

Selon une réalisation, lesdites bobines de transformation et d'accumulation sont montées à l'intérieur d'une culasse fermée à ses extrémités axiales par deux rondelles pour fermer un trajet de flux à réluctance.

Selon une réalisation, ledit noyau magnétique comporte au moins un aimant monté axialement entre une rondelle de fermeture et ledit noyau magnétique.

Selon une réalisation, ledit démarreur comporte un organe de coupure de courant dans au moins un sens de courant monté électriquement entre une masse et ladite bobine de transformation.

Selon une réalisation, ledit organe de coupure est constitué par une diode.

Selon une réalisation, ledit démarreur comporte un contacteur muni d'un noyau mobile, ledit organe de coupure étant constitué par un contact mécanique de puissance commandé par ledit noyau mobile dudit contacteur.

Selon une réalisation, ledit démarreur comporte une bobine de maintien et un organe de commutation, ledit organe de commutation et ladite bobine d'accumulation étant montés électriquement ensemble en parallèle avec ladite bobine de maintien.

Selon une réalisation, ledit organe de commutation est constitué par un contact mécanique de puissance.

Selon une réalisation, ledit organe de commutation est constitué par un MOSFET apte à être commandé par une unité de commande. L’unité de commande peut avoir accès à la tension Udem du démarreur et commande l’ouverture ou la fermeture du MOFSET (transistor de puissance) en fonction de la tension Udem du démarreur. La tension Udem et Ubat sont identique à l’exception d’un décollage de tension = R cable X courant. Udem et Ubat se suivent donc.

Selon une réalisation, ladite unité de commande est configurée pour commander une phase de charge lors d'une phase de décrochage d'une roue libre dudit démarreur et une phase de décharge lors d'une phase d'accrochage de ladite roue libre dudit démarreur.

Selon une réalisation, ledit ensemble d'enroulements séparés est formé par un bobinage de type concentré.

Selon une réalisation, ledit ensemble d'enroulements séparés est formé par un bobinage de type ondulé. 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, déjà décrite, montre les caractéristiques de puissance et de régime/couple respectivement pour un démarreur de puissance 2.2kW, d'un démarreur de puissance 1.8kW, et d'un démarreur de puissance 1.8kW équipé d'un dispositif de filtrage selon l'état de la technique;

La figure 2 est un schéma de principe d'un circuit électrique du démarreur selon l'invention intégrant un premier mode de réalisation du dispositif d'augmentation du couple de type ITB pour "Inrush Torq Booster" en anglais (ou maximiseur de couple au démarrage);

La figure 3 représente un diagramme temporel des courants circulant dans l'ensemble d'enroulements séparés, dans la bobine d'accumulation, et du flux de pré-polarisation correspondant lors d'une phase de charge et lors d'une phase de décharge du système;

La figure 4 est un schéma de principe d'un circuit électrique du démarreur selon l'invention intégrant un deuxième mode de réalisation du dispositif d'augmentation du couple dit de type RTB pour "Runup Torq Booster" en anglais (ou maximiseur de couple périodique);

La figure 5 représente des courbes de régime du démarreur et du moteur thermique ainsi que des courbes mettant en évidence les phases de charge et de décharge du dispositif de type RTB;

La figure 6 montre les caractéristiques de puissance et de régime/couple respectivement pour un démarreur de puissance 2.2kW, d'un démarreur de puissance 1.8kW, et d'un démarreur de puissance 1.8kW équipé d'un dispositif d'augmentation de couple selon la présente invention;

La figure 7 est une vue schématique en coupe longitudinale d'un dispositif d'augmentation du couple obtenu à partir d'un dispositif de filtrage selon l'état de la technique;

Les figures 8a à 8c sont une vue schématique en coupe transversale de différents modes de réalisation d'un stator selon la présente invention muni d'un ensemble d'enroulements séparés; . Les éléments identiques, similaires ou analogues conservent la même référence d'une figure à l'autre.

La figure 2 montre un démarreur comprenant un moteur électrique à courant continu DCM muni de pôles bobinés et/ou à aimants permanents ainsi qu'un ensemble d'enroulements séparés Wm, un contacteur électromagnétique EC, et d'un dispositif d'augmentation de couple DAC.

Le contacteur EC est ici un contacteur à double contacts mécaniques de puissance K1, K2 comprenant une bobine d'appel Wapp et d'une bobine de maintien Wmnt. La fermeture d'un contact de démarrage CS du véhicule commande l'excitation des bobines d’appel Wapp et de maintien Wmnt provoquant un déplacement d’un noyau mobile NM apte à générer la fermeture des contacts de puissance K1, K2 selon un séquencement bien connu de l’homme du métier qui ne sera pas détaillé ici. Les bobines Bapp sont associées chacune à résistance correspondante Rapp et Rmnt. La résistance Rcmd est branchée en série avec le contact de démarrage CS, tandis que les résistances Rcnt et RL sont connectées en série entre le contact K2 et la résistance Rbatt de la batterie. La batterie délivre une tension référencée UObatt.

Le dispositif d'augmentation du couple DAC est muni d'une première bobine W1, dite de transformation, montée en série avec l'ensemble d'enroulements séparés Wm connecté électriquement à la masse. Le contact de puissance K1 est monté entre la bobine de transformation W1 et la masse.

Le dispositif d'augmentation de couple DAC comporte également une deuxième bobine W2, dite d'accumulation. Un organe de commutation K3 et la bobine d'accumulation W2 sont montés ensemble électriquement en parallèle de la bobine de maintien Wmnt. L'organe de commutation K3 est en l'occurrence constitué par un relai.

On décrit ci-après, en référence avec les figures 2 et 3, le fonctionnement du démarreur dans une configuration dite ITB (acronyme pour "Inruch Torq Booster" en anglais) suivant laquelle le dispositif est mis en œuvre une seule fois au moment du démarrage. Sur la figure 3, la courbe il correspond au courant parcourant la bobine W1, la courbe il ' correspond au courant parcourant la bobine correspondante d'un dispositif de filtrage inductif selon l'état de la technique, et la courbe il" correspond au courant parcourant le moteur électrique DCM sans l'utilisation du dispositif DAC. La courbe i2 correspond au courant parcourant la bobine d'accumulation W2, et la courbe i2' correspond au courant parcourant une bobine correspondante d'un dispositif de filtrage inductif selon l'état de la technique. Les courbes φ et φ' correspondent au flux de pré-polarisation observable respectivement lors de la mise en œuvre de l'invention et lors de la mise en œuvre d'un dispositif de filtrage inductif selon l'état de la technique.

Dans une phase de charge Pch, la fermeture du contact K3 permet à la bobine d'accumulation W2 d'emmagasiner de l'énergie magnétique. La fermeture du contact de démarrage CS entraîne l'alimentation de la bobine d'appel Wapp engendrant le déplacement du noyau mobile NM du contacteur EC, lequel commande la fermeture des contacts K1 et K2.

Dans une phase de décharge Pdech, le contact K3 est ouvert après la fermeture de K1 de telle façon que l'énergie emmagasinée par la bobine d'accumulation W2 puisse être restituée à la bobine de transformation W1. La bobine W1 transforme alors cette énergie en un courant circulant dans l'ensemble d'enroulements séparés Wm. L'ouverture du contact K3 après la fermeture du contact K1 permet d'éviter la création d'arcs électriques au début de la phase de décharge.

Comme on peut le voir sur la figure 3, le fort pic initial de courant il" intervenant à la fermeture du contact de puissance CP est écrêté pour obtenir le courant il En outre, le fonctionnement dans la configuration ITB (départ à vitesse quasi nulle) permet de procurer un surplus de couple sans le supplément de courant qui serait nécessaire sans le dispositif. De manière indirecte, l'invention permet de limiter le courant pour une même référence de couple requis. On limite ainsi la sollicitation des balais en usure électrique.

La configuration de type RTB pour "Runup Torq Booster" montrée à la figure 4 permet de répéter les phases de charge Pch et de décharge Pdech de la bobine d'accumulation W2. A cet effet, le contact mécanique K1 est remplacé par une diode D montée électriquement entre la masse et la bobine de transformation W1. La diode D est apte à bloquer un sens de circulation du courant. Par ailleurs, le relai de commutation K3 est remplacé par un MOSFET référencé M commandé par une unité de commande UC. L'unité de commande UC pourra par exemple prendre la forme du calculateur moteur. En variante, il pourra s'agir d'un calculateur dédié.

La figure 5 montre les courbes d'évolution temporelle du régime moteur (Qmth), du régime du démarreur (ûdem) et de la tension de la batterie (Ubatt) lors de la mise en œuvre de la configuration de type RTB. Comme cela ressort de cette figure, l'unité de commande UC peut commander une phase de charge Pch par fermeture du MOSFET M lors d'une phase de décrochage Pd de la roue libre du démarreur, c’est-à-dire lorsque la couronne du moteur thermique tourne plus vite que l’arbre moteur du démarreur et une phase de décharge Pdech par ouverture du MOSFET M lors d'une phase d'accrochage Pa de la roue libre du démarreur, c’est-à-dire lorsque le pignon du démarreur entraîne la couronne du moteur thermique.

Le fonctionnement dans la configuration RTB (départ à vitesse élevée, au raccrochage de roue libre) permet, comme dans la configuration ITB, de procurer un surplus de couple sans supplément de courant. On obtient ainsi à iso-couple à rotor bloqué (ICC couple maxi), un effet de limitation de courant passant pas les balais avantageux vis-à-vis de la chute de tension à la batterie en charge. En effet, le courant, à rotor bloqué, passant par les balais est inférieur à celui d’un moteur de l’art antérieur. Ainsi on a moins d’usure Balai.

La figure 6 montre les caractéristiques de puissance et de régime/couple respectivement pour un démarreur de puissance de 2.2kW (cf. courbes C22_P et C22_RC), d'un démarreur de puissance de 1.8kW (cf. courbes C18_P et C18_RC), d'un démarreur de puissance de 1.8kW équipé d'un dispositif de filtrage selon l'état de la technique (cf. courbes C18HCF_P et C18HCF_RC) et d'un démarreur de puissance de 1.8kW équipé d'un dispositif d'augmentation du couple DAC (cf. courbes C18DAC_P et C18DAC_RC). On remarque une amélioration des performances du démarreur de 1.8kW équipé du dispositif DAC par rapport aux performances du démarreur de 1,8kW équipé du dispositif de filtrage. En effet, la courbe de puissance C18DAC_P suit sensiblement la courbe de puissance du démarreur de puissance supérieure C22_P pour ensuite suivre la courbe du démarreur de puissance de 1,8kW utilisé seul.

Comme cela est visible sur la figure 7, le dispositif d'augmentation de couple DAC pourra être obtenu à partir de la modification d'un dispositif de filtrage de type inductif décrit dans le document PCT/FR2011/052638. Le dispositif DAC est fixé mécaniquement à un carter extérieur du démarreur, à proximité du contacteur EC.

Le dispositif d'augmentation de couple DAC comporte une carcasse C en matériau magnétique tel que l'acier, ainsi que la bobine de transformation W1 et la bobine d'accumulation W2 de préférence réalisées en cuivre. La carcasse C comprend une culasse cylindrique YO d'axe X, deux pièces de fermeture CM, CM' pour fermer le trajet du flux à réluctance, et un noyau magnétique axial NA autour duquel sont agencés les bobines W1, W2. Les bobines W1 et W2 sont ainsi montées de façon co-axiale l'une par rapport à l'autre.

La bobine d'accumulation W2 pourra être enroulée autour d'un tube conducteur électrique T (par exemple en cuivre ou en aluminium) fendu suivant toute sa longueur pour ne pas générer de court-circuit. L’avantage d’utiliser le tube conducteur est que l’on reutilise le procédé de fabrication du HCF en ajoutant une étape de découpe pour réaliser la fente du tube conducteur. Selon un autre exemple, La bobine d'accumulation W2 pourra être enroulée autour d’un tube en matière isolante électrique. Selon un autre mode de réalisation, la bobine W2 peut être réalisée à partir d’un fil conducteur comprenant une couche Thermo adhérant. Dans ce cas, le dispositif d’augmentation du couple est dépourvu de tube. Autrement dit la bobine W2 est bobiné autour et en vis-à-vis de la bobine W1.

Alternativement, le noyau NA comprend deux demi-noyaux séparés axialement par un entrefer E. Un tel entrefer dans le circuit magnétique C, YO, CM, CM' permet d'atteindre plus tard la saturation du circuit magnétique. Le noyau NA pourra également comporter au moins un aimant A' monté axialement entre une rondelle de fermeture CM, CM' et le noyau NA.

On décrit ci-après, en référence avec les figures 8a, 8b, et 8c, la réalisation de l'ensemble d'enroulements séparé Wm dans le stator 10. Le stator 10 comporte une culasse métallique 11 et des pôles à aimants permanents 12 et/ou des pôles bobinés 12' destinés à produire un champ inducteur.

On pourra par exemple prévoir six aimants permanents 12 (cf. figure 8a) ou trois aimants permanents 12 et trois pièces polaires 13 correspondantes (cf. figure 8b). Les aimants 12 et les pièces polaires 13 sont conformés selon des segments cylindriques en étant angulairement répartis à intervalles réguliers à l'intérieur de la culasse 11. Les aimants 12 et les pièces polaires 13 sont séparés uniformément de l'induit 14 par un entrefer 15. Alternativement, le stator 10 comporte quatre pôles bobinés 12' (cf. figure 8c). L'ensemble d'enroulements séparés Wm pourra être formé par un bobinage de type ondulé. Le bobinage ondulé comporte une pluralité de spires parcourant les espaces entre les pôles 12, 13 du stator 10. Les spires sont formées à partir d'une pluralité de conducteurs électriques continus.

En variante, l'ensemble d'enroulements séparés Wm est formé par un bobinage de type concentré. Un tel bobinage est constitué par des bobines enroulées autour des pôles 12, 13 du stator 10. Ces bobines sont formées chacune à partir d'un conducteur électrique continu.

Dans un mode de réalisation particulier, il sera possible de "shunter" (court-circuiter) le stator 10 par implantation de pièces 17 (cf. figure 8a) par exemple à base d'acier aux extrémités des pôles. Ces pièces visent à défluxer l'induit 14.

Dans un mode de réalisation particulier une diode est montée en parallèle avec la bobine de maintien. Cette diode permet de traiter la surtension liée à la variation de courant à travers Wm. Cette diode peut par exemple être montée en parallèle de la bobine Wm de l’exemple représenté sur la figure 2 ou la figure 4. Un autre exemple est que la diode est une diode Zener.

Bien entendu, les différents éléments du circuit électrique du démarreur pourront être remplacés par tous autres équivalents par l'homme du métier.

Claims (15)

1. REVENDICATIONS

   1. Démarreur pour moteur thermique de véhicule automobile comportant: - un moteur électrique (DCM) comprenant des pôles bobinés (12') et/ou à aimants permanents (12) et un ensemble d'enroulements séparés (Wm), - un dispositif d'augmentation du couple (DAC) muni d'une première bobine (W1), dite de transformation, montée en série avec ledit ensemble d'enroulements séparés (Wm) connectés à la masse et d'une deuxième bobine (W2), dite d'accumulation, pour emmagasiner une énergie magnétique et restituer ladite énergie magnétique à ladite bobine de transformation (W1) pour que cette bobine de transformation (W1) transforme cette énergie magnétique en un courant circulant dans ledit ensemble d'enroulements séparés (Wm).
2. 2. Démarreur selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdites bobines de transformation (W1) et d'accumulation (W2) sont montées de façon co-axiale l'une par rapport à l'autre.
3. 3. Démarreur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que lesdites bobines de transformation (W1) et d'accumulation (W2) sont montées autour d'un noyau magnétique (NA).
4. 4. Démarreur selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit noyau magnétique (NA) comprend deux demi-noyaux séparés axialement par un entrefer (E).
5. 5. Démarreur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que lesdites bobines de transformation (W1) et d'accumulation (W2) sont montées à l'intérieur d'une culasse (YO) fermée à ses extrémités axiales par deux rondelles (CM, CM') pour fermer un trajet de flux à réluctance.
6. 6. Démarreur selon les revendications 3 et 5, caractérisé en ce que ledit noyau magnétique (NA) comporte au moins un aimant (A') monté axialement entre une rondelle de fermeture (CM, CM') et ledit noyau magnétique (ΝΑ).
7. 7. Démarreur selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comporte un organe de coupure de courant (K1, D) dans au moins un sens de courant monté électriquement entre une masse et ladite bobine de transformation (W1).
8. 8. Démarreur selon la revendication 7, caractérisé en ce que ledit organe de coupure est constitué par une diode (D).
9. 9. Démarreur selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comporte un contacteur (EC) muni d'un noyau mobile (NM), et en ce que ledit organe de coupure est constitué par un contact mécanique de puissance (K1) commandé par ledit noyau mobile (NM) dudit contacteur (EC).
10. 10. Démarreur selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'il comporte une bobine de maintien (Wmnt) et un organe de commutation (K3, M), ledit organe de commutation (K3, M) et ladite bobine d'accumulation (W2) étant montés électriquement ensemble en parallèle avec ladite bobine de maintien (Wmnt).
11. 11. Démarreur selon la revendication 10, caractérisé en ce que ledit organe de commutation est constitué par un contact mécanique de puissance (K3).
12. 12. Démarreur selon la revendication 10, caractérisé en ce que ledit organe de commutation est constitué par un MOSFET (M) apte à être commandé par une unité de commande (UC).
13. 13. Démarreur selon la revendication 12, caractérisé en ce ladite unité de commande (UC) est configurée pour commander une phase de charge (Pch) lors d’une phase de décrochage d'une roue libre dudit démarreur et une phase de décharge (Pdech) lors d'une phase d'accrochage de ladite roue libre dudit démarreur.
14. 14. Démarreur selon l'une quelconque des revendications 1 à 13, caractérisé en ce que ledit ensemble d'enroulements séparés (Wm) est formé par un bobinage de type concentré.
15. 15. Démarreur selon l'une quelconque des revendications 1 à 14, caractérisé en ce que ledit ensemble d'enroulements séparés (Wm) est formé par un bobinage de type ondulé.