FR3082675A1 - Machine electrique pour demarreur comprenant des ressorts helicoidaux irreguliers pour des balais - Google Patents

Abstract

Machine électrique tournante (1) à balais comportant : - des logements à balais (2) comprenant chacun un élément de fond (22), - des balais (3) comprenant une surface d'appui (32) et une surface de contact (31), chaque balai (3) étant logé dans un logement à balais (2) - un collecteur (4) comprenant un axe de rotation (X) et une surface externe (41) en contact avec la surface de contact (31) des balais (3) et - au moins un ressort de balai par balai (3), au moins un des ressorts de balai est un ressort hélicoïdal irrégulier (5) comprenant des spires (51) autour d'un axe de poussée (50) et étant monté comprimé entre l'élément de fond (22) du logement à balais (2) correspondante et la surface d'appui du balai (32) correspondant, exerçant une force sur le balai (3) en direction du collecteur (4).

Description

Machine électrique pour démarreur comprenant des ressorts hélicoïdaux irréguliers pour des balais

DOMAINE TECHNIQUE

La présente invention est relative aux machines électriques munies de balais. L’invention trouve une application particulièrement avantageuse dans le domaine des machines électriques tournantes telles que les alternateurs, les alterno-démarreurs ou encore les machines réversibles ou les moteurs électriques compris dans des démarreurs. On rappelle qu’une machine réversible est une machine électrique tournante apte à travailler de manière réversible, d’une part, comme générateur électrique en fonction alternateur et, d’autre part, comme moteur électrique par exemple pour démarrer le moteur thermique du véhicule automobile.

ÉTAT DE LA TECHNIQUE

Il est connu des machines électriques à balais, comprenant un stator comprenant une culasse et un rotor comprenant un collecteur, des cages à balai et des balais logés dans les cages à balai. Les cages à balai sont montées généralement sur une rondelle porte-balai à l’intérieur de la culasse ou contre la culasse.

Le balai comprend une surface de contact en contact avec le collecteur pour transmettre l’électricité au collecteur. Plus précisément, le collecteur comprend des lames conductrices et l’électricité est transmise de la surface de contact du balai aux lames conductrices du collecteur.

Pour permettre au balai d’être toujours en appui contre le collecteur, il est connu que la machine comprenne un ressort de balai ayant une extrémité d’appui exerçant une force sur une surface d’appui du balai en direction du collecteur pour permettre à sa surface de contact de rester en contact avec le collecteur.

La machine électrique comprend aussi une tresse d’alimentation du balai pour alimenter le balai en courant afin qu’il transmette le courant au collecteur. Le balai comprend aussi un trou dans lequel une portion de la tresse est insérée.

Du fait que chaque balai frotte contre les lames conductrices du collecteur, le balai s’use et sa taille diminue au fil du temps d’utilisation de la machine électrique.

Pour un démarreur, on utilise aussi le nombre de cycles d’utilisation du démarreur pour quantifier sa durée de vie. Lors d’un démarrage, un démarreur est utilisé pendant un temps très court, de l’ordre de 1 à 5 secondes. Ainsi, le décompte du nombre de cycles d’utilisation renseigne sur l’usure d’un démarreur.

Depuis la mise en place du système connu sous l’appellation anglaise « stop and start », permettant d’arrêter le moteur thermique lorsque le véhicule est à l’arrêt à un feu rouge par exemple, il existe un besoin pressant d’augmenter le nombre de cycles d’utilisation des démarreurs. Par conséquent, il existe également un besoin d’augmenter la durée de vie des balais.

Un balai peut être caractérisé par sa longueur de vie, appelée aussi longueur utile, mesurée entre sa surface de contact et le point de balai usé. Le point de balai usé peut être soit le trou de la tresse soit la surface d’appui du balai. En effet, lorsque la tresse ou le ressort frottent sur le collecteur, la machine électrique ne fonctionne plus ou se détériore très vite.

Plus le balai a une longueur de vie importante, plus la machine électrique peut fonctionner longtemps sans nécessiter de changer les balais. Bien entendu, la solution la plus simple pour augmenter la longueur de vie des balais est d’augmenter la taille de la machine électrique pour y incorporer des balais plus longs, ayant une longueur de vie plus importante.

Cependant, des contraintes de dimensions existent, notamment dans le cas des démarreurs, imposant des contraintes de dimensions sur les cages à balai.

Il existe plusieurs façons de monter un ressort dans une cage à balai. Par exemple, un ressort de type hélicoïdal est monté comprimé à l’intérieur de la cage à balai. Une extrémité du ressort, dite « extrémité de contact » est en contact avec la surface d’appui et l’autre extrémité, dite « extrémité d’appui » est en contact avec le fond de la cage à balai. Ainsi, le ressort exerce une force sur le balai, dans la direction radiale par rapport à l’axe de rotation du collecteur, cette force étant orientée du balai vers le collecteur.

À iso dimensionnement de la cage à balai, la longueur de vie du balai est donc dépendante de la longueur du ressort hélicoïdal monté comprimé. Ainsi, plus cette longueur est faible, plus la longueur de vie du balai neuf peut être importante.

Il est connu de monter le ressort hélicoïdal comprimé spire contre spire et de diminuer la section des spires au maximum. Cependant, même en fin de vie du balai, par exemple lorsque la longueur de vie n’est plus que de 1 mm, le ressort doit avoir une raideur suffisante, c'est-à-dire qu’il doit avoir un nombre de spires minimum et une section minimum pour exercer une force suffisante sur le balai afin de permettre un bon contact électrique avec le collecteur.

Pour résoudre ce problème d’encombrement du ressort, il est connu d’utiliser des ressorts spiraux dont les spires sont montées à l’extérieur de la cage à balai sur la rondelle porte-balai et seule l’extrémité d’appui, en contact avec la surface d’appui, se trouve à l’intérieur de la cage à balai.

Cependant, ce montage nécessite une place angulaire sur la rondelle porte-balai, entre les cages à balai, ce qui n’est pas forcément possible lorsque le diamètre de la machine est petit ou lorsque le nombre de cages à balai est important. En outre, un tel ressort spiral exerce une force sur le balai qui est non radiale (par rapport à l’axe de rotation du collecteur). Cette force est inclinée par rapport à une direction radiale, ce qui a l’inconvénient de provoquer des frottements du balai contre les parois de la cage à balai.

Ces mêmes problèmes s’appliquent aux alternateurs, aux alterno-démarreurs et aux machines réversibles.

RÉSUMÉ DE L’INVENTION

On constate qu’il existe un besoin d’augmenter la durée de vie d’un balai sans augmenter la taille de la cage à balai, tout en évitant au moins l’un des inconvénients du ressort spiral situé à l’extérieur de la cage à balai.

Selon l’invention, on tend à satisfaire ce besoin en prévoyant une machine électrique tournante à balais comportant des logements à balais comprenant chacun un élément de fond, des balais comprenant une surface d’appui et une surface de contact, chaque balai étant logé dans un logement à balais. En outre, la machine comprend un collecteur comprenant un axe de rotation et une surface externe en contact avec la surface de contact des balais et au moins un ressort de balai par balai, au moins un des ressorts de balai est un ressort hélicoïdal irrégulier comprenant des spires autour d’un axe de poussée et étant monté comprimé entre l’élément de fond du logement à balais correspondant et la surface d’appui du balai correspondant, exerçant une force sur le balai en direction du collecteur.

Par « un logement à balais », on entend « une cage à balais » dans le cas d’un moteur électrique de démarreur et « un boîtier comprenant des logements à balais » dans le cas d’un alternateur, d’un alterno-démarreur ou d’une machine réversible. Ainsi un logement à balais peut contenir un unique balai ou davantage.

Par « un élément de fond », on entend une plaque fermée, une plaque ajourée, ou encore une plaque comprenant un œillet. Par ressort hélicoïdal irrégulier on entend que le diamètre des spires et/ou le pas du ressort varient le long de l’axe de poussée du ressort. Autrement dit, les spires n’ont pas toutes le même diamètre ou n’ont pas toutes le même rayon par rapport à l’axe de poussée du ressort et/ou le pas du ressort (ou l’espacement entre les spires) est variable le long de l’axe de poussée du ressort.

Autrement dit le ressort hélicoïdal irrégulier comprend, dans un plan perpendiculaire à l’axe de poussée du ressort, au moins deux portions de deux spires consécutives lorsque le ressort est en position comprimé maximum ou spire contre spire. En d’autres termes, au moins deux spires du ressort hélicoïdal irrégulier d’au moins un logement à balais se chevauchent axialement selon leur axe de poussée.

En effet, le fait de ne pas avoir le même diamètre permet au ressort hélicoïdal irrégulier, lorsqu’il est monté spire contre spire, de contenir, dans un plan perpendiculaire à l’axe de poussée du ressort, deux portions de deux spires consécutives. Les spires se chevauchent axialement, selon l’axe de poussée du ressort. Les portions des spires qui se chevauchent axialement permettent donc de diminuer l’encombrement du ressort hélicoïdal irrégulier, dans le logement à balais, selon la direction axiale du ressort. La diminution de l’encombrement axial correspond à la somme des longueurs axiales de chevauchement des spires, selon l’axe de poussée. Autrement dit, la diminution de l’encombrement axial correspond à la somme des épaisseurs de ces portions de spires qui se chevauchent. Ainsi, il est possible de loger dans un logement un balai ayant une longueur de vie plus importante. L’invention permet donc d’augmenter la longueur de vie d’un balai.

Le fait de ne pas avoir le même pas le long de l’axe de poussée du ressort permet également de gagner en encombrement le long de l’axe de poussée du ressort. En effet, augmenter le pas revient à augmenter la raideur du ressort, et permet de réduire le nombre de spires, donc l’encombrement du ressort en position comprimé maximum.

Ce type de ressort hélicoïdal irrégulier a donc un meilleur effet télescopique que le ressort hélicoïdal régulier mais l’effort n’est pas aussi linéaire qu’un ressort hélicoïdal régulier du fait que des spires n’aient pas le même diamètre. En effet, à iso section, la spire ayant le diamètre le plus petit a une raideur plus importante que la spire ayant le plus grand diamètre. Le ressort hélicoïdal irrégulier n’applique donc pas une valeur de force constante sur le balai en fonction de la décompression du ressort hélicoïdal irrégulier (le déplacement de la première spire en contact avec le balai) mais permet par rapport au ressort spiral d’appliquer une force radiale sur le balai. En outre l’avantage du ressort irrégulier situé dans le logement à balais est de pouvoir être utilisé sur des rondelles porte-balai dont l’encombrement ne permet pas de disposer des ressorts spiraux en dehors du logement à balais.

Le dispositif selon l’invention peut également présenter une ou plusieurs des caractéristiques ci-dessous, considérées individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles :

Selon un aspect de l’invention, le ressort hélicoïdal irrégulier comprend un pas variable le long de l’axe du ressort et/ou des spires dont le diamètre varie le long de l’axe de poussée du ressort.

Selon un mode de réalisation, le ressort hélicoïdal irrégulier est un ressort conique. Cela permet d’améliorer la durée de vie du ressort.

Selon un autre mode de réalisation, le ressort hélicoïdal irrégulier comprend une première spire ayant une surface en contact avec l’élément de fond du logement à balais et une dernière spire ayant une surface de contact avec la surface d’appui du balai, et la valeur du diamètre de la première spire est plus proche de la valeur du diamètre de la dernière spire que de la valeur du diamètre d’une spire intermédiaire.

Cela permet d’améliorer le comportement de l’effort du ressort sur le balai entre le début de vie et la fin de vie du balai par rapport au comportement d’un ressort spiral à l’extérieur du logement ou d’un ressort hélicoïdal conique.

En effet, le fait qu’une spire intermédiaire ait un diamètre plus différent que ne le sont les diamètres de la première et dernière spires permet que la force appliquée, lors du déploiement du ressort, ait un comportement plus proche d’un comportement linéaire d’un ressort hélicoïdal régulier que de l’autre mode de réalisation dans lequel le ressort est conique. En effet, le fait que les diamètres de spires s’éloignent et se rapprochent du diamètre des première et dernière spires permet de diminuer l’écart type des diamètres pour un même nombre de spires et garantit donc un comportement plus linéaire.

En effet, durant la vie du balai, le ressort n’appliquera pas la même force sur le balai et donc le contact entre le balai et le collecteur sera différent durant la vie du balai. Plus le ressort a un comportement linéaire, moins cette différence de force est difficile à gérer et donc meilleur est le rendement de la machine électrique.

Selon un mode de réalisation, le ressort hélicoïdal irrégulier comprend une première spire ayant une surface en contact avec l’élément de fond du logement à balai et une dernière spire ayant une surface en contact avec la surface d’appui du balai et comprend au moins une petite spire ayant un diamètre plus petit qu’un diamètre d’une spire contiguë précédente et au moins une grande spire ayant un diamètre plus grand qu’un diamètre d’une spire contiguë précédente.

On entend par « une spire contiguë précédente », une spire voisine immédiate d’une autre spire, et étant située plus proche, selon l’axe de poussée, de la première spire. Autrement dit, une spire est en contact avec deux spires voisines immédiates, et on sélectionne la voisine immédiate qui se trouve la plus proche axialement de la première spire.

Le ressort hélicoïdal irrégulier comprend donc des spires dont la valeur du diamètre change de sens de variation le long de l’axe de poussée. C’est-à-dire que le diamètre des spires peut augmenter puis diminuer, ou diminuer puis augmenter, ou augmenter puis diminuer puis augmenter à nouveau, ou encore diminuer puis augmenter puis diminuer puis augmenter à nouveau le long de l’axe de poussée. Toutes les possibilités ne sont pas énumérées ici. Cela permet aussi d’améliorer le comportement du ressort en ayant un comportement plus proche du comportement linéaire d’un ressort hélicoïdal régulier que le mode de réalisation précédent dans lequel le ressort hélicoïdal irrégulier est un ressort conique.

Selon un mode de réalisation, le ressort hélicoïdal irrégulier comprend une ou deux spires du milieu, positionnées entre la première spire et la dernière spire, de telle manière qu’il y ait autant de spires entre la première spire et la ou les deux spires du milieu que de spires entre la ou les deux spires du milieu et la dernière spire et, dans lequel la ou les spires du milieu ont une valeur de diamètre la plus éloignée de la valeur de diamètre de la première spire et de la dernière spire.

Cela permet d’améliorer le comportement de l’effort du ressort sur le balai en étant plus proche d’un comportement linéaire.

Selon un mode de réalisation, la ou les spires du milieu ont le plus petit ou le plus grand diamètre.

Selon un mode de réalisation, le ressort hélicoïdal irrégulier comprend une spire intermédiaire, positionnée entre la première spire et la dernière spire, dont le diamètre est le plus petit ou le plus grand diamètre.

Selon un mode de réalisation, le ressort hélicoïdal irrégulier est un ressort hélicoïdal concave. Dans cet exemple, le diamètre des spires consécutives diminue jusqu’à une spire intermédiaire puis le diamètre des spires consécutives augmente. Dans un autre exemple, le diamètre des spires consécutives diminue jusqu’à une spire du milieu, puis le diamètre des spires augmente. Un tel ressort est appelé ressort diabolo.

Selon un exemple, le ressort hélicoïdal concave comprend un premier groupe de spires successives dont le diamètre diminue puis un second groupe successif au premier groupe comprenant des spires successives dont le diamètre s’agrandit et la première spire est la première spire du premier groupe et la dernière spire est la dernière spire du second groupe.

Par exemple les première et dernière spires ont le plus grand diamètre et une spire intermédiaire, ou bien une spire du milieu, a le plus petit diamètre.

Cette variante a l’avantage d’avoir une meilleure stabilité du fait que le ressort a une plus grande surface d’appui sur l’élément de fond du logement et sur la surface de contact du balai.

Selon un mode de réalisation, le ressort hélicoïdal irrégulier est un ressort hélicoïdal convexe. Dans cet exemple, le diamètre des spires consécutives augmente jusqu’à une spire intermédiaire puis le diamètre des spires diminue. Dans un autre exemple, le diamètre des spires consécutives augmente jusqu’à une spire du milieu puis le diamètre des spires diminue. Un tel ressort est appelé ressort tonneau.

Selon un exemple, le ressort hélicoïdal irrégulier convexe comprend un premier groupe de spires successives dont le diamètre s’agrandit puis un second groupe successif au premier groupe comprenant des spires successives dont le diamètre diminue et en ce que la première spire est la première spire du premier groupe et la dernière spire est la dernière spire du second groupe.

Par exemple la première et la dernière spire ont le plus petit diamètre et une spire intermédiaire, ou bien une spire du milieu, a le plus grand diamètre.

Cet exemple a l’avantage d’augmenter la stabilité, notamment en diminuant l’effet de vrillage ou de torsion des spires, en particulier par rapport au ressort hélicoïdal régulier ayant une longueur supérieure à quatre fois le diamètre d’une spire.

Selon cet exemple pouvant être combiné avec un autre mode de réalisation, la première spire a le même diamètre que la dernière spire.

Cela permet d’avoir un effet symétrique qui permet donc de simplifier le montage du ressort. En effet le ressort hélicoïdal peut être monté d’un côté comme de l’autre et donc cela facilite le montage contrairement au cas d’un ressort hélicoïdal conique par exemple.

Selon un mode de réalisation, le ressort hélicoïdal irrégulier comprend trois groupes de spires successives, les spires appartenant à un même groupe ayant un même diamètre. Dans un exemple, les diamètres des deux groupes formant les extrémités du ressort sont identiques. Dans un exemple, le diamètre des deux groupes formant les extrémités du ressort est identique et supérieur au diamètre du groupe intermédiaire de spires. Un tel ressort est appelé ressort haltère.

Cela permet, tout au long de la vie du balai, d’appliquer la force juste nécessaire au maintien du balai contre le collecteur, sans le plaquer trop fort contre le collecteur ce qui provoquerait une usure trop rapide du balai. Ainsi les balais s’usent moins vite. Cela permet en outre d’avoir un ressort symétrique ce qui permet de simplifier le montage du ressort.

Selon un mode de réalisation, le ressort hélicoïdal irrégulier est un ressort hélicoïdal à vagues comportant entre la première spire exclue et la dernière spire exclue, plusieurs spires de même diamètre et comportant, entre ces spires de même diamètre, au moins deux spires ayant des diamètres différents entre eux, tout en étant différents du diamètre des spires de même diamètre.

Selon un mode de réalisation, la première spire et la dernière spire et au moins une spire intermédiaire ont le plus grand diamètre.

Selon un mode de réalisation, la première spire et la dernière spire et au moins une spire intermédiaire ont le plus petit diamètre.

Selon un mode de réalisation, la première spire et la dernière spire ont une valeur de diamètre entre la valeur du plus petit diamètre et la valeur du plus grand diamètre.

Selon un exemple, le ressort hélicoïdal irrégulier ne comprend que deux types de spires, des spires dites grandes et des spires dites petites, telles que le diamètre des grandes spires est plus grand que le diamètre des petites spires.

C’est-à-dire que le ressort ne comprend que deux diamètres de spires.

Selon un exemple chaque petite spire est contiguë à deux grandes spires.

Selon un mode de réalisation pouvant être combiné aux modes de réalisation précédents, les spires du ressort hélicoïdal irrégulier, en position comprimé maximum, se chevauchent axialement selon l’axe de poussée, et radialement par rapport à cet axe.

Cela permet au ressort d’avoir un comportement plus linéaire qu’un ressort irrégulier se chevauchant uniquement axialement. En effet, à iso section et iso nombre de spires du ressort, dans un ressort dont les spires se chevauchent axialement et radialement, l’écart type des diamètres des spires est plus petit que dans le cas d’un ressort dont les spires se chevauchent uniquement axialement. Autrement dit, les diamètres des spires d’un ressort irrégulier se chevauchant axialement et radialement sont moins dispersés autour d’une valeur moyenne que dans le cas d’un ressort dans lequel il y a uniquement du chevauchement axial. Le fait d’avoir des diamètres de spires moins différents entre eux garantit une meilleure linéarité du ressort. Un ressort hélicoïdal conique est un exemple de ressort dans lequel le chevauchement des spires est uniquement axial.

Selon un aspect de l’invention, le ressort hélicoïdal irrégulier comprend des spires dont le diamètre est constant le long de l’axe de poussée du ressort mais dont le pas varie le long de l’axe de poussée du ressort.

Cela permet de gagner en encombrement le long de l’axe de poussée du ressort. En effet, augmenter le pas revient à augmenter la raideur du ressort, et permet de réduire le nombre de spires donc l’encombrement du ressort. En outre, cela présente l’avantage, notamment pour les machines de type alternateur, alternodémarreur ou réversibles, de ne pas avoir de problème de place pour le passage de la tresse au centre des spires. Ce problème de place peut se poser dans le cas d’un ressort dont le diamètre des spires varie.

Selon un mode de réalisation pouvant être combiné aux modes de réalisation précédents, le balai comprend

- quatre faces de guidage en contact avec des parois du logement à balais,

- un trou dans l’une des quatre faces de guidage,

- une saillie s’étendant radialement, par rapport à l’axe de rotation, de la surface d’appui vers l’élément de fond du logement à balais, entre des spires du ressort hélicoïdal irrégulier, et dans laquelle, la machine comprend en outre une tresse dont une portion se loge dans ledit trou, la tresse étant tangente à un plan passant par la surface d’appui.

Cela permet de maintenir la tresse tout en maximisant la longueur de vie du balai. En outre la saillie permet une meilleure diffusion du courant de la tresse dans le balai.

Dans cet exemple, la longueur de vie du balai est mesurée sur le balai, entre la surface de contact et la tresse. Au fil des cycles de démarrages, la longueur de vie du balai diminue.

Selon un mode de réalisation pouvant être combiné à l’un ou plusieurs des modes de réalisation décrits précédemment, le moteur comprend une rondelle porte-balai et un palier arrière, les logements à balais étant chacun fixé à la rondelle porte-balai, et en ce que la rondelle porte-balai est montée entre le palier arrière et la culasse.

Selon un exemple, le palier arrière comprend une portion entourant la rondelle portebalai et la culasse.

Selon un mode de réalisation pouvant être combiné à l’un ou plusieurs des modes de réalisation décrits précédemment, chaque ressort logé dans un logement à balais est un ressort hélicoïdal irrégulier.

Tous les avantages présentés ci-dessus s’appliquent à toute machine électrique tournante, qu’il s’agisse d’un alternateur, d’un alterno-démarreur, d’une machine réversible ou encore d’un moteur électrique de démarreur.

Un autre aspect de l’invention concerne un démarreur comprenant une machine électrique tournante selon l’aspect décrit précédemment pouvant être en combinaison avec un des modes de réalisation décrit précédemment.

BRÈVE DESCRIPTION DES FIGURES

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront clairement de la description qui en est donnée ci-dessous, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux figures annexées, parmi lesquelles :

La figure 1 représente une coupe axiale d’une portion d’un moteur électrique selon un mode réalisation de l’invention,

- La figure 2 représente un agrandissement schématique d’une section d’une moitié du ressort hélicoïdal irrégulier de la figure 1,

La figure 3 représente une vue d’un balai, d’une tresse et d’un ressort hélicoïdal irrégulier selon un mode réalisation de l’invention,

La figure 4 représente une coupe axiale d’une portion d’un moteur électrique selon un autre mode de réalisation de l’invention,

- La figure 5 représente un agrandissement schématique d’une section d’une moitié du ressort hélicoïdal irrégulier de la figure 4,

- La figure 6 représente un agrandissement schématique d’une section d’une moitié d’un ressort hélicoïdal irrégulier selon un autre mode de réalisation de l’invention,

- La figure 7 représente un agrandissement schématique d’une section d’une moitié d’un ressort hélicoïdal irrégulier selon un autre mode de réalisation de l’invention,

La figure 8 représente une vue en coupe d’un porte-balais d’alternateur,

- La figure 9 représente un exemple dans lequel deux ressorts hélicoïdaux irréguliers sont montés dans un porte-balais d’alternateur,

- La figure 10 représente un exemple de ressort hélicoïdal irrégulier dont le pas et le diamètre des spires varient le long de l’axe de poussée du ressort.

Pour plus de clarté, les éléments identiques ou similaires sont repérés par des signes de référence identiques sur l’ensemble des figures.

DESCRIPTION DÉTAILLÉE

Une première facette de l’invention concerne une machine électrique tournante telle qu’un moteur électrique de démarreur. Cette première facette est en particulier présentée à l’appui des figures 1 à 7.

La figure 1 représente une coupe axiale d’une portion d’une machine électrique tournante selon un mode de réalisation de l’invention.

La machine électrique tournante 1 est du type à balais, en l’occurrence, c’est une coupe d’une portion d’un moteur électrique d’un démarreur. La machine électrique 1 comporte des logements à balais 2, aussi appelés cages à balai 2, comprenant chacune des murets comprenant à l’intérieur des faces de guidage 21 et un élément de fond 22, aussi appelé fond 22. En l’occurrence, dans cette variante, sur la figure 1, deux cages à balai sont visibles en coupe mais la machine 1 en comprend quatre. La machine 1 comprend en outre des balais 3, en l’occurrence un balai 3 par cage à balai 2 et en ce que chaque balai 3 est logé dans une cage à balai 2 en contact avec les faces de guidage 21. Chaque balai 3 comprend une surface de contact 31 et une surface d’appui 32. En outre, la machine comprend un collecteur 4 comprenant un axe X de rotation comprenant des lames conductrices ayant chacune une surface externe 41 en contact avec les surfaces de contact 31 des balais 3 lorsque la lame est en vis-à-vis de la surface de contact 31 du balai 3.

La machine 1 comprend un ressort de t»alai par balai 3 et en l’occurrence dans ce mode de réalisation, tous les ressorts de balai sont des ressorts hélicoïdaux irréguliers 5. En l’occurrence seulement deux ressorts hélicoïdaux irréguliers 5 en coupe sont visibles sur la figure 1. Chaque ressort hélicoïdal irrégulier 5 comprend des spires 51 autour d’un axe de poussée 50, en l’occurrence perpendiculaire à l’axe de rotation X du collecteur 4. Lorsque le balai est neuf, le ressort hélicoïdal irrégulier 5 peut être monté dans une position dite « dent dent » (c'est-à-dire spire contre spire) ou presque en position « dent dent » en fonction des tolérances de fabrication de la machine 1.

Dans la suite, le ressort hélicoïdal irrégulier 5 sera présenté en position « dent dent » mais peut bien entendu être monté neuf légèrement décomprimé par rapport à la position « dent dent », et cela peut être dû aux tolérances de fabrication*

Dans ce mode de réalisation, le ressort hélicoïdal irrégulier 5 est donc monté comprimé entre le fond 22 de la cage à balai 2 et le balai 2. Le ressort hélicoïdal irrégulier 5 comprend donc une première spire 52 en contact avec le fond 22 et une dernière spire 53 en contact avec la surface d’appui 32. Le ressort hélicoïdal irrégulier 5 exerce donc sur la surface d’appui 32 du balai 3 une force suivant la direction de l’axe de poussée 50, cette force étant dirigée vers le collecteur 4.

Les spires 51 de l’au moins un ressort hélicoïdal irrégulier 5 n’ont pas toutes le même diamètre.

La figure 2 montre une section du ressort hélicoïdal irrégulier 5 en position « dent dent » d’une mise en œuvre de ce mode de réalisation dans lequel on peut voir que les rayons des spires par rapport à l’axe de poussée 50 sont différents. On peut voir sur cette figure 2, que deux portions 510 de deux spires 51 consécutives se chevauchent axialement sur une distance axiale D selon l’axe de poussée 50. En l’occurrence, il y a quatre chevauchements axiaux dans ce ressort à 6 spires. En outre, les spires 51 dans cette mise en œuvre se chevauchent également radialement par rapport à leur axe de poussée 50. Les spires se chevauchent ici axialement et radialement mais pourraient très bien selon un autre mode de réalisation se chevaucher uniquement axialement.

Par exemple, selon un autre mode de réalisation non représenté, le ressort hélicoïdal irrégulier 5 est un ressort conique dont les spires se chevauchent uniquement axialement. Un tel ressort conique a l’avantage de pouvoir gagner encore plus de place mais a l’inconvénient par rapport à ce mode de réalisation d’avoir un effort sur le balai beaucoup plus variable. Plus le ressort applique des forces variables, plus le balai se comporte différemment et peu s’user plus rapidement. En effet, si la force du ressort appliquée sur le balai est trop importante cela augmente les frottements du balai par un couple résistif sur le collecteur et donc une usure plus rapide du balai s’opère. Si la force du ressort appliquée sur le balai est insuffisante, le balai peut faire des rebonds par rapport au collecteur, impliquant des éclairs électriques et donc une diminution de rendement de la machine électrique, une augmentation de la chaleur du démarreur et une détérioration plus rapide du balai. Il est donc très difficile de trouver les bonnes caractéristiques d’un ressort conique, dont les spires se chevauchent uniquement axialement, pour améliorer la durée de vie du balai.

Dans ce mode de réalisation représenté, le fait que les spires n’aient donc pas le même diamètre permet au ressort hélicoïdal irrégulier 5, lorsqu’il est monté spire contre spire, d’avoir deux portions 510 de deux spires 51 consécutives se chevauchant axialement. La distance axiale D des deux portions 510 des spires qui se chevauchent axialement permet donc de diminuer l’encombrement axial du ressort hélicoïdal 5 dans la cage à balai 2. Ainsi le balai 3 a une longueur de vie plus importante d’une longueur correspondant à la somme des distances axiales, correspondant aux chevauchements axiaux des spires selon l’axe de poussée, en l’occurrence la somme des quatre distances D. Ainsi, l’invention permet d’augmenter le cycle de vie d’un balai 3. Autrement dit, la longueur de vie du balai se voit augmentée ici de quatre fois la distance D puisque la distance D est en l’occurrence régulière.

Ce type de ressort hélicoïdal irrégulier 5 a donc un meilleur effet télescopique, même si l’effort n’est pas aussi linéaire qu’un ressort hélicoïdal régulier, du fait que les spires 51 n’aient pas le même diamètre. En effet, plus le diamètre d’une spire 51 est petit, plus la raideur est importante à iso matière du ressort.

Dans ce mode de réalisation, le ressort hélicoïdal irrégulier 5 comprend une première spire 52 ayant une surface en contact avec le fond 22 de la cage à balai 2 et une dernière spire 53 ayant une surface de contact avec la surface d’appui 32 du balai 3.

Dans cette mise en œuvre, la valeur du diamètre de la première spire 52 est plus proche de la valeur du diamètre de la dernière spire 53 que de la valeur d’une spire intermédiaire, en l’occurrence une spire du milieu.

En l’occurrence, le ressort hélicoïdal irrégulier 5 comprend donc au moins une spire 51 ayant un diamètre plus petit qu’un diamètre d’une spire 51 contiguë précédente et au moins une spire 51 ayant un diamètre plus grand qu’un diamètre d’une spire contiguë précédente.

On entend par « une spire contiguë précédente », une spire voisine immédiate d’une autre spire 51, et étant située du même côté que la première spire 52 par rapport à cette autre spire 51. Autrement dit, une spire 51 est en contact avec deux spires voisines immédiates, et on sélectionne la voisine immédiate qui se trouve du même côté que la première spire 52 par rapport à la spire 51 considérée. Il y a donc un « sens de lecture » des diamètres des spires 51 le long de l’axe de poussée 50 du ressort 5.

Dans cet exemple représenté sur la figure 2, le nombre de spires est de 6 et donc le ressort hélicoïdal irrégulier 5 comprend deux spires du milieu 54. Si le nombre de spires 51 était impair, il pourrait n’y avoir qu’une seule spire du milieu 54 et en l’occurrence donc qu’une seule spire 51 ayant le plus petit diamètre.

Par spire du milieu, on entend donc qu’il y a autant de spires 51 entre la première spire 52 et la ou les deux spires de milieu 54 que de spires 51 entre la ou les deux spires du milieu 54 et la dernière spire 53.

Dans cette variante de ce mode de réalisation représentée sur les figures 1 à 3, le ressort hélicoïdal irrégulier 5 est un ressort hélicoïdal diabolo appelé aussi concave. Dans cet exemple, les deux spires du milieu 54 ont le plus petit diamètre des spires 51 du ressort et la première spire 52 et la dernière spire 53 ont le plus grand diamètre des spires du ressort. Cela permet d’augmenter la linéarité de l’effort du ressort sur le balai tout en ayant un grand diamètre de spire à chaque extrémité du ressort pour guider le ressort et le balai dans la cage à balai le plus radialement possible par rapport à l’axe de rotation X du collecteur.

Dans ce mode de réalisation, le balai 3 comprend donc quatre faces de guidage, dont une face de guidage 33 est visible sur la figure 3, en contact avec des parois de la cage à balai comportant les faces de guidages 21.

Sur la figure 3, on peut voir une tresse 6 visible en coupe sur la figure 1. Le balai 3 comporte donc un trou dans la face de guidage 33 logeant une portion de la tresse 6. Le balai 3 comprend dans ce mode de réalisation, une saillie 36 s’étendant radialement par rapport à l’axe de rotation X, de la surface d’appui 32 vers le fond 22 ou la première spire 52 du ressort hélicoïdal irrégulier 5. En d’autres termes, la saillie 36 s’étend entre les dernières spires du ressort hélicoïdal irrégulier 5. Au moins la dernière spire 53 entoure donc la saillie 36. Comme cela est visible sur la figure 3, la tresse 6 est tangente à un plan passant par la surface d’appui 32, voire une portion de la tresse 6 est comprise dans la saillie 36.

La saillie 36 permet donc de maintenir la tresse 6 tout en maximisant la longueur de vie du balai et permet en outre une meilleure diffusion du courant de la tresse 6 dans le balai 3.

Dans cet exemple, la longueur du balai de vie L est donc mesurée sur le balai 3 entre la surface de contact 31 et la tresse 6. Au fil des démarrages, la longueur de vie du balai L diminue et le ressort 5 se détend entre le fond 22 de la cage et la surface d’appui 32.

Dans cette variante de cette mise en œuvre, le diamètre des spires 51 consécutives diminue spire par spire de la première spire 52 jusqu’à la spire intermédiaire, en l’occurrence une des deux spires du milieu 54 puis le diamètre des spires consécutives augmente spire par spire de l’autre spire du milieu 54 jusqu’à la dernière spire 53.

Le ressort hélicoïdal irrégulier diabolo 5 comprend donc un premier groupe de spires successives dont le diamètre diminue puis un second groupe successif au premier groupe comprenant des spires successives dont le diamètre s’agrandi et en ce que la première spire 52 est la première spire 52 du premier groupe et la dernière spire 53 est la dernière spire 53 du second groupe.

Le moteur 1 comprend en outre une rondelle porte-balai 7, un palier arrière 8 et une culasse 9 visible sur la coupe représentée en figure 1. Les cages à balai 2 sont chacune fixée à la rondelle porte-balai 7. En l’occurrence, les cages à balai 2 sont montées sur des rails non visibles sur la rondelle porte-balai 7 et l’autre surface de la paroi comprenant le fond est en appui contre la culasse 9 du moteur 1. La paroi de la cage à balai 2 en vis-à-vis de la rondelle porte-balai 7 peut comprendre un trou 27 non traversant comprenant une pente et la rondelle porte-balai peut comprendre une butée 71 dans ce trou 27. Ce trou 27 et la butée 71 permettent de déplacer les cages à balais 2 montées sur la rondelle porte-balai 7. Ainsi chaque ressort hélicoïdal irrégulier 5 applique une force sur le fond 22 de la cage à balai 2 correspondante et donc le trou 27 de la cage à balai 2 comprend une surface qui transmet cette force sur cette butée 71 de la rondelle porte-balai 7. Pour transporter uniquement les cages à balai 2 et les balais 3 avec la rondelle porte-balai 7 avant le montage de cet ensemble dans la culasse 9, l’ensemble comporte un cylindre de montage, par exemple en plastique, de même diamètre externe que le collecteur 4 pour maintenir les balais 3 dans leur cage à balai 2 correspondante. Pour le montage de l’ensemble sur le collecteur, la rondelle porte-balai est déplacée axialement en positionnant le cylindre de montage en butée contre le collecteur et les balais glissent du cylindre de montage au collecteur 4.

Enfin, dans ce mode de réalisation, la rondelle porte-balai 7 est montée entre le palier arrière 8 et la culasse 9. En l’occurrence la rondelle porte-balai 7 est montée en sandwiche entre le palier arrière 8 et la culasse 9. Le palier arrière 8 comprend une portion entourant la rondelle porte-balai 7 et la culasse 9.

La figure 4 représente une coupe d’une partie arrière de la machine 1 selon une deuxième variante de cette mise en œuvre de ce mode de réalisation.

Cette variante est identique à celle précédemment décrite sauf en ce que le ressort hélicoïdal irrégulier 5 n’a pas la même forme. En effet, le ressort hélicoïdal irrégulier 5 est convexe et appelé aussi ressort tonneau. Dans cette variante, les diamètres des spires consécutives augmentent jusqu’à la spire intermédiaire, par exemple la spire du milieu puis les diamètres des spires consécutives diminuent.

La figure 5 représente une section d’une moitié des spires du ressort hélicoïdal irrégulier 5 par rapport à son axe de poussée 50.

Le nombre de spires est identique au nombre de spires de la variante précédente, c’est-à-dire six spires, il y a donc deux spires du milieu 54 et le nombre de chevauchements axiaux selon l’axe de poussée 50 est de quatre, soit une distance de longueur de vie augmentée de quatre fois la distance de chevauchement D par rapport à un ressort hélicoïdal régulier.

Le ressort hélicoïdal irrégulier 5 tonneau comprend un premier groupe de spires successives dont le diamètre s’agrandi puis un second groupe successif au premier groupe comprenant des spires successives dont le diamètre diminue et en ce que la première spire 52 est la première spire du premier groupe et la dernière spire 53 est la dernière spire du second groupe.

En l’occurrence la première spire 52 et la dernière spire 53 ont donc le plus petit diamètre et les deux spires 54 du milieu ont le plus grand diamètre.

En l’occurrence, dans les deux variantes décrites, la première spire 52 a le même diamètre que la dernière spire 53. Cependant la première spire 52 ou la dernière spire 53 peut avoir un diamètre plus grand respectivement que la dernière spire 53 ou que la première spire 52.

Selon une autre variante non représentée, les spires 51 du ressort forment plusieurs ressorts diabolo (concaves) ou plusieurs ressorts tonneau (convexes) en série.

La figure 6 représente une section d’une moitié de ressort hélicoïdal irrégulier 5 d’un moteur selon une autre mise en œuvre de ce mode de réalisation.

Le moteur 1 est identique à la mise en œuvre décrite précédemment, sauf en ce que la dernière spire 53 a la valeur de diamètre la plus éloignée de la valeur de diamètre de la première spire 52 et donc contrairement à la mise en œuvre précédente les spires intermédiaires 51 ont un diamètre entre la valeur de diamètre de la première spire 52 et la valeur de diamètre de la dernière spire 53.

Dans cet exemple, le nombre de spire est de sept, s’agissant d’un nombre impair, il n’y a qu’une seule spire du milieu 54. En l’occurrence la spire du milieu 54 comprend le même diamètre que le diamètre de la première spire 52.

Dans cette variante, le groupe de spires 51 entre la spire du milieu 54 comprise et la première spire 52 comprise forme un ressort irrégulier de type diabolo ou concave décrit précédemment, et le groupe de spires entre la spire du milieu 54 comprise et la dernière spire 53 comprise est de forme conique comme dans l’autre mode de réalisation non représenté décrit précédemment sauf en ce que dans cette variante de mise en œuvre les spires se chevauchent radialement et axialement.

Dans cette variante, le ressort n’est donc pas symétrique et ne présente donc pas de comportement symétrique.

En outre, les longueurs axiales de chevauchement D sont différentes dans cette variante. Cela peut permettre au ressort d’avoir un comportement plus linéaire que le ressort conique. En effet, à iso section et iso nombre de spires du ressort, l’écarttype des diamètres des spires est plus faible que dans le cas du ressort spiral conique.

La figure 7 représente une autre variante de cette mise en œuvre de ce mode de réalisation, dans lequel une section d’une moitié du ressort hélicoïdal irrégulier 5 est représentée. Le ressort hélicoïdal irrégulier 5 est un ressort hélicoïdal à vagues, c’est-à-dire qu’il comporte une portion comme le ressort concave et une portion comme le ressort convexe.

Dans cet exemple de cette troisième variante de ce mode de réalisation, il n’y a que deux diamètres de spires et la première spire a la valeur de diamètre la plus grande et la dernière spire a la valeur de diamètre la plus petite. Bien entendu, le ressort peut être inversé en ayant la première spire ayant la valeur de diamètre la plus petite et la dernière spire a la valeur de diamètre la plus grande.

Dans cet exemple, il y a six spires 51 et donc deux spires de milieu 54 ayant chacun un diamètre différent.

Une deuxième facette de l’invention concerne les alternateurs, alterno-démarreurs, et machines réversibles. Cette facette est maintenant présentée à l’appui de la figure 8, qui représente une vue en coupe d’un porte-balais d’alternateur.

La machine électrique tournante 1 est du type à balais, en l’occurrence, c’est une coupe d’une portion d’un alternateur. L’alternateur 1 comporte un boîtier comprenant des logements à balais 2, chacun des logements 2 comprenant des murets comprenant à l’intérieur des faces de guidage 21 et un élément de fond 22, formé par une plaque comprenant un œillet. En l’occurrence, sur la figure 8, les deux logements à balai de l’alternateur sont visibles en coupe. La machine 1 comprend en outre des balais 3, en l’occurrence un balai 3 par logement à balai 2 soit deux balais par boîtier. Chaque balai 3 est logé dans un logement à balai 2 et est en contact avec les faces de guidage 21. Chaque balai 3 comprend une surface de contact 31 et une surface d’appui 32. En outre, la machine comprend un collecteur 4 comprenant un axe X de rotation et supportant côte à côte deux bagues de cuivre conductrices. Chaque bague est en vis-à-vis d’un balai 3. Ainsi, chaque bague a une surface externe 41 en contact avec la surface de contact 31 du balai correspondant. L’alternateur comporte en outre une borne 10, dite B+, reliée à la batterie afin de la recharger, et un dissipateur 11.

La machine 1 comprend un ressort de balai par balai 3. Ici, les deux ressorts de balai, visibles en coupe sur la figure 8, sont des ressorts hélicoïdaux irréguliers 5. Lorsque le balai est neuf, le ressort hélicoïdal irrégulier 5 peut être monté dans une position dite « dent dent » (c'est-à-dire spire contre spire) ou presque en position « dent dent » en fonction des tolérances de fabrication de la machine 1. Chaque ressort hélicoïdal irrégulier 5 comprend des spires 51 autour d’un axe de poussée 50, cet axe étant perpendiculaire à l’axe de rotation X du collecteur 4. Dans cet exemple, le diamètre des spires est constant le long de l’axe de poussée du ressort, mais le pas est variable.

Dans un autre exemple représenté à la figure 9, deux ressorts hélicoïdaux irréguliers sont montés dans un porte-balais d’alternateur. Dans cette représentation, les ressort ne sont pas ici montés en position « dent dent ». Dans cet exemple, chaque ressort hélicoïdal irrégulier comprend trois groupes de spires successives, les spires appartenant à un même groupe ayant un même diamètre. Le diamètre des deux groupes formant les extrémités du ressort est identique et supérieur au diamètre du groupe intermédiaire de spires. Un tel ressort est appelé ressort haltère.

D’autres géométries de ressorts sont envisageables. Par exemple, un ressort hélicoïdal irrégulier dont le pas et le diamètre des spires varient le long de l’axe de poussée du ressort, tel que représenté à la figure 10, est aussi adapté pour des applications dans le domaine des machines électriques tournantes.

Dans les exemples des figures 8 et 9, le porte-balai est aménagé différemment par rapport aux exemples précédents concernant la première facette de l’invention. Cependant, les caractéristiques et éléments de l’invention, qui concernent un ressort hélicoïdal irrégulier, sont identiques à ceux exposés dans la description de la première facette de l’invention.

Naturellement, l’invention n’est pas limitée aux modes de réalisations précédemment décrits en référence aux figures et des variantes pourraient être envisagées sans sortir du cadre de l’invention.

Claims (11)

1. Machine électrique tournante (1 ) à balais comportant :

- des logements à balais (2) comprenant chacun un élément de fond (22),

- des balais (3) comprenant une surface d’appui (32) et une surface de contact (31), chaque balai (3) étant logé dans un logement à balais (2),

- un collecteur (4) comprenant un axe de rotation (X) et une surface externe (41) en contact avec la surface de contact (31 ) des balais (3) et

- au moins un ressort de balai par balai (3), au moins un des ressorts de balai est un ressort hélicoïdal irrégulier (5) comprenant des spires (51) autour d’un axe de poussée (50) et étant monté comprimé entre l’élément de fond (22) du logement à balais (2) correspondant et la surface d’appui (32) du balai (3) correspondant, exerçant une force sur le balai (3) en direction du collecteur (4).

2. Machine électrique tournante suivant la revendication 1, caractérisée en ce que le ressort hélicoïdal irrégulier comprend un pas variable le long de l’axe du ressort et/ou des spires dont le diamètre varie le long de l’axe de poussée du ressort.

3. Machine électrique tournante (1) selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que le ressort hélicoïdal irrégulier (5) comprend une première spire (52) ayant une surface en contact avec l’élément de fond (22) du logement à balais (2) et une dernière spire (53) ayant une surface en contact avec la surface d’appui (32) du balai (3) et en ce que la valeur du diamètre de la première spire (52) est plus proche de la valeur du diamètre de la dernière spire (53) que de la valeur du diamètre d’une spire intermédiaire (54).

4. Machine électrique tournante (1) selon la revendication 1, 2 ou 3, dans laquelle le ressort hélicoïdal irrégulier (5) comprend :

- une première spire (52) ayant une surface en contact avec l’élément de fond (22) du logement à balais (3),

- une dernière spire (53) ayant une surface en contact avec la surface d’appui (32) du balai (3),

- au moins une petite spire ayant un diamètre plus petit qu’un diamètre d’une spire contiguë précédente et

- au moins une grande spire ayant un diamètre plus grand qu’un diamètre d’une spire contiguë précédente, une spire contiguë précédente étant une spire voisine immédiate d’une autre spire (51) , et étant située plus proche, selon l’axe de poussée (50), de la première spire (52) .

5. Machine électrique tournante (1) selon la revendication 3 ou 4, caractérisée en ce que le ressort hélicoïdal irrégulier (5 ) comprend une ou deux spires du milieu (54), positionnées entre la première spire (52) et la dernière spire (53), de telle marnière qu’il y ait autant de spires (51) entre la première spire (52) et la ou les deux spires du milieu (54) que de spires (51) entre la ou les deux spires du milieu et la dernière spire (53) et en ce que la ou les spires du milieu (54) ont une valeur de diamètre la plus éloignée de la valeur de diamètre de la première spire (52) et de la dernière spire (53).

6. Machine électrique tournante (1) selon la revendication 1, 2, 3, 4 ou 5, dans laquelle le ressort hélicoïdal irrégulier (5) est un ressort hélicoïdal concave.

7. Machine électrique tournante (1) selon la revendication 1, 2, 3, 4 ou 5, dans laquelle le ressort hélicoïdal irrégulier (5) est un ressort hélicoïdal convexe.

8. Machine électrique tournante (1) selon la revendication 3, 4, ou 5, dans laquelle le ressort hélicoïdal irrégulier (5) est un ressort hélicoïdal à vagues comportant entre la première spire (52) exclue et la dernière spire (53) exclue, plusieurs spires de même diamètre et comportant, entre ces spires de même diamètre, au moins deux spires (51) ayant des diamètres différents entre eux, tout en étant différents du diamètre des spires de même diamètre.

9. Machine électrique tournante (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes dans laquelle les spires (51) du ressort hélicoïdal irrégulier (5), en position comprimé maximum, se chevauchent axialement selon l’axe de poussée (50), et radialement par rapport à cet axe (50).

10. Machine électrique tournante (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle le balai (3) comprend

- quatre faces de guidage (33) en contact avec des parois du logement à balais (2),

5 - un trou dans l’une des quatre faces de guidage (33),

- une saillie (36) s’étendant radialement, par rapport à l’axe de rotation (X), de la surface d’appui (32) vers l’élément de fond (22) du logement à balais (2), entre des spires (51) du ressort hélicoïdal irrégulier (5), et dans laquelle, la machine (1) comprend en outre une tresse (6) dont une portion 10 se loge dans ledit trou, la tresse (6) étant tangente à un plan passant par la surface d’appui (32).

11. Démarreur comprenant une machine électrique tournante selon l'une quelconque des revendications précédentes.