FR3083387A1 - MANUFACTURE OF A MULTI-PHASE ELECTRIC POWER DISTRIBUTION DEVICE - Google Patents
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Abstract
Procédé de fabrication d'un dispositif de distribution de puissance électrique multiphasée pour une machine électrique sans balais, caractérisé en ce qu'il comprend une étape de disposition d'éléments conducteurs indépendants (301-304) comprenant chacun une piste formant un arc de cercle de même rayon, en sorte de définir des contacts électriques sur différents secteurs angulaires pour la machine à équiper, puis une étape de surmoulage des éléments conducteurs indépendants (301-304) disposés avec un matériau thermoplastique formant support pour la machine électrique sans balais.Method for manufacturing a multi-phase electrical power distribution device for a brushless electric machine, characterized in that it comprises a step of arrangement of independent conductive elements (301-304) each comprising a track forming an arc of a circle of the same radius, so as to define electrical contacts on different angular sectors for the machine to be equipped, then a step of overmolding of the independent conductive elements (301-304) arranged with a thermoplastic material forming a support for the brushless electric machine.
Description
FABRICATION D’UN DISPOSITIF DE DISTRIBUTION DE PUISSANCE ELECTRIQUE MULTIPHASEE [0001] L’invention porte sur un dispositif de distribution de courant pour une machine électrique sans balais.MANUFACTURE OF A MULTI-PHASE ELECTRIC POWER DISTRIBUTION DEVICE The invention relates to a current distribution device for a brushless electric machine.
[0002] On rappelle que les machines électriques sans balais, ou machine synchrone auto-pilotée à aimants permanents, forment une famille de machines électriques fonctionnant, vu de l’extérieur, avec une alimentation en courant continu, un système électronique de commande convertissant la puissance électrique continue en une puissance électrique alternative diphasée ou triphasée. Pour les puissances modérées le système électronique de commande est intégré dans le moteur, alors que pour les puissances puis élevées, il constitue un onduleur externe.It is recalled that the brushless electric machines, or self-controlled synchronous machine with permanent magnets, form a family of electric machines operating, seen from the outside, with a DC power supply, an electronic control system converting the continuous electric power into two-phase or three-phase alternating electric power. For moderate powers, the electronic control system is integrated in the motor, while for powers then high, it constitutes an external inverter.
[0003] Les moteurs sans balais sont, pour une puissance donnée, légers et peu encombrants, et ils permettent des vitesses de rotation élevées. Ainsi, leurs performances justifient un intérêt croissant pour ces moteurs au cours des dernières années.Brushless motors are, for a given power, light and space-saving, and they allow high rotational speeds. Thus, their performance justifies a growing interest in these engines in recent years.
[0004] Ces moteurs sont utilisés pour les outils portatifs, tels que perceuses, visseuses, tondeuses, débroussailleuses ou compacteuses, en robotique ou dans des modèles réduits comme les avions ou les voitures radioguidés, dans les lecteurs de disques des ordinateurs, ou également dans le domaine de l’automobile : les machines électriques de traction sont souvent des machines sans balais. On les utilise aussi pour les vélos électriques.These motors are used for portable tools, such as drills, screwdrivers, mowers, brushcutters or compactors, in robotics or in reduced models such as planes or radio-controlled cars, in computer disc players, or also in the automotive field: electric traction machines are often brushless machines. They are also used for electric bikes.
[0005] Leur structure est caractérisée par l’absence de connexion électrique sur le rotor. La machine est constituée d’aimants permanents répartis à la périphérie du rotor et d’un bobinage multiphasé sur le stator, source d'un champ magnétique tournant.Their structure is characterized by the absence of electrical connection on the rotor. The machine consists of permanent magnets distributed around the periphery of the rotor and of a multiphase winding on the stator, source of a rotating magnetic field.
[0006] Dans certaines conceptions, le stator est en périphérie et le rotor est central. L’inertie du rotor en général faible, et les vitesses atteintes par ce type de moteur peuvent atteindre 10000tr/min.In some designs, the stator is at the periphery and the rotor is central. The inertia of the rotor in general low, and the speeds reached by this type of motor can reach 10000rpm.
[0007] Dans d’autres conceptions, le stator est central, tandis que le rotor, en forme de cloche, tourne autour du stator. Cette dernière configuration est intéressante en termes de couple moteur, car les aimants sont disposés sur un diamètre important, ce qui crée un bras de levier en conséquence.[0007] In other designs, the stator is central, while the bell-shaped rotor rotates around the stator. This latter configuration is advantageous in terms of engine torque, since the magnets are arranged over a large diameter, which creates a lever arm as a result.
[0008] Dans les deux cas, sous l'effet du champ magnétique tournant créé par les bobines du stator, le rotor suit de manière synchronisée. Le système est muni d'un capteur de position du rotor, afin d'assurer son autopilotage.In both cases, under the effect of the rotating magnetic field created by the stator coils, the rotor follows in synchronized fashion. The system is equipped with a rotor position sensor, in order to ensure its autopiloting.
[0009] Les moteurs sans balais offrent comparativement aux moteurs avec balais, les avantages d’une moindre usure du fait de l’absence de pièces d’usures, un faible dégagement de poussières, et l’absence d’échauffements mécaniques liés à ces frottements. Il y a aussi moins de nuisance sonore.Brushless motors offer, compared to brushed motors, the advantages of less wear due to the absence of wearing parts, low dust generation, and the absence of mechanical overheating associated with these. friction. There is also less noise pollution.
[0010] On s’intéresse en particulier aux dispositifs de distribution de puissance électrique amenant la puissance électrique vers la machine, ou quand celle-ci fonctionne en génératrice, collectant et exportant la puissance créée.We are particularly interested in electrical power distribution devices bringing electrical power to the machine, or when the latter operates as a generator, collecting and exporting the power created.
[0011] On est intéressé par la mise au point de dispositifs aisément adaptables au type de moteur précis. Des moteurs peuvent être proposés par gamme de moteurs d’un même fournisseur, variant au sein de la gamme par leurs dimensions et leur puissance. Il est intéressant de pouvoir avec une même série de composants de base, équiper différents moteurs d’une même gamme, ou proches en conception.We are interested in the development of easily adaptable devices to the specific type of engine. Motors can be offered by range of engines from the same supplier, varying within the range by their dimensions and their power. It is interesting to be able, with the same series of basic components, to equip different motors of the same range, or close in design.
[0012] Pour cela il est proposé un procédé de fabrication d’un dispositif de distribution de puissance électrique multiphasée pour une machine électrique sans balais.For this it is proposed a method of manufacturing a multi-phase electrical power distribution device for a brushless electric machine.
[0013] Le procédé comprend une étape de disposition d’éléments conducteurs indépendants comprenant chacun une piste formant un arc de cercle de même rayon, en sorte de définir des contacts électriques sur différents secteurs angulaires pour la machine à équiper, puis une étape de surmoulage des éléments conducteurs indépendants disposés avec un matériau thermoplastique formant support pour la machine électrique sans balais.The method comprises a step of disposing of independent conductive elements each comprising a track forming an arc of a circle of the same radius, so as to define electrical contacts on different angular sectors for the machine to be equipped, then a step of overmolding independent conductive elements arranged with a thermoplastic material forming a support for the brushless electric machine.
[0014] Le procédé est basé sur la génération préalable de barres de connexion ou éléments conducteurs indépendants pour améliorer l'assemblage et la fiabilité de l'assemblage et de l'exploitation. L’assemblage se fait avec très peu d’outils.The method is based on the prior generation of connection bars or independent conductive elements to improve assembly and the reliability of assembly and operation. The assembly is done with very few tools.
[0015] L’usage de moyens versatiles offre une compatibilité entre des modèles de dimensions proches, de puissances différentes, pour lesquels il est néanmoins possible de conserver certaines pièces, notamment des crochets pour fixation du dispositif de distribution aux bobinages du moteur et les terminaux de connexion, configurés pour interagir avec l’interface utilisateur. Ces technologies (bobinage et interface) sont typiquement constantes chez un même constructeur de moteurs.The use of versatile means offers compatibility between models of similar dimensions, of different powers, for which it is nevertheless possible to keep certain parts, in particular hooks for fixing the distribution device to the motor windings and the terminals. connection, configured to interact with the user interface. These technologies (winding and interface) are typically constant at the same engine manufacturer.
[0016] Du fait du surmoulage, le recouvrement de surface est limité aux seules parties en interface avec des éléments externes (interface client, interface bobinage), ce qui induit une diminution du recours à des processus de traitement de surface contaminants.Due to the overmolding, the surface covering is limited to only the parts in interface with external elements (customer interface, winding interface), which induces a reduction in the use of contaminating surface treatment processes.
[0017] Le produit final peut de plus être 5 à 7% plus léger que des produits équivalents sur le marché.The final product can also be 5 to 7% lighter than equivalent products on the market.
[0018] Selon des caractéristiques avantageuses et optionnelles :According to advantageous and optional characteristics:
[0019] - l’étape de disposition est faite en mettant autant d’éléments conducteurs indépendants qu’il y a de phase à la puissance électrique devant être distribuée, ainsi qu’un élément conducteur indépendant supplémentaire pour un connecteur neutre ;- the disposal step is done by putting as many independent conductive elements as there are phase to the electrical power to be distributed, as well as an additional independent conductive element for a neutral connector;
[0020] - l’étape de disposition est faite en mettant des éléments conducteurs indépendants superposés les uns aux autres en sorte de former une prise mâle comprenant des terminaux de connexion mâles des éléments conducteurs indépendants les uns à côté des autres ;- The disposal step is done by putting independent conductive elements superimposed on each other so as to form a male plug comprising male connection terminals of the independent conductive elements next to each other;
[0021] - l’étape de disposition est faite en mettant des éléments conducteurs indépendants superposés en sorte que leurs extrémités respectives soient accessibles pour l’alimentation des différentes bobines de la machine électrique sans balais ;- the disposal step is made by putting independent conductive elements superimposed so that their respective ends are accessible for the supply of the various coils of the brushless electric machine;
[0022] - l’étape de disposition est faite en mettant plusieurs éléments de conducteurs indépendants munis d’un terminal de connexion mâle superposés sur un demi-cercle et un élément de conducteur indépendant sans terminal de connexion mâle sur l’autre demicercle ;- the disposal step is made by putting several elements of independent conductors provided with a male connection terminal superimposed on a semicircle and an independent conductor element without male connection terminal on the other semicircle;
[0023] - l’étape de disposition est faite en plaçant des éléments conducteurs indépendants sur des gradins successifs d’une empreinte de moulage et en surmoulant les éléments conducteurs indépendants dans l’empreinte ;- the disposal step is done by placing independent conductive elements on successive steps of a mold cavity and by overmolding the independent conductive elements in the cavity;
[0024] - les éléments conducteurs indépendants sont en cuivre, et sont munis de crochets isolants tournés du côté destiné à recevoir la machine électrique sans balais.- The independent conductive elements are made of copper, and are provided with insulating hooks turned to the side intended to receive the brushless electric machine.
[0025] Il est également proposé un dispositif de distribution de puissance électrique multiphasée pour une machine électrique sans balais obtenu selon le procédé évoqué cidessus.It is also proposed a multi-phase electrical power distribution device for a brushless electric machine obtained according to the process mentioned above.
[0026] Il est utilisable dans le domaine des moteurs automobiles, dans l’avionique, dans les appareils de type tracteurs ou tondeuses, ainsi que dans l’électroportatif, comme les outils électriques ou les appareils électroménagers équipés d’un moteur, ainsi que dans les jouets et le modélisme, et dans d’autres domaines.It can be used in the field of automobile engines, in avionics, in tractors or mowers type devices, as well as in power tools, such as power tools or household appliances equipped with a motor, as well as in toys and model making, and in other areas.
[0027] De par le mode d’obtention du dispositif de distribution présenté, les avantages sont les suivants.By the method of obtaining the distribution device presented, the advantages are as follows.
[0028] En matière d’amélioration du procédé les moyens utilisés sont flexibles, et il y a un besoin en matière d’outils spécifiques limité, et les modalités d’obtention sont adaptables à toutes les tailles de moteurs.In terms of improving the process, the means used are flexible, and there is a limited need for specific tools, and the methods of obtaining them are adaptable to all sizes of engines.
[0029] Au niveau du produit, il y a optimisation de la masse du produit, qui est de 5 à 7% plus léger que le produit équivalent connu précédemment, et à fonction équivalente, contribution à la réduction de la masse embarquée dans les domaines automobile, avionique, jardinerie, outillage électroportatif ou électroménager portatif.At the product level, there is optimization of the mass of the product, which is 5 to 7% lighter than the equivalent product known previously, and for equivalent function, contribution to the reduction of the on-board mass in the fields automotive, avionics, gardening, power tools or portable appliances.
[0030] L’invention sera mieux comprise, et d’autres buts, caractéristiques, détails et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement dans la description explicative qui va suivre faite en référence aux dessins annexés donnés uniquement à titre d’exemple illustrant un mode de réalisation de l’invention et dans lesquels :The invention will be better understood, and other objects, characteristics, details and advantages thereof will appear more clearly in the explanatory description which follows, made with reference to the appended drawings given solely by way of example illustrating a embodiment of the invention and in which:
- La figure 1 montre un exemple de machine électrique sans balais, vue de l’extérieur ;- Figure 1 shows an example of a brushless electric machine, seen from the outside;
- les figures 2 et 3 montrent un élément de base d’un dispositif de connexion selon l’invention, avant et après assemblage de ses parties ;- Figures 2 and 3 show a basic element of a connection device according to the invention, before and after assembly of its parts;
- les figures 4 et 5 montrent les différents éléments de base d’un dispositif de distribution selon l’invention, vu en configuration éclatée, les éléments étant positionnés les uns par rapport aux autres pour l’assemblage ;- Figures 4 and 5 show the different basic elements of a dispensing device according to the invention, seen in exploded configuration, the elements being positioned relative to each other for assembly;
- la figure 6 montre le dispositif de distribution selon l’invention, fini ;- Figure 6 shows the dispensing device according to the invention, finished;
- la figure 7 à 10 montrent les étapes du procédé de fabrication du dispositif de distribution, selon l’invention.- Figure 7 to 10 show the steps of the manufacturing process of the dispensing device according to the invention.
[0031] En figure 1 on a représenté un moteur électrique sans balais 100. Il comprend dans un carter 101 cylindrique, de révolution, un arbre d’entrée sortie 102 coaxial avec le carter. Le carter 101 porte sur son pourtour interne des aimants par paire de pôles, et constitue un rotor externe relié à l’arbre d’entrée sortie 102. Le carter 101 et l’arbre d’entrée sortie 102 tournent à la même vitesse. A l’intérieur du carter 101 se trouvent des bobines par multiple de trois, alimentées en courant triphasé, en sorte d’entrainer en rotation les aimants portés à l’intérieur du carter 101, ce qui entraîne la rotation de celui-ci et de l’arbre d’entrée sortie 102.In Figure 1 there is shown a brushless electric motor 100. It comprises in a casing 101 cylindrical, of revolution, an input shaft 102 output coaxial with the housing. The casing 101 carries magnets by pair of poles around its internal periphery, and constitutes an external rotor connected to the input-output shaft 102. The casing 101 and the input-output shaft 102 rotate at the same speed. Inside the casing 101 are coils in multiples of three, supplied with three-phase current, so as to rotate the magnets carried inside the casing 101, which causes the rotation thereof and the input output shaft 102.
[0032] Il existe également des moteurs sans balais à rotor strictement interne.There are also brushless motors with a strictly internal rotor.
[0033] L’alimentation du moteur sans balais 100 se fait à l’aide de courant continu, transformé par une électronique de puissance embarquée en un courant triphasé alimentant les bobines du stator, qui sont en nombre multiple de trois.The supply of the brushless motor 100 is done using direct current, transformed by on-board power electronics into a three-phase current supplying the stator coils, which are in number multiple of three.
[0034] A l’opposé de l’arbre d’entrée sortie 102 sur la base opposée du cylindre constituant le carter, est situé un support de connexion 103.Opposite the input-output shaft 102 on the opposite base of the cylinder constituting the casing, is located a connection support 103.
[0035] Le support de connexion 103 permet à l’alimentation des trois bobines ou groupes de bobines, avec le courant triphasé apporté par un dispositif de distribution.The connection support 103 allows the supply of the three coils or groups of coils, with the three-phase current supplied by a distribution device.
[0036] En figure 2 on a représenté un module de construction du dispositif de distribution selon l’invention, qui est utilisé pour apporter le courant électrique aux bobines.In Figure 2 there is shown a construction module of the distribution device according to the invention, which is used to bring the electric current to the coils.
[0037] Ce dispositif de distribution est développé en fonction de la typologie du moteur, à savoir sa taille et sa puissance, pour distribuer le courant aux bobines du moteur depuis la source d’énergie.This distribution device is developed according to the typology of the motor, namely its size and its power, to distribute the current to the motor coils from the energy source.
[0038] Le dispositif de distribution est constitué de quatre inserts disposés d’une manière particulière pour fabriquer l’ensemble. La figure 2 montre la structure d’un des inserts. L’insert porte la référence 200 il est constitué d’une piste semi-circulaire 201, d’un terminal 202 constitué d’une plaque disposée perpendiculairement au plan de la piste 201 à l’extrémité de celle-ci, et deux crochets 203 et 204.The distribution device consists of four inserts arranged in a particular way to manufacture the assembly. Figure 2 shows the structure of one of the inserts. The insert bears the reference 200 it consists of a semicircular track 201, of a terminal 202 consisting of a plate arranged perpendicular to the plane of the track 201 at the end thereof, and two hooks 203 and 204.
[0039] En figure 3, on a représenté l’insert 200 après montage des quatre pièces ainsi énoncées. Les crochets 203 et 204 sont orientés dans le même demi-espace que le terminal de connecteur 202 vis-à-vis du plan de la piste 201. On précise que le terminal de connecteur 202 et les crochets de bobinage 203 et 204 sont assemblés par soudure électrique sur la piste 201.In Figure 3, there is shown the insert 200 after assembly of the four parts thus stated. The hooks 203 and 204 are oriented in the same half-space as the connector terminal 202 with respect to the plane of the track 201. It is specified that the connector terminal 202 and the winding hooks 203 and 204 are assembled by electric welding on runway 201.
[0040] L’insert 200 est essentiellement défini par l’amplitude du secteur angulaire de la lame 201, le positionnement des crochets de bobinage 203 et 204 et le nombre de crochets de bobinage sur l’insert.The insert 200 is essentially defined by the amplitude of the angular sector of the blade 201, the positioning of the winding hooks 203 and 204 and the number of winding hooks on the insert.
[0041] La piste 201 et le terminal 202 sont en cuivre pur à 99%. Les terminaux 202 et les crochets de bobinage 203, 204 sont recouverts d’une couche protectrice contre la corrosion en différents matériaux possibles, comme de l’étain sans plomb, du nickel, de l’argent ou de l’or.The track 201 and the terminal 202 are made of 99% pure copper. The terminals 202 and the winding hooks 203, 204 are covered with a protective layer against corrosion in various possible materials, such as lead-free tin, nickel, silver or gold.
[0042] En figure 4 on a représenté les quatre inserts permettant de construire un exemple, suivant un mode de réalisation de dispositif de distribution.In Figure 4 there is shown the four inserts for building an example, according to one embodiment of the dispensing device.
[0043] Les inserts sont référencés 301, 302, 303 et 304. Les inserts 301 à 303 répondent à la description qui a été faite en référence à la figure 3, mais la longueur de leur piste augmente de I’insert 301 vers I’insert 302 et l’insert 303. Un crochet est toujours présent, sur chacun de ces trois inserts, à l’extrémité opposée au terminal, et le deuxième crochet est placé à une position intermédiaire, plus proche du terminal pour l’insert 301, plus proche du crochet opposé pour l’insert 303, et intermédiaire pour l’insert 302.The inserts are referenced 301, 302, 303 and 304. The inserts 301 to 303 correspond to the description which has been made with reference to FIG. 3, but the length of their track increases from the insert 301 towards I ' insert 302 and insert 303. A hook is always present, on each of these three inserts, at the end opposite to the terminal, and the second hook is placed in an intermediate position, closer to the terminal for insert 301, closer to the opposite hook for insert 303, and intermediate for insert 302.
[0044] L’insert 304 est dépourvu de terminal, est basé sur une piste d’un peu moins d’un demi-tour et porte six crochets, répartis régulièrement d’un bout à l’autre de la piste, et tous tournés vers le même demi-espace.The insert 304 is devoid of terminal, is based on a track of just under half a turn and carries six hooks, distributed regularly from one end to the other of the track, and all turned towards the same half space.
[0045] La figure 5 montre une vue éclatée d’un dispositif de connexion selon l’invention, basé sur les inserts de la figure 4.Figure 5 shows an exploded view of a connection device according to the invention, based on the inserts of Figure 4.
[0046] Les inserts 301 à 304 sont placés coaxialement autour d’un axe X-X en définissant un cylindre de révolution autour de celui-ci, les inserts 301 à 303 d’un côté du cylindre et l’insert 304 de l’autre côté du cylindre, tous les crochets dirigés vers le même demi-espace. Les terminaux des inserts 301 à 303 sont placés proches les uns des autres, avec un léger décalage angulaire autour de l’axe X-X pour qu’ils ne soient pas superposés, dans l’ordre terminal de 301, terminal de 302 et terminal de 303.The inserts 301 to 304 are placed coaxially around an axis XX by defining a cylinder of revolution around it, the inserts 301 to 303 on one side of the cylinder and the insert 304 on the other side of the cylinder, all the hooks directed towards the same half-space. The terminals of the inserts 301 to 303 are placed close to each other, with a slight angular offset around the axis XX so that they are not superimposed, in the order of terminal 301, terminal of 302 and terminal of 303 .
[0047] Les quatre inserts sont positionnés dans un surmoulage en matériau thermoplastique 400, ayant une forme générale annulaire et placé autour de l’axe X-X. Le surmoulage 400 comprend 7 pattes tournées vers le demi-espace opposé au demi-espace vers lequel sont tournés les crochets des inserts.The four inserts are positioned in an overmolding of thermoplastic material 400, having a generally annular shape and placed around the axis X-X. The overmolding 400 includes 7 tabs facing the half-space opposite the half-space towards which the hooks of the inserts are turned.
[0048] La figure 6 montre le dispositif de connexion 500 assemblé. Il comporte le surmoulage 400 au sein duquel sont présents les quatre inserts. Les 7 pattes du surmoulage sont tournées vers un demi-espace, et les crochets et les terminaux 401 à 403 sont tournés vers l’autre demi-espace.Figure 6 shows the connection device 500 assembled. It includes overmolding 400 within which the four inserts are present. The 7 legs of the overmold are facing half a space, and the hooks and terminals 401 to 403 are facing the other half-space.
[0049] En figures 7 et 8 on a représenté le procédé de surmoulage. Les quatre inserts 301 à 304 sont finement positionnés dans des empreintes, inférieure 450 et supérieure 451, de moule.In Figures 7 and 8 there is shown the overmolding process. The four inserts 301 to 304 are finely positioned in mold cavities, lower 450 and upper 451.
[0050] En figure 9, on visualise les trois inserts 301 à 303 qui sont placés sur des marches d’escalier de l’empreinte inférieure 450. La zone 600 est destinée à être remplie de matériau thermoplastique, différents canaux, par exemple le canal 700 amenant le matériau sous forme fluide en sorte de procéder au moulage, par remplissage puis refroidissement.In Figure 9, we visualize the three inserts 301 to 303 which are placed on stair treads of the lower footprint 450. The zone 600 is intended to be filled with thermoplastic material, different channels, for example the channel 700 bringing the material in fluid form so as to proceed with molding, by filling then cooling.
[0051] Une fois le matériau thermoplastique refroidi, les empreintes inférieure et 10 supérieure sont désolidarisées et le dispositif de distribution 500 est libéré.Once the thermoplastic material has cooled, the lower and upper cavities are separated and the dispensing device 500 is released.
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