FR3112252A1 - Synchronous electrical machine equipped with a mechanical switch - Google Patents

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FR3112252A1
FR3112252A1 FR2007104A FR2007104A FR3112252A1 FR 3112252 A1 FR3112252 A1 FR 3112252A1 FR 2007104 A FR2007104 A FR 2007104A FR 2007104 A FR2007104 A FR 2007104A FR 3112252 A1 FR3112252 A1 FR 3112252A1
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rotor
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machine
stator
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Nicolas Labbe
Geoffrey DEVORNIQUE
Baptiste RISTAGNO
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    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02KDYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K23/00DC commutator motors or generators having mechanical commutator; Universal AC/DC commutator motors
    • H02K23/26DC commutator motors or generators having mechanical commutator; Universal AC/DC commutator motors characterised by the armature windings
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    • H02K23/38DC commutator motors or generators having mechanical commutator; Universal AC/DC commutator motors characterised by the armature windings having winding or connection for improving commutation, e.g. equipotential connection

Abstract

Commutateur (40) mécanique pour machine (1) électrique apte à alimenter par un système de courant polyphasé comprenant q phases, avec q entier positif strictement supérieur à 1, un rotor (3) de machine électrique tournante présentant 2*p pôles magnétiques apparents et un rapport de réduction magnétique G, comprenant : - un collecteur (41) mobile en rotation autour d’un axe (X) de la machine électrique, de motif élémentaire égal à 2*π/(G*p*q), - au moins une paire de balais d’extension radiale, un balai positif (45) et un balai négatif (46), aptes à frotter sur le collecteur (41), fixes en rotation, définis chacun sur un secteur angulaire, aptes à être reliés à une même une batterie (B) de véhicule, caractérisé en ce que le collecteur (41) mécanique comprend G*p*q, avec G entier, lames conductrices (60) se succédant circonférentiellement, chaque lame (60) étant définie sur un secteur angulaire, les lames adjacentes étant isolées les unes des autres, les lames étant reparties en q groupes (a’, b’, c’), toutes les lames (60) d’un même groupe étant connectées électriquement ensemble, les q groupes étant alternées circonférentiellement, et en ce que les balais (45, 46) d’une même paire sont circonférentiellement décalés l’un de l’autre de [(2k+1)*2*π]/(2*G*p), k étant un entier naturel. Figure pour l’abrégé : Fig. 2Mechanical switch (40) for an electrical machine (1) suitable for supplying by a polyphase current system comprising q phases, with q positive integer strictly greater than 1, a rotor (3) of a rotating electrical machine having 2*p visible magnetic poles and a magnetic reduction ratio G, comprising: - a commutator (41) mobile in rotation around an axis (X) of the electrical machine, with an elementary pattern equal to 2*π/(G*p*q), - at the at least one pair of brushes with radial extension, a positive brush (45) and a negative brush (46), capable of rubbing on the commutator (41), fixed in rotation, each defined on an angular sector, capable of being connected to one and the same vehicle battery (B), characterized in that the mechanical collector (41) comprises G*p*q, with integer G, conductive blades (60) succeeding each other circumferentially, each blade (60) being defined on a sector angular, the adjacent blades being isolated from each other, the blades being distributed in q gro upes (a', b', c'), all the blades (60) of the same group being electrically connected together, the q groups being circumferentially alternated, and in that the brushes (45, 46) of the same pair are circumferentially offset from each other by [(2k+1)*2*π]/(2*G*p), k being a natural number. Figure for abstract: Fig. 2

Description

Machine électrique synchrone équipée d’un commutateur mécaniqueSynchronous electric machine equipped with a mechanical commutator

La présente invention concerne un commutateur mécanique pour alimenter une machine électrique tournante par un système de courants polyphasé. L’invention se rapporte également à une machine électrique équipée d’un tel commutateur pour véhicule automobile. Cette machine électrique appartient notamment aux domaines des machines à reluctance variable.The present invention relates to a mechanical switch for supplying a rotating electrical machine by a polyphase current system. The invention also relates to an electric machine equipped with such a switch for a motor vehicle. This electric machine belongs in particular to the fields of variable reluctance machines.

L’invention trouve une application particulièrement avantageuse dans le domaine des machines électriques tournantes telles que les alternateurs, les alterno-démarreurs, les moteurs électriques et les machines réversibles. L’invention trouve également une application particulière dans la traction de véhicule automobile de faible puissance, notamment comprise entre 4kW et 25kW, par exemple entre 4kW et 8kW, par exemple entre 15kW et 25kW.The invention finds a particularly advantageous application in the field of rotating electrical machines such as alternators, alternator-starters, electric motors and reversible machines. The invention also finds particular application in the traction of low-power motor vehicles, in particular between 4kW and 25kW, for example between 4kW and 8kW, for example between 15kW and 25kW.

L'invention pourra ainsi avantageusement être mise en œuvre notamment avec les véhicules électriques à quatre roues de faible puissance ("microcars" en anglais), les véhicules à deux roues de type moto, ou les quadricycles lourds.The invention can thus advantageously be implemented in particular with low-power four-wheeled electric vehicles (“microcars”), two-wheeled vehicles of the motorcycle type, or heavy quadricycles.

Il est connu de l’art antérieur des machines électriques à courant continu, notamment utilisé dans les démarreurs de véhicule automobile mais également pour propulser un véhicule. Ces machines munies d’un stator, ici l’inducteur, comportant plusieurs aimants permanents ou des pôles bobinés (électroaimants) et d’un rotor, ici l’induit, comportant des conducteurs formant le bobinage du rotor. L’induit comprend un collecteur mécanique muni de lames sur lesquelles frottent des balais pour l’alimentation en courant continu de l’induit.It is known from the prior art of direct current electrical machines, used in particular in motor vehicle starters but also to propel a vehicle. These machines equipped with a stator, here the inductor, comprising several permanent magnets or wound poles (electromagnets) and a rotor, here the armature, comprising conductors forming the winding of the rotor. The armature comprises a mechanical commutator fitted with blades on which brushes rub to supply direct current to the armature.

L’ensemble balais/collecteur forme un commutateur mécanique qui permet l’autopilotage mécanique de l’alimentation du bobinage. Chaque changement de position angulaire de l’induit correspond, grâce à l’agencement de position angulaire des lames et des balais, à une nouvelle alimentation du bobinage. Le positionnement des balais et du collecteur est fixé par la position angulaire des pôles inducteurs.The brush/collector assembly forms a mechanical commutator which allows the mechanical self-piloting of the winding power supply. Each change in the angular position of the armature corresponds, thanks to the arrangement of the angular position of the blades and the brushes, to a new supply of the winding. The positioning of the brushes and the commutator is fixed by the angular position of the field poles.

L’inconvénient principal de ces machines réside dans les variations brutales de l’énergie magnétique à chaque commutation de courant dans les conducteurs, notamment dans des sections d’induits du bobinage. La commutation de courant entraine une usure excessive des balais. Par ailleurs, les performances de telles machines sont insuffisantes pour une application dans la chaine de traction de véhicule automobile en comparaison aux machines électriques tournantes synchrones polyphasées, notamment triphasées, à courant alternatif synchrone.The main drawback of these machines lies in the sudden variations of the magnetic energy at each current switching in the conductors, in particular in the armature sections of the winding. Current switching causes excessive brush wear. Furthermore, the performance of such machines is insufficient for an application in the traction chain of a motor vehicle in comparison with polyphase synchronous rotating electric machines, in particular three-phase, with synchronous alternating current.

Une telle machine synchrone polyphasée comprend classiquement un rotor mobile en rotation autour d’un axe et un stator fixe entourant le rotor. En mode alternateur, lorsque le rotor est en rotation, il induit une tension au stator qui la transforme en courant électrique pour ensuite alimenter les consommateurs électriques du véhicule et recharger la batterie. En mode moteur, le stator est alimenté électriquement et crée un champ tournant magnétique puis un couple relativement aux pôles inducteurs, entraînant le rotor en rotation par exemple pour démarrer le moteur thermique. Ces machines présentent un net avantage en termes de performance volumiques par rapport aux machines à courant continu.Such a polyphase synchronous machine conventionally comprises a mobile rotor in rotation around an axis and a fixed stator surrounding the rotor. In alternator mode, when the rotor is rotating, it induces a voltage in the stator which transforms it into electric current to then supply the electrical consumers of the vehicle and recharge the battery. In motor mode, the stator is electrically powered and creates a rotating magnetic field then a torque relative to the field poles, driving the rotor in rotation for example to start the heat engine. These machines have a clear advantage in terms of volume performance compared to DC machines.

Une telle machine comporte classiquement un arbre, solidaire du rotor, dont une extrémité arrière porte des bagues collectrices appartenant à un collecteur. Des balais sont disposés de façon à frotter sur les bagues collectrices. Le porte-balais est relié à un régulateur de tension pour l’utilisation en mode alternateur.Such a machine conventionally comprises a shaft, secured to the rotor, one rear end of which carries slip rings belonging to a commutator. Brushes are arranged to rub on the slip rings. The brush holder is connected to a voltage regulator for use in alternator mode.

Le stator comporte un corps constitué par un empilage de tôles minces formant une couronne, dont la face intérieure est pourvue d'encoches ouvertes vers l'intérieur pour recevoir un bobinage comprenant des enroulements de phases connectées ensemble, par exemple, en étoile ou en triangle. Ces enroulements traversent les encoches du corps du stator et forment des chignons faisant saillie de part et d'autre du corps du stator. Les enroulements de phases sont obtenus par exemple à partir d'un fil continu recouvert d'émail ou à partir d'éléments conducteurs en forme d'épingles reliées entre elles par soudage. Le bobinage est relié électriquement à un ensemble électronique par une entrée et une sortie. Contrairement aux machines électriques à courant continu, les enroulements sont ouverts.The stator comprises a body consisting of a stack of thin laminations forming a crown, the inner face of which is provided with slots open inwards to receive a winding comprising phase windings connected together, for example, in a star or in a triangle . These windings pass through the notches of the body of the stator and form buns projecting on either side of the body of the stator. The phase windings are obtained for example from a continuous wire covered with enamel or from conductive elements in the form of pins connected together by welding. The winding is electrically connected to an electronic assembly by an input and an output. Unlike DC electrical machines, the windings are open.

L’ensemble électronique comporte des modules électroniques de puissance permettant de piloter l’alimentation des phases du bobinage. La commutation est ici électronique et nécessite des onduleurs à semi-conducteur. Par exemple, dans le cas d’une traction électrique par une machine synchrone triphasée, les phases du bobinage sont classiquement alimentées par un onduleur électronique comportant 6 étages de transistors de puissance de type MOSFET dont la commande nécessite les données de position du rotor obtenues au moyen de différents capteurs de position. Dans le cas d’une alimentation en double-triphasé, 6 bras d’onduleurs avec chacun de MOFSET sont nécessaires, deux fois plus qu’en cas d’alimentation en triphasé. Les capteurs de position peuvent être à effet Hall dans le cas d’une machine synchrone à aimants permanents à courant continu (« BLDC » en anglais) dont l’alimentation est à créneaux. Les capteurs de position peuvent aussi être de type résolveur, plus onéreux que les capteurs à effet Hall, dans le cas d’une machine synchrone à aimants permanents à courant alternatif (« BLAC » en anglais) dont l’alimentation est sinusoïdale.The electronic assembly includes power electronic modules for controlling the power supply to the winding phases. The switching here is electronic and requires semiconductor inverters. For example, in the case of electric traction by a three-phase synchronous machine, the phases of the winding are conventionally supplied by an electronic inverter comprising 6 stages of MOSFET type power transistors, the control of which requires the rotor position data obtained at the using different position sensors. In the case of a double-three-phase power supply, 6 inverter arms each with MOFSETs are required, twice as much as in the case of a three-phase power supply. The position sensors can be Hall effect in the case of a direct current permanent magnet synchronous machine (“BLDC” in English) whose power supply is slotted. Position sensors can also be of the resolver type, more expensive than Hall effect sensors, in the case of a synchronous machine with alternating current permanent magnets (“BLAC” in English) whose power supply is sinusoidal.

Cet ensemble électronique est onéreux. La fiabilité des composants à semi-conducteur en environnement sévère en température ou en vibrations n’est pas optimale du fait de la fragilité de ces composants. Ces composants sont aussi dépendants de matière comme le silicium dont l’approvisionnement peut ou pourra s’avérer sensible.This electronic assembly is expensive. The reliability of semiconductor components in a severe temperature or vibration environment is not optimal due to the fragility of these components. These components are also dependent on materials such as silicon, the supply of which may or may prove to be sensitive.

Il existe donc un besoin pour alimenter les machines électriques à système de courant polyphasé de manière moins onéreuse et/ou moins dépendante en électronique de puissance, voire totalement indépendante en électronique de puissance.There is therefore a need to supply electrical machines with a polyphase current system in a less costly and/or less dependent way in terms of power electronics, or even completely independently in terms of power electronics.

L’invention vise à remédier efficacement à cet inconvénient en proposant un commutateur mécanique pour machine électrique apte à alimenter par un système de courant polyphasé comprenant q phases, avec q entier positif strictement supérieur à 1, un rotor de machine électrique tournante présentant 2*p pôles magnétiquesapparents et un rapport de réduction magnétique G, comprenant :

  • un collecteur mobile en rotation autour d’un axe de la machine électrique, de motif élémentaire égal à 2*π/(G*p*q),
  • au moins une paire de balais d’extension radiale, un balai positif et un balai négatif, aptes à frotter sur le collecteur, fixes en rotation, définis chacun sur un secteur angulaire, aptes à être reliés à une même source de tension, notamment une batterie de véhicule,
The invention aims to effectively remedy this drawback by proposing a mechanical switch for an electric machine capable of supplying by a polyphase current system comprising q phases, with q positive integer strictly greater than 1, a rotor of a rotating electric machine having 2*p apparent magnetic poles and a magnetic reduction ratio G , comprising:
  • a commutator mobile in rotation around an axis of the electrical machine, with an elementary pattern equal to 2*π/(G*p*q),
  • at least one pair of brushes with radial extension, a positive brush and a negative brush, capable of rubbing on the commutator, fixed in rotation, each defined on an angular sector, capable of being connected to the same voltage source, in particular a vehicle battery,

Le commutateur mécanique est caractérisé en ce que le collecteur mécanique comprend G*p*q, avec G entier, avec notamment G=5 ou G=11, lames conductrices se succédant circonférentiellement, chaque lame étant définie sur un secteur angulaire, les lames adjacentes étant isolées les unes des autres, les lames étant reparties en q groupes, toutes les lames d’un même groupe étant connectées électriquement ensemble, les q groupes étant alternés circonférentiellement.The mechanical switch is characterized in that the mechanical commutator comprises G*p*q, with integer G, with in particular G=5 or G=11, conductive blades succeeding each other circumferentially, each blade being defined on an angular sector, the adjacent blades being insulated from each other, the blades being divided into q groups, all the blades of the same group being electrically connected together, the q groups being alternated circumferentially.

Le commutateur mécanique est également caractérisé en ce que les balais d’une même paire sont circonférentiellement décalés l’un de l’autre de [(2k+1)*2*π]/(2*G*p)], k étant un entier naturel.The mechanical commutator is also characterized in that the brushes of the same pair are circumferentially offset from each other by [(2k+1)*2*π]/(2*G*p)], k being a natural number.

Une telle alimentation est ainsi plus durable et moins onéreuse. La performance est aussi sensiblement supérieure à celle d’une machine électrique à courant continu.Such a power supply is thus more sustainable and less expensive. The performance is also significantly higher than that of a direct current electric machine.

Un tel commutateur permet l’alimentation de machines électriques par un système de courant polyphasé sans convertisseur électronique de sorte que le nombre de composants d’électronique de puissance et le coût associé est très fortement diminué, voire annulé. Une telle alimentation autopilotée permet également de se passer de capteur de position du rotor.Such a switch allows electrical machines to be supplied by a polyphase current system without an electronic converter, so that the number of power electronic components and the associated cost is greatly reduced, or even eliminated. Such an autopilot power supply also makes it possible to dispense with a rotor position sensor.

Selon un aspect de l’invention, le décalage angulaire entre les balais se fait de centre à centre, c'est-à-dire entre les plans médians de chaque balai. Un balai peut avoir une forme sensiblement parallélépipédique. Selon un aspect de l’invention, les balais peuvent toujours être en contact d’une lame. Un balai peut comporter une surface radialement intérieure cylindrique en contact avec le collecteur, notamment avec les lames.According to one aspect of the invention, the angular offset between the brushes is from center to center, that is to say between the median planes of each brush. A broom can have a substantially parallelepipedal shape. According to one aspect of the invention, the brushes can always be in contact with a blade. A brush may comprise a radially inner cylindrical surface in contact with the commutator, in particular with the blades.

Selon un aspect de l’invention, le nombre de paires de balais est compris entre 1 et G*p. Par exemple, le nombre de paires de balais peut être égal à un ou à deux pour une machine à deux paires de pôles apparents avec un rapport de réduction magnétique G égal à 1. Toutes les paires de balais frottent sur les mêmes lames. Selon l’invention, le nombre de balais est donc pair.According to one aspect of the invention, the number of pairs of brushes is between 1 and G*p. For example, the number of pairs of brushes can be equal to one or two for a machine with two pairs of apparent poles with a magnetic reduction ratio G equal to 1. All the pairs of brushes rub on the same blades. According to the invention, the number of brushes is therefore even.

Selon un aspect de l’invention, le collecteur présente G*p*q passages d’un type de lame à un autre. Le type d’une lame est défini par son appartenance à un des groupes de lames.According to one aspect of the invention, the collector has G*p*q passages from one type of blade to another. The type of a slide is defined by its membership in one of the slide groups.

Selon un aspect de l’invention, le collecteur présente G fois la même séquence de lames.According to one aspect of the invention, the collector has G times the same sequence of blades.

Selon un aspect de l’invention, les lames présentent toutes le même secteur angulaire et/ou la dimension axiale. En particulier, toutes les lames sont identiques. Les lames peuvent ne pas être décalées axialement. Les lames peuvent être en cuivre. Les lames peuvent avoir une épaisseur radiale comprise entre 1mm et 3mm, par exemple 2mm. Cette épaisseur permet de réduire la densité volumique de courant dans les lames. Les lames peuvent avoir une dimension axiale comprise entre 8mm et 12mm, par exemple 10mm. Selon l’invention, le collecteur possède un seul arrangement circonférentiel de lames conductrices autour de l’axe.According to one aspect of the invention, the blades all have the same angular sector and/or the axial dimension. In particular, all the blades are identical. The blades may not be offset axially. The blades can be copper. The blades can have a radial thickness of between 1mm and 3mm, for example 2mm. This thickness makes it possible to reduce the current volume density in the blades. The blades can have an axial dimension between 8mm and 12mm, for example 10mm. According to the invention, the collector has a single circumferential arrangement of conductive blades around the axis.

Selon un aspect de l’invention, le collecteur comprend un squelette, de révolution autour de l’axe de la machine électrique, pour maintenir les lames en position. Le squelette peut être en matériau isolant électriquement, par exemple en plastique. Le squelette peut être en seul tenant. Le squelette peut comprendre des ouvertures radiales, en particulier G*p*q ouvertures recevant les lames. Le squelette peut être surmoulé sur les lames. Le squelette peut comprendre une ouverture centrale destinée à recevoir un arbre de rotor. Le collecteur peut comprendre un manchon disposé dans l’ouverture centrale du squelette et apte à être solidaire de l’arbre de rotor. Le manchon est fixe par rapport au squelette. Le manchon est plus rigide que le squelette de sorte à renforcer la liaison entre le collecteur et l’arbre de rotor.According to one aspect of the invention, the collector comprises a skeleton, of revolution around the axis of the electric machine, to hold the blades in position. The skeleton can be made of an electrically insulating material, for example plastic. The skeleton can be in one piece. The skeleton may comprise radial openings, in particular G*p*q openings receiving the blades. The skeleton can be overmolded on the blades. The skeleton may include a central opening for receiving a rotor shaft. The collector may comprise a sleeve disposed in the central opening of the skeleton and adapted to be integral with the rotor shaft. The sleeve is fixed relative to the skeleton. The sleeve is more rigid than the skeleton so as to reinforce the connection between the commutator and the rotor shaft.

Selon un aspect de l’invention, q peut être égal à 3. Le commutateur est ainsi apte à alimenter une machine électrique selon un système de courant triphasé.According to one aspect of the invention, q can be equal to 3. The switch is thus able to supply an electrical machine according to a three-phase current system.

Selon un aspect de l’invention, la zone de frottement entre les balais et les lames peut être à une distance radiale par rapport à l’axe comprise entre 20 mm et 45 mm, notamment 25 mm, notamment 35 mm.According to one aspect of the invention, the friction zone between the brushes and the blades can be at a radial distance relative to the axis of between 20 mm and 45 mm, in particular 25 mm, in particular 35 mm.

Selon un aspect de l’invention, un secteur angulaire sur lequel est définie une pièce donnée est le plus petit secteur qui comprend la pièce donnée dans un plan perpendiculaire à l’axe de la machine.According to one aspect of the invention, an angular sector on which a given part is defined is the smallest sector which includes the given part in a plane perpendicular to the axis of the machine.

Selon un autre aspect de l’invention, les lames d’un même groupe peuvent toutes être connectées électriquement à une bague disposée radialement à l’intérieur des lames.According to another aspect of the invention, the blades of the same group can all be electrically connected to a ring arranged radially inside the blades.

Une telle bague permet de mutualiser les connexions électriques entre les lames d’un même groupe ce qui simplifie la fabrication du commutateur. Au sens de la demande, les balais ne frottent pas sur les bagues mais bien sur les lames.Such a ring makes it possible to pool the electrical connections between the blades of the same group, which simplifies the manufacture of the switch. Within the meaning of the application, the brushes do not rub on the rings but on the blades.

Selon un autre aspect de l’invention, un pont peut être prévu entre chaque lame et la bague associée. Les ponts s’étendent radialement depuis la bague, notamment sans décalage axial depuis la bague. Les ponts et la bague associée sont dans un espace intérieur du squelette tandis que les lames affleurent vers l’extérieur pour venir en contact électrique avec les balais. Les lames d’un même groupe, les ponts et la bague forment un anneau d’un seul tenant. La bague et l’anneau associés aux lames du groupe q sont dits de type q.According to another aspect of the invention, a bridge can be provided between each blade and the associated ring. The bridges extend radially from the ring, notably without axial offset from the ring. The bridges and the associated ring are in an interior space of the skeleton while the blades are flush towards the outside to come into electrical contact with the brushes. The blades of the same group, the bridges and the ring form a ring in one piece. The ring and the annulus associated with the blades of group q are said to be of type q.

Selon un autre aspect de l’invention, le collecteur comprend q bras de liaison, chacun étant solidaire d’une bague, notamment par soudure. Chaque bras possède une extrémité libre apte à être connectée à une phase, ou à plusieurs phases, de bobinage du rotor pour l’alimenter ou les alimenter. Chaque bras de liaison débouche, notamment radialement, du squelette du collecteur au travers d’un trou radial ménagé dans le squelette.According to another aspect of the invention, the collector comprises q connecting arms, each being secured to a ring, in particular by welding. Each arm has a free end suitable for being connected to one phase, or to several phases, of the winding of the rotor to supply it or supply them. Each connecting arm emerges, in particular radially, from the skeleton of the manifold through a radial hole formed in the skeleton.

Selon un aspect de l’invention, les bagues de chaque groupe peuvent se succéder axialement.According to one aspect of the invention, the rings of each group can follow one another axially.

Cette juxtaposition axiale favorise la compacité du collecteur.This axial juxtaposition favors the compactness of the collector.

Selon un aspect de l’invention, les ponts d’un même type q sont décalés des ponts des autres types. Les bagues peuvent être axialement réparties sur une longueur axiale de lame.According to one aspect of the invention, the bridges of the same type q are offset from the bridges of the other types. The rings can be axially distributed over an axial length of blade.

Les ponts peuvent être connectés à une zone centrale des lames ou à une extrémité de celles-ci. En particulier, lorsque q = 3 (c'est-à-dire lorsque le système de courant est triphasé) le collecteur comprend trois bagues, une centrale et deux d’extrémités entourant la bague centrale. Les ponts associés à la bague centrale sont connectés axialement au centre des lames et les ponts associés aux bagues d’extrémités sont connectés sur des coins des lames.The bridges can be connected to a central area of the blades or to one end thereof. In particular, when q = 3 (i.e. when the current system is three-phase) the collector comprises three rings, one central and two at the ends surrounding the central ring. The bridges associated with the central ring are connected axially to the center of the blades and the bridges associated with the end rings are connected on the corners of the blades.

En variante, les bagues peuvent être concentriques.Alternatively, the rings can be concentric.

Selon un aspect de l’invention, chaque lame peut être séparée des deux lames adjacentes par une inter-lame.According to one aspect of the invention, each blade can be separated from the two adjacent blades by an inter-blade.

L’inter-lame est définie pour empêcher le contact circonférentiel entre deux lames successives.The inter-blade is defined to prevent circumferential contact between two successive blades.

Selon un aspect de l’invention, les inter-lames peuvent toutes présenter la même ouverture angulaire.According to one aspect of the invention, the inter-blades can all have the same angular opening.

L’ouverture angulaire de chaque lame peut ainsi être égale, en radians, à [2*π- G*q*p*(ouverture d’une inter-lame)]/(G*p*q).The angular opening of each blade can thus be equal, in radians, to [2*π- G*q*p*(opening of an inter-blade)]/(G*p*q).

Selon un aspect de l’invention, l’ouverture angulaire d’une inter-lame est inférieure à l’ouverture angulaire d’une des lames. En variante, l’ouverture angulaire d’une inter-lame peut être supérieure à l’ouverture angulaire d’une des lames.According to one aspect of the invention, the angular opening of an inter-blade is smaller than the angular opening of one of the blades. As a variant, the angular opening of an inter-blade can be greater than the angular opening of one of the blades.

Selon un aspect de l’invention, la dimension minimale dans la direction circonférentielle entre deux lames successives, c'est-à-dire la dimension circonférentielle des inter-lames, est choisie pour éviter le claquage diélectrique. La dimension minimale peut être comprise entre 1,6 mm et 2,4 mm lorsque le commutateur est alimenté sous 48V.According to one aspect of the invention, the minimum dimension in the circumferential direction between two successive blades, that is to say the circumferential dimension of the inter-blades, is chosen to avoid dielectric breakdown. The minimum dimension can be between 1.6mm and 2.4mm when the switch is powered at 48V.

Cette dimension des inter-lames permet d’éviter les arcs électriques entre les lames adjacentes tout en laissant un espace suffisant aux lames ce qui simplifie la fabrication du squelette. Cette dimension d’inter-lames peut également permettre la continuité du frottement entre les balais et les lames.This dimension of the inter-blades makes it possible to avoid electric arcs between adjacent blades while leaving sufficient space for the blades, which simplifies the manufacture of the skeleton. This dimension of inter-blades can also allow the continuity of the friction between the brushes and the blades.

La dimension radiale minimale du collecteur est imposée par le nombre de lames et par la dimension minimale des inter-lames à respecter.The minimum radial dimension of the collector is imposed by the number of blades and by the minimum dimension of the inter-blades to be respected.

L’ouverture angulaire d’une des inter-lames se déduit de la distance radiale de la zone de frottement et de la dimension circonférentielle de cette inter-lame.The angular opening of one of the inter-blades is deduced from the radial distance of the friction zone and the circumferential dimension of this inter-blade.

L’ouverture angulaire des lames peut être identique à l’ouverture angulaire des inter-lames. Chaque lame et chaque inter-lame s’étendent chacune sur 2*π/(2* G*p*q).The angular opening of the blades can be identical to the angular opening of the inter-blades. Each leaf and each inter-blade each extend over 2*π/(2* G*p*q).

Selon un aspect de l’invention, l’inter-lame peut être isolante. L’inter-lame peut être un espace vide entre deux lames successives. L’inter-lame peut comprendre une protubérance non conductrice, notamment formée par le squelette.According to one aspect of the invention, the inter-blade can be insulating. The inter-blade can be an empty space between two successive blades. The inter-blade may comprise a non-conductive protrusion, in particular formed by the skeleton.

Selon un aspect de l’invention, une des inter-lames, notamment chaque inter-lame, peut comprendre une lame isolée. La lame isolée n’est connectée électriquement à aucune autre lame. La lame est dite isolée en opposition aux lames conductrices, connectées électriquement qui forment les q groupes. En variante, les inter-lames peuvent être connectées ensemble formant un groupe de lames isolées en mêmes conditions de potentiel électrique.According to one aspect of the invention, one of the inter-blades, in particular each inter-blade, can comprise an isolated blade. The insulated blade is not electrically connected to any other blade. The blade is said to be insulated in opposition to the conducting blades, electrically connected which form the q groups. As a variant, the inter-blades can be connected together forming a group of insulated blades under the same conditions of electric potential.

Selon un aspect de l’invention, les lames isolées peuvent être fixées sur une bague d’inter-lames. La bague d’inter-lames peut être disposée dans l’espace intérieur du squelette. La bague d’inter-lames peut être radialement à l’extérieur des bagues de type q. Les lames isolées comportent un pied inséré dans une ouverture de la bague d’inter-lames pour la fixation de la lame isolée. La bague d’inter-lames peut comprendre des fenêtres pour le passage des ponts entre les lames d’un des q groupes et la bague associée.According to one aspect of the invention, the isolated blades can be fixed on an inter-blade ring. The inter-blade ring can be arranged in the interior space of the skeleton. The inter-blade ring can be radially outside the q-type rings. Insulated slats have a foot inserted into an opening in the inter-slat ring for fixing the insulated slat. The inter-blade ring can include windows for the passage of the bridges between the blades of one of the q groups and the associated ring.

La lame isolée est séparée des lames conductrices par des interstices. Les interstices peuvent mesurer entre 1mm et 5mm dans la direction circonférentielle. Les lames isolées sont reçues dans des ouvertures radiales. Le collecteur peut alors comprendre 2*G*p*q lames, les lames conductrices étant en alternance avec les lames isolées. Les lames isolées sont à potentiel flottant.The insulated blade is separated from the conductive blades by interstices. The gaps can measure between 1mm and 5mm in the circumferential direction. The insulated blades are received in radial openings. The collector can then comprise 2*G*p*q blades, the conductive blades being alternated with the insulated blades. The insulated blades are at floating potential.

Selon un aspect de l’invention, l’ouverture angulaire des lames isolées peut être comprise entre 20 et 50%, notamment entre 40% et 50% de l’ouverture angulaire des lames conductrices.According to one aspect of the invention, the angular opening of the insulated blades can be between 20 and 50%, in particular between 40% and 50% of the angular opening of the conductive blades.

Les lames isolées permettent de garantir une uniformité de contact entre le collecteur et les balais. En effet les balais frottent quasiment en continu sur des lames, isolées ou conductrices.The insulated blades ensure uniform contact between the commutator and the brushes. Indeed the brushes rub almost continuously on the blades, insulated or conductive.

Selon un aspect de l’invention, l’ouverture angulaire de chaque balai est supérieure à l’ouverture angulaire des inter-lames. Ainsi, chaque balai est toujours en contact avec au moins une lame. Chaque balai peut être en contact simultanée avec au plus deux groupes de lames différents.According to one aspect of the invention, the angular opening of each brush is greater than the angular opening of the inter-blades. Thus, each brush is always in contact with at least one blade. Each brush can be in simultaneous contact with at most two different groups of blades.

Selon un aspect de l’invention, le taux de recouvrement peut être le rapport entre la différence entre l’ouverture angulaire d’un balai et l’ouverture angulaire d’une inter-lame divisée par le motif élémentaire du collecteur.According to one aspect of the invention, the overlap rate may be the ratio between the difference between the angular opening of a brush and the angular opening of an inter-blade divided by the elementary pattern of the commutator.

Selon un aspect de l’invention, le taux de recouvrement peut être compris entre compris entre 10% et 55%. Ce taux deAccording to one aspect of the invention, the recovery rate can be between between 10% and 55%. This rate of

Selon un aspect de l’invention, la somme de l’ouverture angulaire d’un balai et de l’ouverture angulaire d’une lame peut être supérieure ou égale à 120 degrés électriques et inférieur strictement à 180 degrés électriques.According to one aspect of the invention, the sum of the angular opening of a brush and the angular opening of a blade can be greater than or equal to 120 electrical degrees and strictly less than 180 electrical degrees.

Au sens de la demande, le rapport entre un degré électrique et un degré géométrique est égal à G*p.Within the meaning of the application, the ratio between an electrical degree and a geometric degree is equal to G*p.

Au sens de la demande, le recouvrement est la période durant laquelle un balai donné est en contact avec deux lames de groupes différents. Durant ce recouvrement, le balai peut ainsi alimenter deux groupes distincts de lames simultanément. L’alimentation simultanée de deux groupes de lames pour un même balai influe sur la forme de système polyphasé de courant. La forme d’onde de chaque phase est modifiée. Le recouvrement permet d’alimenter le rotor selon un système polyphasé de courant, par exemple créneaux, par exemple quasi-sinusoïdale tout en maintenant le courant de la source de tension à une valeur moyenne non nulle, de même signe de courant au cours du temps.Within the meaning of the application, the overlap is the period during which a given brush is in contact with two blades of different groups. During this covering, the brush can thus supply two separate groups of blades simultaneously. The simultaneous supply of two groups of blades for the same brush influences the form of the polyphase current system. The waveform of each phase is changed. The covering makes it possible to supply the rotor according to a polyphase current system, for example slotted, for example quasi-sinusoidal while maintaining the current of the voltage source at a non-zero average value, of the same current sign over time .

Selon un aspect de la demande, à collecteur fixé (ouverture angulaire des lames et des inter-lames fixes), l’ouverture des balais peut être choisie pour obtenir différents forme de système de courant. Pour un collecteur donné, il peut donc y avoir plusieurs systèmes de courant.According to one aspect of the application, with a fixed commutator (angular opening of the blades and fixed inter-blades), the opening of the brushes can be chosen to obtain different forms of current system. For a given collector, there can therefore be several current systems.

L’invention à également pour objet une machine électrique qui comprend :

  • un commutateur mécanique tel que décrit précédemment,
  • un stator fixe en rotation, le stator formant l’inducteur de la machine,
  • un rotor mobile en rotation autour de l’axe de la machine électrique, le rotor formant avec le collecteur un induit de la machine, le rotor comprenant :
    1. un arbre de rotor, et
    2. un corps de rotor comprenant :
      1. un paquet de tôles comprenant des tôles empilées axialement, le paquet de tôles comprenant Nr dents rotoriques, le paquet de tôles ayant une pluralité d’encoches d’extension axiale,
      2. au moins un bobinage, le bobinage étant reparti en q phases (a, b, c) alimentées par le commutateur, les phases comprenant des sections de bobinage logés dans les encoches, les sections de chaque phase se succédant circonférentiellement, chaque phase présentant deux extrémités (32).
The invention also relates to an electric machine which comprises:
  • a mechanical switch as described previously,
  • a stator fixed in rotation, the stator forming the inductor of the machine,
  • a rotor mobile in rotation around the axis of the electric machine, the rotor forming with the commutator an armature of the machine, the rotor comprising:
    1. a rotor shaft, and
    2. a rotor body comprising:
      1. a lamination package comprising axially stacked laminations, the lamination package including Nr rotor teeth, the lamination package having a plurality of axially extending slots,
      2. at least one winding, the winding being divided into q phases (a, b, c) supplied by the switch, the phases comprising winding sections housed in the notches, the sections of each phase succeeding each other circumferentially, each phase having two ends (32).

Une telle machine est particulièrement remarquable en ce que le rotor est alimenté selon un système de courants polyphasé au moyen d’un commutateur mécanique alimenté en courant continu. Le rotor obtient sa tension et son courant d’une source de tension, par exemple la batterie d’accumulateurs, donc en continu et pas en alternatif.Such a machine is particularly remarkable in that the rotor is supplied according to a system of polyphase currents by means of a mechanical switch supplied with direct current. The rotor obtains its voltage and its current from a voltage source, for example the accumulator battery, therefore in DC and not in AC.

Une telle machine électrique polyphasée est économe car elle évite un ensemble électronique coûteux pour l’alimentation en courant alternatif des multiples phases de la machine à partir d’un courant continu.Such a polyphase electric machine is economical because it avoids a costly electronic assembly for the alternating current supply of the multiple phases of the machine from a direct current.

Les balais sont également alimentés en courant continu, ils sont reliés à la même source de tension. Ils ne sont pas reliés aux phases du rotor, ce sont les groupes de lames qui sont connectées aux q phases du rotor.The brushes are also supplied with direct current, they are connected to the same voltage source. They are not connected to the phases of the rotor, it is the groups of blades which are connected to the q phases of the rotor.

Selon un aspect de l’invention, la machine peut présenter un nombre de paires de pôles apparents compris entre 1 et 12. En particulier la machine peut être à 6 paires de pôles magnétiques apparents.According to one aspect of the invention, the machine may have a number of pairs of apparent poles comprised between 1 and 12. In particular, the machine may have 6 pairs of apparent magnetic poles.

Selon un aspect de l’invention, le bobinage peut être réparti ou a pas fractionnaire.According to one aspect of the invention, the winding can be distributed or with fractional pitch.

Selon un aspect de l’invention, chaque phase peut présenter un unique conducteur formant les différentes sections de bobinage. Chaque phase peut présenter plusieurs conducteurs assemblés ensemble à l’extérieur des encoches. Ces conducteurs peuvent être des épingles, par exemple en forme de U, par exemple en forme de I. Ces épingles peuvent être insérées axialement puis reliées ensemble. Les épingles permettent d’obtenir de meilleurs performances, notamment en terme de couple moteur.According to one aspect of the invention, each phase may have a single conductor forming the different winding sections. Each phase can have several conductors assembled together outside the slots. These conductors can be pins, for example U-shaped, for example I-shaped. These pins can be inserted axially and then connected together. Pins provide better performance, especially in terms of engine torque.

Selon un aspect de l’invention, Nr peut être compris entre 2 et 50, de préférence compris entre 16 et 24 et par exemple égal à 20. Le nombre d’encoches peut être égal à Nr, chaque encoche étant alors disposée entre deux dents rotoriques successives.According to one aspect of the invention, Nr can be between 2 and 50, preferably between 16 and 24 and for example equal to 20. The number of notches can be equal to Nr, each notch then being placed between two teeth successive rotors.

Selon un aspect de l’invention, les dents rotoriques peuvent présenter une forme bombée.According to one aspect of the invention, the rotor teeth may have a domed shape.

Selon une première variante, le stator comprend Ns dents statoriques. La machine présente 2*p pôles magnétiques apparents avec 2*p = Nr-Ns et un rapport de réduction magnétique G = Ns/2p.According to a first variant, the stator comprises Ns stator teeth. The machine has 2*p apparent magnetic poles with 2*p=Nr-Ns and a magnetic reduction ratio G=Ns/2p.

Selon cette variante, le stator n’est pas alimenté par une source de tension et/ou de courant. Le stator n’est pas en liaison filaire avec une source de tension ou de courant. Le stator est à reluctance pure. Le stator ne comprend pas d’aimants permanents. Cette machine électrique est économe en matière première couteuse et le procédé de fabrication est extrêmement simplifié.According to this variant, the stator is not powered by a voltage and/or current source. The stator is not wired to a voltage or current source. The stator is pure reluctance. The stator does not include permanent magnets. This electric machine saves expensive raw materials and the manufacturing process is extremely simplified.

Selon un aspect de l’invention, le stator peut être formé par un paquet de tôles. Le stator peut comprendre des renfoncements entre chaque dents statoriques successives. Ces renfoncements peuvent présenter une forme arrondie.According to one aspect of the invention, the stator can be formed by a stack of laminations. The stator may include recesses between each successive stator teeth. These recesses may have a rounded shape.

Selon un aspect de l’invention, Ns peut être compris entre 2 et 50, de préférence compris entre 10 et 30 et par exemple égal à 24.According to one aspect of the invention, Ns can be between 2 and 50, preferably between 10 and 30 and for example equal to 24.

Selon un aspect de l’invention, G peut être compris entre 1 et 20, de préférence compris entre 3 et 15, par exemple 5, par exemple 11.According to one aspect of the invention, G can be between 1 and 20, preferably between 3 and 15, for example 5, for example 11.

Selon une deuxième variante, le stator comprend Na paires de pôles magnétiques. La machine électrique présente 2*p pôles magnétiques apparents avec p = Nr-Na et G = Na/p. Selon cette variante, le nombre de pôles magnétiques au stator n’est pas le nombre de pôles magnétiques apparents de la machine électrique.According to a second variant, the stator comprises Na pairs of magnetic poles. The electrical machine has 2*p apparent magnetic poles with p = Nr-Na and G = Na/p. According to this variant, the number of magnetic poles at the stator is not the number of apparent magnetic poles of the electric machine.

Selon un aspect de l’invention, Na peut être compris entre 1 et 50, de préférence compris entre 5 et 30 et par exemple égal à 22.According to one aspect of the invention, Na can be between 1 and 50, preferably between 5 and 30 and for example equal to 22.

Selon un aspect de l’invention, le stator peut comprendre une culasse équipée d’un ou de plusieurs d’aimants réparties circonférentiellement. Les aimants peuvent être des aimants permanents, notamment ferrite, notamment aux terres rares. Dans ce cas, une excitation du stator n’est pas nécessaire. Le stator peut comprendre un ou plusieurs aimants à aimantation Halbach. En variante, les aimants peuvent être des électro-aimants.According to one aspect of the invention, the stator may comprise a yoke equipped with one or more magnets distributed circumferentially. The magnets can be permanent magnets, in particular ferrite, in particular with rare earths. In this case, stator excitation is not necessary. The stator may include one or more Halbach magnetization magnets. Alternatively, the magnets can be electromagnets.

Ces structures de machines électrique, dites Vernier, notamment à grand nombre dents, procurent une très grande densité de couple, simultanément avec un effet de multiplication de vitesse, partant de la vitesse mécanique du rotor, allant vers la vitesse d’une onde de perméance.These structures of electric machines, called Vernier, in particular with a large number of teeth, provide a very high torque density, simultaneously with a speed multiplication effect, starting from the mechanical speed of the rotor, going towards the speed of a permeance wave. .

Ces structures permettent d’obtenir un effet de réduction magnéto-mécanique où l’onde de perméance, utile à la conversion électromécanique de l’énergie, tourne G fois plus vite que le rotor. Le rapport de réduction magnétique G s’exprime de façon simple en fonction du nombre de dents et de pôles au stator.These structures make it possible to obtain a magneto-mechanical reduction effect where the permeance wave, useful for the electromechanical conversion of energy, rotates G times faster than the rotor. The magnetic reduction ratio G is expressed simply as a function of the number of teeth and poles in the stator.

Le commutateur mécanique va paradoxalement assurer un autopilotage entre la vitesse mécanique et l’alimentation en courant, c'est-à-dire à une vitesse identique à celle de l’onde de perméance, soit G x la vitesse mécanique du rotor et des lames.The mechanical switch will paradoxically provide autopilot between the mechanical speed and the power supply, i.e. at a speed identical to that of the permeance wave, i.e. G x the mechanical speed of the rotor and the blades .

Selon un autre aspect de l’invention, les phases du bobinage peuvent être reliées aux lames du collecteur, en particulier aux bagues du collecteur, par l’intermédiaire des bras de liaison.According to another aspect of the invention, the phases of the winding can be connected to the blades of the commutator, in particular to the rings of the commutator, via the connection arms.

Selon un autre aspect de l’invention, la machine électrique peut également comprendre un ensemble porte-balais fixe en rotation dans lequel sont logés les balais du commutateur. Le porte-balais peut entourer le collecteur.According to another aspect of the invention, the electric machine can also comprise a fixed rotating brush-holder assembly in which the commutator brushes are housed. The brush holder can surround the commutator.

La machine électrique peut comprendre un carter fixe en rotation. Le carter peut entourer l’ensemble du stator, du rotor et du commutateur. Le carter peut être en deux parties, une avant et une arrière. Le porte-balais peut être fixé sur la partie arrière du carter. Le stator peut être fixé sur la partie avant du carter.The electric machine may comprise a casing that is fixed in rotation. The housing can surround the entire stator, rotor and commutator. The housing can be in two parts, a front and a rear. The brush holder can be fixed on the rear part of the casing. The stator can be fixed on the front part of the casing.

Selon un autre aspect de l’invention, le collecteur peut être fixé en rotation sur l’arbre de rotor, notamment le manchon du collecteur peut être emmanché à force. En variante, le collecteur peut être monté sur l’arbre de rotor de manière réversible. Des organes de roulement peuvent être disposés entre l’arbre de rotor et le carter pour supporter le rotor.According to another aspect of the invention, the collector can be fixed in rotation on the rotor shaft, in particular the sleeve of the collector can be press-fitted. Alternatively, the commutator can be mounted on the rotor shaft in a reversible manner. Running gear may be disposed between the rotor shaft and the housing to support the rotor.

Selon un premier mode de bobinage, chacun des q groupes de lames est connecté électriquement à une des deux extrémités d’une des q phases du rotor, les autres extrémités des q phases sont connectées électriquement ensemble de sorte à former un bobinage en étoile.According to a first winding mode, each of the q groups of blades is electrically connected to one of the two ends of one of the q phases of the rotor, the other ends of the q phases are electrically connected together so as to form a star winding.

Dans un exemple particulier de ce premier mode de bobinage, q est égal à trois, le commutateur alimente donc le rotor selon un système de courant triphasé. Une extrémité de chacune des trois phases de bobinage peut être fixée, notamment par soudure sur une extrémité de l’un des trois bras de liaison.In a particular example of this first winding mode, q is equal to three, the commutator therefore supplies the rotor according to a three-phase current system. One end of each of the three winding phases can be fixed, in particular by welding to one end of one of the three connecting arms.

Selon un autre aspect de l’invention, une seule des deux extrémités de chaque phase peut être connectée à un bras de liaison. Chaque groupe de lames peut alimenter une seule et unique phase des q, notamment trois, phases du rotor. Chaque groupe de lames, notamment chaque anneau du collecteur, alimente une phase distincte.According to another aspect of the invention, only one of the two ends of each phase can be connected to a connecting arm. Each group of blades can supply a single and unique phase of the q, in particular three, phases of the rotor. Each group of blades, in particular each collector ring, supplies a separate phase.

Selon un aspect de l’invention, le collecteur peut également comprendre un connecteur apte à relier électriquement ensemble les extrémités des phases du bobinage. Le connecteur peut être disposé circonférentiellement à côté des extrémités libres des bras de liaison. Le connecteur peut déboucher radialement du squelette. Le connecteur comprend q extrémités, notamment trois, pour chacune recevoir chacune des extrémités de phase.According to one aspect of the invention, the collector can also comprise a connector capable of electrically connecting together the ends of the phases of the winding. The connector can be arranged circumferentially next to the free ends of the link arms. The connector can emerge radially from the skeleton. The connector comprises q ends, in particular three, for each receiving each of the phase ends.

Selon un deuxième mode de bobinage, chacun des q groupes de lames est connecté électriquement à deux extrémités de deux phases distinctes des q phases du rotor de sorte à former un bobinage en polygone.According to a second winding mode, each of the q groups of blades is electrically connected to two ends of two distinct phases of the q phases of the rotor so as to form a polygon winding.

Dans un exemple particulier de ce deuxième mode de bobinage, q = 3, le commutateur alimente donc le rotor selon un système de courant triphasé. Le bobinage est donc en triangle. Une extrémité de chacune de trois phases de bobinage peut être fixée, notamment par soudure sur une extrémité de l’un des trois bras de liaison.In a particular example of this second winding mode, q=3, the commutator therefore supplies the rotor according to a three-phase current system. The winding is therefore in a triangle. One end of each of three winding phases can be fixed, in particular by welding to one end of one of the three connecting arms.

Selon un autre aspect de l’invention, chaque phase du rotor peut être connectée à deux groupes de lames distincts. Chaque phase du bobinage peut être connectée à deux bras de connexion. Chaque bras de connexion peut être connecté à deux phases du bobinage. Le potentiel peut être identique aux deux extrémités de chaque phase du bobinage.According to another aspect of the invention, each phase of the rotor can be connected to two distinct groups of blades. Each phase of the winding can be connected to two connection arms. Each connection arm can be connected to two phases of the winding. The potential can be identical at both ends of each phase of the winding.

Selon une configuration préférée de la machine électrique, le stator comprend Le stator peut comprendre un ou plusieurs aimants à aimantation Halbach et le bobinage est à pas fractionnaire.According to a preferred configuration of the electric machine, the stator comprises The stator may comprise one or more magnets with Halbach magnetization and the winding is of fractional pitch.

L’invention à également pour un système de traction pour engin de transport comprenant :

  • une machine électrique tel que décrite précédemment, et
  • un hacheur connecté électriquement aux balais du commutateur mécanique et apte à être connecté à la batterie du véhicule.
The invention also relates to a traction system for a transport vehicle comprising:
  • an electric machine as described previously, and
  • a chopper electrically connected to the brushes of the mechanical switch and adapted to be connected to the battery of the vehicle.

L’engin de transport peut être véhicule, notamment automobile. L’engin de transport peut être un véhicule autonome de livraison d’objets, notamment à roues, notamment à hélices, par exemple un engin de type « drone » ou « droïde ».The transport device can be a vehicle, in particular a car. The transport vehicle may be an autonomous vehicle for delivering objects, in particular with wheels, in particular with propellers, for example a vehicle of the “drone” or “droid” type.

Le hacheur permet le réglage de la tension et ainsi la fonction de variateur de puissance. Le hacheur n’est pas ici un onduleur qui permet la génération de signaux de courants sinusoïdaux. Un rhéostat peut être prévu à la place du hacheur qui permet d’extraire totalement de l’électronique de puissance pour l’alimentation de la machine électrique.The chopper allows the adjustment of the voltage and thus the function of power variator. The chopper here is not an inverter which allows the generation of sinusoidal current signals. A rheostat can be provided instead of the chopper which makes it possible to completely extract the power electronics for supplying the electrical machine.

Un tel système de traction permet de propulser à bas coût un véhicule automobile.Such a traction system makes it possible to propel a motor vehicle at low cost.

En variante, l’invention peut également porter sur un alternateur comprenant la machine électrique. L’invention peut également porter sur un système comprenant la machine électrique pouvant fonctionner en mode moteur et en mode alternateur.As a variant, the invention may also relate to an alternator comprising the electrical machine. The invention may also relate to a system comprising the electrical machine that can operate in motor mode and in alternator mode.

D’autres caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront encore au travers de la description qui suit d’une part, et de plusieurs exemples de réalisation donnés à titre indicatif et non limitatif en référence aux dessins schématiques annexés d’autre part, sur lesquels :Other characteristics and advantages of the invention will become apparent through the description which follows on the one hand, and several embodiments given by way of indication and not limiting with reference to the appended diagrammatic drawings on the other hand, on which :

et and

sont des vues schématiques, en coupe, d’une machine électrique selon l’invention, are schematic views, in section, of an electrical machine according to the invention,

et and

illustrent schématiquement l’alimentation électrique du bobinage de la machine selon un premier mode de bobinage étoilé, schematically illustrate the power supply of the winding of the machine according to a first star winding mode,

et and

illustrent un exemple de collecteur de commutateur selon l’invention pour alimenter le bobinage dans le premier mode. illustrate an example of commutator collector according to the invention for supplying the winding in the first mode.

et and

illustrent schématiquement l’alimentation électrique du bobinage de la machine selon un deuxième mode de bobinage triangle. schematically illustrate the power supply of the winding of the machine according to a second triangle winding mode.

, ,

, et , and

illustrent un exemple de collecteur de commutateur selon l’invention pour alimenter le bobinage dans le premier mode. illustrate an example of commutator collector according to the invention for supplying the winding in the first mode.

illustre un anneau isolé du collecteur de la figure 9. illustrates an isolated ring from the collector in Figure 9.

illustre schématiquement et partiellement une machine électrique selon la première variante schematically and partially illustrates an electric machine according to the first variant

illustre schématiquement et partiellement une machine électrique selon la deuxième variante schematically and partially illustrates an electric machine according to the second variant

On a représenté schématiquement sur la figure 1, en coupe, une machine électrique 1. La machine 1 est apte à équiper un système de traction pour engin de transport, notamment un véhicule automobile.There is shown schematically in Figure 1, in section, an electric machine 1. The machine 1 is suitable for equipping a traction system for transport equipment, in particular a motor vehicle.

Dans l’exemple considéré, la machine comprend un rotor 3 mobile en rotation autour de l’axe X de rotation de la machine et un stator 4 fixe en rotation comprenant 2*p pôles magnétiques apparents et présentant un rapport de réduction magnétique G. Le rotor forme l’induit et le stator forme l’inducteur de la machine. La machine présente un nombre de pôles apparents p qui peut être compris entre 1 et 12. En particulier la machine peut être à 6 paires de pôles magnétiques apparents.In the example considered, the machine comprises a rotor 3 mobile in rotation around the axis X of rotation of the machine and a stator 4 fixed in rotation comprising 2*p visible magnetic poles and having a magnetic reduction ratio G. The rotor forms the armature and the stator forms the inductor of the machine. The machine has a number of visible poles p which can be between 1 and 12. In particular, the machine can have 6 pairs of visible magnetic poles.

La machine 1 comprend également un carter 5 fixe en rotation, ici en deux parties, une avant 5a et une arrière 5b. Le carter entour l’ensemble du stator et du rotor Le carter peut être en deux parties, Le stator 4 est fixé sur la partie avant du carter, par exemple monté à force.The machine 1 also comprises a casing 5 fixed in rotation, here in two parts, a front 5a and a rear 5b. The casing surrounds the assembly of the stator and the rotor The casing can be in two parts, The stator 4 is fixed to the front part of the casing, for example mounted by force.

Dans l’exemple considéré, le rotor 3 comprend un arbre de rotor 10 et un corps de rotor 11.In the example considered, the rotor 3 comprises a rotor shaft 10 and a rotor body 11.

Dans l’exemple considéré, un palier avant 13 et un palier arrière 14 sont traversés par l’arbre de rotor 10. L’arbre de rotor 10 est monté à rotation par rapport au carter 5, par exemple au moyen d’organes de roulement montés sur les paliers 13, 14.In the example considered, a front bearing 13 and a rear bearing 14 are traversed by the rotor shaft 10. The rotor shaft 10 is mounted for rotation relative to the casing 5, for example by means of rolling members mounted on bearings 13, 14.

Par exemple, le rotor 3 comprend, un premier organe d’entraînement 20 appartenant à la machine 1. Un deuxième organe d’entraînement 21 monté sur un élément d’une chaine de traction, par exemple un vilebrequin, du véhicule automobile, et un élément 22 transmettant le mouvement de rotation du deuxième organe d’entraînement 21 au premier organe d’entraînement 20 sont prévus. Selon un exemple particulier, les organes d’entrainement 20, 21 sont des poulies et l’élément 22 transmettant le mouvement est une courroie.For example, the rotor 3 comprises a first drive member 20 belonging to the machine 1. A second drive member 21 mounted on an element of a traction chain, for example a crankshaft, of the motor vehicle, and a element 22 transmitting the rotational movement of the second drive member 21 to the first drive member 20 are provided. According to a particular example, the drive members 20, 21 are pulleys and the element 22 transmitting the movement is a belt.

Comme mieux visible sur la figure 2, la poulie 20 est montée solidaire en rotation sur l’arbre de rotor 10. L’arbre de rotor peut donc être entraîné en rotation par le mouvement de rotation de la poulie 20. La poulie 20 est disposée sur une première extrémité de l’arbre 14, dite extrémité avant. L’arbre 14 présente une deuxième extrémité, dite extrémité arrière, opposée à l’extrémité avant.As best seen in Figure 2, the pulley 20 is mounted integral in rotation on the rotor shaft 10. The rotor shaft can therefore be driven in rotation by the rotational movement of the pulley 20. The pulley 20 is arranged on a first end of the shaft 14, called the front end. The shaft 14 has a second end, called the rear end, opposite the front end.

Dans l’exemple considéré à la figure 1, la machine est dans une deuxième variante. Le stator 4 comprend une culasse équipée d’un ou de plusieurs d’aimants réparties circonférentiellement. Les aimants sont ici des électro-aimants. Par exemple, le stator comprend Na paires de pôles magnétiques, avec Na = 22.In the example considered in figure 1, the machine is in a second variant. The stator 4 comprises a yoke equipped with one or more magnets distributed circumferentially. The magnets here are electromagnets. For example, the stator comprises Na pairs of magnetic poles, with Na = 22.

Dans l’exemple considéré, les électro-aimants sont alimentés avec un courant électrique d’excitation continu EXC provenant d’un hacheur du stator 25. Le stator 4 est alimenté au travers du hacheur de stator par une source de tension qui est ici la batterie B du véhicule. Le bobinage d’excitation est relié à la borne B+ de la batterie B.In the example considered, the electromagnets are supplied with a DC excitation electric current EXC coming from a stator chopper 25. The stator 4 is supplied through the stator chopper by a voltage source which is here the vehicle battery B. The excitation winding is connected to the B+ terminal of battery B.

En variante des électro-aimants, le stator peut présenter un ou une pluralité d’aimants permanent pour former les Na pôles. Ces aimants peuvent être ferrites ou aux terres rares. De préférence, les aimants sont à aimantation Halbach. Dans le cas d’aimants permanents, une excitation du stator n’est pas nécessaire. Le stator n’est pas en liaison filaire avec une source de tension ou de courant. Une machine selon cette deuxième variante est illustrée en figure 14.As a variant of the electromagnets, the stator can have one or a plurality of permanent magnets to form the Na poles. These magnets can be ferrite or rare earth. Preferably, the magnets are Halbach magnetized. In the case of permanent magnets, stator excitation is not necessary. The stator is not wired to a voltage or current source. A machine according to this second variant is illustrated in figure 14.

Dans une première variante de la machine 1, le stator 4 comprend cette fois-ci Ns dents statoriques. Ns peut être égal à 24. Le stator 4 peut être formé par un paquet de tôles. Une machine selon cette première variante est illustrée en figure 13.In a first variant of the machine 1, the stator 4 this time comprises Ns stator teeth. Ns can be equal to 24. The stator 4 can be formed by a stack of laminations. A machine according to this first variant is illustrated in figure 13.

Selon cette première variante, le stator n’est pas alimenté par la batterie. Le stator n’est pas en liaison filaire avec une source de tension ou de courant. Le stator 4 est à reluctance pure. Le stator ne comprend pas d’aimants permanents.According to this first variant, the stator is not powered by the battery. The stator is not wired to a voltage or current source. The stator 4 is pure reluctance. The stator does not include permanent magnets.

Dans l’exemple considéré, le corps de rotor 11 comprend un paquet de tôles, en matériau ferromagnétique, comprenant des tôles empilées axialement. Le paquet de tôles comprenant Nr dents rotoriques et une pluralité d’encoches d’extension axiale.In the example considered, the rotor body 11 comprises a stack of laminations, made of ferromagnetic material, comprising laminations stacked axially. The lamination package comprising Nr rotor teeth and a plurality of axial expansion slots.

Dans l’exemple considéré, Nr peut être compris entre 2 et 50, par exemple égal à 20. Le nombre d’encoches peut être égal à Nr, chaque encoche étant alors disposée entre deux dents rotoriques successives.In the example considered, Nr can be between 2 and 50, for example equal to 20. The number of notches can be equal to Nr, each notch then being arranged between two successive rotor teeth.

Dans sa première variante, la machine1 présente 2*p pôles magnétiques apparents avec 2*p = Nr-Ns et un rapport de réduction magnétique G = Ns/2p.In its first variant, machine 1 has 2*p visible magnetic poles with 2*p = Nr-Ns and a magnetic reduction ratio G = Ns/2p.

Dans sa seconde variante, la machine 1 présente 2*p pôles magnétiques apparents avec p = Nr-Na et G = Na/p.In its second variant, machine 1 has 2*p apparent magnetic poles with p=Nr-Na and G=Na/p.

Le corps de rotor 11 comprend également au moins un bobinage 30, le bobinage étant reparti en q phases. Les phases comprennent des sections de bobinage 31 logés dans les encoches, les sections de chaque phase se succédant circonférentiellement. Chaque phase présente deux extrémités 32. Les encoches sont séparées les unes des autres par des dents de corps de rotor. Le bobinage peut être réparti ou a pas fractionnaire.The rotor body 11 also comprises at least one winding 30, the winding being divided into q phases. The phases include winding sections 31 housed in the slots, the sections of each phase succeeding each other circumferentially. Each phase has two ends 32. The notches are separated from each other by rotor body teeth. The winding can be distributed or fractionally pitched.

Dans l’exemple considéré à la figure 2, q = 3, le bobinage est donc un bobinage triphasé dont les phases sont a, b et c. Le rotor 3 est donc alimenté selon un système de courant triphasé.In the example considered in figure 2, q = 3, the winding is therefore a three-phase winding whose phases are a, b and c. The rotor 3 is therefore supplied according to a three-phase current system.

Les phases du bobinage 30 peuvent être connectées en étoile ou en polygone. Dans ce mode de réalisation, le rotor comporte trois phases a, b, c connectées en triangle, comme illustré sur la figure 2.The phases of the winding 30 can be connected in a star or in a polygon. In this embodiment, the rotor has three phases a, b, c connected in a triangle, as shown in Figure 2.

Dans l’exemple considéré, chaque tôle peut présenter une forme annulaire et comporter des rainures disposées radialement. Les encoches des tôles empilées forment les encoches de paquet de tôles s’étendant selon une direction sensiblement parallèle à l’axe X. Entre les encoches sont formés, les Nr dents rotoriques.In the example considered, each sheet may have an annular shape and include grooves arranged radially. The notches of the stacked sheets form the notches of the stack of sheets extending in a direction substantially parallel to the axis X. Between the notches are formed the Nr rotor teeth.

Dans l’exemple considéré, chaque phase a, b ,c peut présenter un unique conducteur formant les différentes sections de bobinage.In the example considered, each phase a, b, c can have a single conductor forming the different winding sections.

Dans l’exemple considéré, des chignons 35 formés par le bobinage 30 sont disposés de part et d’autre du paquet de tôles.In the example considered, buns 35 formed by the winding 30 are arranged on either side of the stack of sheets.

La machine 1 selon l’exemple considéré est particulièrement remarquable en ce qu’elle comporte un commutateur mécanique 40 pour alimenter les q phases de rotor 3. Dans l’exemple considéré, aux figures 1 et 2, le commutateur mécanique alimente donc le rotor 3 avec un système de courant triphasé. Le commutateur 40 est disposé à l’intérieur du carter.The machine 1 according to the example considered is particularly remarkable in that it comprises a mechanical switch 40 to supply the q phases of rotor 3. In the example considered, in FIGS. 1 and 2, the mechanical switch therefore supplies the rotor 3 with a three-phase current system. The switch 40 is arranged inside the casing.

Dans l’exemple considéré, le commutateur 40 comprend un collecteur 41 mobile en rotation autour de l’axe X. Le collecteur sera décrit plus en détail en référence suivantes. Le collecteur 41 est fixé en rotation sur l’arbre de rotor 10 et forme avec le rotor 3 l’induit de la machine 1.In the example considered, the switch 40 comprises a commutator 41 mobile in rotation around the axis X. The commutator will be described in more detail in the following references. The commutator 41 is fixed in rotation on the rotor shaft 10 and forms with the rotor 3 the armature of the machine 1.

Dans l’exemple considéré, le commutateur 40 comprend également au moins une paire de balais d’extension radiale, un balai positif 45 et un balai négatif 46, aptes à frotter sur le collecteur 41. Les balais 45, 46 sont fixes en rotation, ils sont définis chacun sur un secteur angulaire et ils sont reliés à une même source de tension ici batterie B du véhicule. Les balais sont donc alimentés en courant continu.In the example considered, the switch 40 also comprises at least one pair of brushes with radial extension, a positive brush 45 and a negative brush 46, able to rub on the commutator 41. The brushes 45, 46 are fixed in rotation, they are each defined on an angular sector and they are connected to the same voltage source, here battery B of the vehicle. The brushes are therefore supplied with direct current.

Dans l’exemple considéré, un hacheur 48 est disposé entre les balais 45, 46 et la borne B+ de la batterie B pour régler la tension et agir comme variateur de tension.In the example considered, a chopper 48 is arranged between the brushes 45, 46 and the B+ terminal of the battery B to regulate the voltage and act as a voltage variator.

Dans l’exemple considéré, les balais 45, 46 ont une forme sensiblement parallélépipédique. Chaque balai comporte une surface radialement intérieure cylindrique en contact avec le collecteur 41.In the example considered, the brushes 45, 46 have a substantially parallelepipedal shape. Each brush has a cylindrical radially inner surface in contact with the commutator 41.

Dans l’exemple considéré, la machine 1 comprend un ensemble porte-balais 50 fixe en rotation dans lequel sont logés les balais 45, 46. Le porte-balais 50 porte les balais. Le porte-balais 50 entoure le collecteur 41. Le porte-balais est fixé au carter, notamment sur la partie arrière 5b du carter. Le porte-balais peut être fixé sur le palier arrière 14 ou directement sur la culasse du stator.In the example considered, the machine 1 comprises a brush holder assembly 50 fixed in rotation in which the brushes 45, 46 are housed. The brush holder 50 carries the brushes. The brush holder 50 surrounds the collector 41. The brush holder is fixed to the casing, in particular on the rear part 5b of the casing. The brush holder can be fixed on the rear bearing 14 or directly on the yoke of the stator.

Lorsque la machine 1 fonctionne en mode générateur, la poulie 20 et le rotor 3 sont entraînés en rotation et le bobinage du rotor 30 est alimenté électriquement par du commutateur 40. Le rotor 3 est alors magnétisé, un champ magnétique est créé et génère un courant induit dans le bobinage du stator.When machine 1 operates in generator mode, pulley 20 and rotor 3 are driven in rotation and the winding of rotor 30 is electrically powered by switch 40. Rotor 3 is then magnetized, a magnetic field is created and generates a current armature in the stator winding.

On va maintenant décrire en détail le fonctionnement et la structure du commutateur.The operation and structure of the switch will now be described in detail.

Les figures 3 et 4 illustrent schématiquement l’alimentation par un système de courant triphasé du bobinage d’un rotor 3 d’une machine 1 comprenant deux paires de pôles apparents, i.e. p = 2, selon un premier mode de bobinage étoilé et selon la première variante de machine, i.e. à reluctance pure. Les figures 3 et 4 représentent le commutateur 40 et le bobinage du rotor 30 déroulés.FIGS. 3 and 4 schematically illustrate the supply by a three-phase current system of the winding of a rotor 3 of a machine 1 comprising two pairs of visible poles, i.e. p=2, according to a first star winding mode and according to the first machine variant, i.e. pure reluctance. Figures 3 and 4 show the commutator 40 and the winding of the rotor 30 unwound.

En référence à la figure 3, le collecteur 41 comprend G*p*q lames conductrices 60 se succédant circonférentiellement, avec ici G= 2, p = 2 et q = 3, donc 12 lames conductrices. Seules la moitié des 12 lames 60 sont représentées ici. Chaque lame 60 est définie sur un secteur angulaire, les lames adjacentes sont isolées les unes des autres. Les lames conductrices sont reparties en q groupes, ici trois groupes a’, b’, c’. Toutes les lames 60 d’un même groupe a’, b’, c’ sont connectées électriquement ensemble et les trois groupes sont alternées circonférentiellement.With reference to FIG. 3, the collector 41 comprises G*p*q conductive blades 60 succeeding each other circumferentially, with here G=2, p=2 and q=3, therefore 12 conductive blades. Only half of the 12 blades 60 are represented here. Each blade 60 is defined on an angular sector, the adjacent blades are isolated from each other. The conductive blades are divided into q groups, here three groups a', b', c'. All the blades 60 of the same group a', b', c' are electrically connected together and the three groups are alternated circumferentially.

Dans l’exemple considéré, le collecteur 41 présente un motif élémentaire de lames qui se répète G*p fois, ici quatre fois. Le motif élémentaire de lames est ici : lame du groupe a’, lame du groupe b’ et lame du groupe c’. Le collecteur 41 présente G*p*q passages, ici douze, d’un type de lame à un autre. Le type d’une lame est défini par l’appartenance à un groupe. Le collecteur présente ainsi un motif élémentaire égal à 2*π/(G*p*q), soit π/6 ou encore 30°.In the example considered, the collector 41 has an elementary blade pattern which is repeated G*p times, here four times. The basic pattern of blades is here: blade of group a', blade of group b' and blade of group c'. Collector 41 presents G*p*q passages, here twelve, from one type of blade to another. The type of a blade is defined by membership in a group. The collector thus has an elementary pattern equal to 2*π/(G*p*q), ie π/6 or even 30°.

Dans l’exemple considéré, chacun des trois groupes a’, b’, c’ de lames est connecté électriquement à une des deux extrémités 32 d’une des trois phases a, b, c du rotor 3. Les autres extrémités 32 des trois phases sont connectées électriquement ensemble de sorte à former un bobinage en étoile.In the example considered, each of the three groups a', b', c' of blades is electrically connected to one of the two ends 32 of one of the three phases a, b, c of the rotor 3. The other ends 32 of the three phases are electrically connected together so as to form a star winding.

Dans l’exemple considéré aux figures 3 et 4, G=2 et p=2 nous donne Nr = 12 et Ns = 8.In the example considered in Figures 3 and 4, G=2 and p=2 gives us Nr = 12 and Ns = 8.

Dans l’exemple considéré, le rotor peut comprendre 12 encoches, autant que de dents rotoriques Nr. Chacune des douze lames du collecteur est alignée avec une dent de corps de rotor. Chacune des encoches dans laquelle est logée une section appartenant à une phase du type q est alignée axialement avec une lame du collecteur 41 du même type.In the example considered, the rotor can comprise 12 slots, as many as Nr rotor teeth. Each of the twelve commutator blades is aligned with a rotor body tooth. Each of the notches in which is housed a section belonging to a phase of the type q is aligned axially with a blade of the collector 41 of the same type.

Dans l’exemple considéré, toutes les lames présentent toutes le même secteur angulaire et la même dimension axiale. En particulier, toutes les lames 60 sont identiques et ne sont pas décalées axialement. Les lames 60 peuvent être en cuivre. Les lames 60 peuvent avoir une épaisseur radiale comprise entre 1mm et 3mm, par exemple 2mm. Les lames peuvent avoir une dimension axiale comprise entre 8mm et 12mm, par exemple 10mm.In the example considered, all the blades all have the same angular sector and the same axial dimension. In particular, all the blades 60 are identical and are not axially offset. The blades 60 can be made of copper. The blades 60 can have a radial thickness comprised between 1mm and 3mm, for example 2mm. The blades can have an axial dimension between 8mm and 12mm, for example 10mm.

En référence à la figure 4, le commutateur comprend une unique paire de balais 45, 46 toujours en contact des lames 60. Deux paires de balais auraient pu être envisagé car le nombre de paires peut être compris entre 1 et p. Les balais de la paire représentée sont circonférentiellement décalés l’un de l’autre de [(2k+1)*2*π]/(2*G*p)], k étant un entier naturel. Dans l’exemple considéré, les balais peuvent donc être décalés, par exemple, d’un angle de π/2 ou de 3π/2, ici les balais 45, 46 sont décalés de π/2.Referring to Figure 4, the switch comprises a single pair of brushes 45, 46 always in contact with the blades 60. Two pairs of brushes could have been considered because the number of pairs can be between 1 and p. The brushes of the pair shown are circumferentially offset from each other by [(2k+1)*2*π]/(2*G*p)], k being a natural number. In the example considered, the brushes can therefore be offset, for example, by an angle of π/2 or 3π/2, here the brushes 45, 46 are offset by π/2.

Le décalage angulaire entre les balais 45, 46 se fait de centre à centre, c'est-à-dire entre les plans médians A de chaque balai.The angular offset between the brushes 45, 46 is from center to center, that is to say between the median planes A of each brush.

Dans l’exemple considéré, chaque lame 60 est séparée des deux lames 60 adjacentes par une inter-lame 62 isolante. L’ouverture angulaire de chaque inter-lame 62 est identique.In the example considered, each blade 60 is separated from the two adjacent blades 60 by an insulating inter-blade 62. The angular opening of each inter-blade 62 is identical.

Dans l’exemple considéré, l’ouverture angulaire de chaque balai 45, 46 est supérieure à l’ouverture angulaire des inter-lames 62. Ainsi, chaque balai est toujours en contact avec au moins une lame et avec deux lames pendant les phases de recouvrement.In the example considered, the angular opening of each brush 45, 46 is greater than the angular opening of the inter-blades 62. Thus, each brush is always in contact with at least one blade and with two blades during the phases of recovery.

En référence aux figures 5 et 6, on va maintenant décrire, une variante concrète de collecteur 41 pour l’alimentation par un système de courant triphasé (q=3) d’une machine 1 à deux paires de pôles apparents et à rapport de réduction magnétique G égal à 4 avec un bobinage en étoile. Le collecteur présente donc un motif élémentaire égal 2*π/(G*p*q), soit π/12 ou encore 15°.With reference to FIGS. 5 and 6, we will now describe a concrete variant of collector 41 for the supply by a three-phase current system (q=3) of a machine 1 with two pairs of apparent poles and with a reduction ratio magnetic G equal to 4 with a star winding. The collector therefore has an elementary pattern equal to 2*π/(G*p*q), ie π/12 or even 15°.

Dans l’exemple considéré, chaque inter-lame 62 comprend une lame isolée 63 qui n’est connectée électriquement à aucune autre lame. Les lames 63 sont dites isolées en opposition aux lames 60 conductrices connectées électriquement qui forment les trois groupes de lames. Les lames isolées sont à potentiel flottant. Les lames isolées 63 sont séparées des lames conductrices 60 par des interstices 64 qui peuvent mesurer entre 1mm et 5mm dans la direction circonférentielle.In the example considered, each inter-blade 62 comprises an insulated blade 63 which is not electrically connected to any other blade. Blades 63 are said to be insulated in contrast to electrically connected conductive blades 60 which form the three groups of blades. The insulated blades are at floating potential. The insulated blades 63 are separated from the conductive blades 60 by interstices 64 which can measure between 1mm and 5mm in the circumferential direction.

Selon un aspect de l’invention, l’ouverture angulaire des lames isolées 63 est comprise entre 40% et 50% de l’ouverture angulaire des lames conductrices 60.According to one aspect of the invention, the angular opening of the insulated blades 63 is between 40% and 50% of the angular opening of the conductive blades 60.

Dans l’exemple considéré, le collecteur comprend 48 lames, 24 lames conductrices 60 (G=4, p=2 et q=3) et 24 lames isolées 63, les lames conductrices 60 étant en alternance avec les lames isolées 63.In the example considered, the collector comprises 48 blades, 24 conductive blades 60 (G=4, p=2 and q=3) and 24 insulated blades 63, the conductive blades 60 being alternated with the insulated blades 63.

Dans l’exemple considéré, le collecteur 41 présente G*p*q passages, ici 24 passages, d’un type de lame conductrice à un autre. Le type d’une lame est défini par l’appartenance à un groupe. Les lames isolées n’appartiennent à aucun groupe.In the example considered, the collector 41 has G*p*q passages, here 24 passages, from one type of conductive blade to another. The type of a blade is defined by membership in a group. Isolated blades do not belong to any group.

Dans l’exemple considéré, le collecteur 41 comprend un squelette 65, en matériau isolant, par exemple en plastique, de révolution autour de l’axe X pour maintenir les lames 60, 63 en position. Le squelette est de forme sensiblement cylindrique. Le squelette 60 est ici d’un seul tenant. Le squelette comprend 48 ouvertures radiales 67 recevant les lames 60, 63. Le squelette comprend une ouverture centrale 68 recevant l’arbre de rotor 10. Le collecteur 41 comprend également un moyeu central 69 pour le passage de l’arbre du rotor. Le squelette est fixé sur le moyeu central, par exemple surmoulé sur le moyeu central 69.In the example considered, the collector 41 comprises a skeleton 65, made of insulating material, for example plastic, of revolution around the axis X to hold the blades 60, 63 in position. The skeleton is substantially cylindrical in shape. Skeleton 60 is here in one piece. The skeleton comprises 48 radial openings 67 receiving the blades 60, 63. The skeleton comprises a central opening 68 receiving the rotor shaft 10. The collector 41 also comprises a central hub 69 for the passage of the rotor shaft. The skeleton is fixed to the central hub, for example molded onto the central hub 69.

La figure 6 est une vue éclatée du collecteur de la figure 5. Les lames 60 d’un même groupe a’, b’, c’ sont toutes connectées électriquement à une bague disposée radialement à l’intérieur des lames. Dans l’exemple considéré, le collecteur comprend une bague d’un type a 70 pour connecter ensemble les lames 60 du groupe a’, une bague d’une type b 71 et une bague d’une type c 72.Figure 6 is an exploded view of the collector of Figure 5. The blades 60 of the same group a', b', c' are all electrically connected to a ring disposed radially inside the blades. In the example considered, the commutator comprises a ring of type a 70 to connect together the blades 60 of group a', a ring of type b 71 and a ring of type c 72.

Dans l’exemple considéré, les bagues 70, 71, 72 se succèdent axialement. La bague de type b est centrale et les bagues de type a et de type c sont d’extrémités. Les bagues sont axialement réparties sur une longueur axiale de lame 60.In the example considered, the rings 70, 71, 72 follow one another axially. The type b ring is central and the type a and type c rings are at the ends. The rings are axially distributed over an axial length of blade 60.

Dans l’exemple considéré, un pont 75 est prévu entre chaque lame 60 et la bague associée 70, 71, 72. Chaque pont est associé à une unique lame 60. Les ponts 75 s’étendent radialement depuis les bagues sans décalage axial.In the example considered, a bridge 75 is provided between each blade 60 and the associated ring 70, 71, 72. Each bridge is associated with a single blade 60. The bridges 75 extend radially from the rings without axial offset.

Les ponts 75 de la bague de type b 71, centrale, sont connectés à une zone centrale des lames 60. Les ponts 75 des bagues d’extrémités 70, 72 sont connectés sur des coins des lames 60.The bridges 75 of the b-type ring 71, central, are connected to a central zone of the blades 60. The bridges 75 of the end rings 70, 72 are connected to the corners of the blades 60.

Les ponts et les bagues sont dans un espace intérieur du squelette 67 tandis que les lames 60 affleurent vers l’extérieur pour venir en contact électrique avec les balais 45, 46.The bridges and the rings are in an interior space of the skeleton 67 while the blades 60 are flush towards the exterior to come into electrical contact with the brushes 45, 46.

Dans l’exemple considéré, les lames 60 d’un même groupe a’, b’, c’, les ponts 75 et la bague 70, 71, 72 forment un anneau d’un seul tenant. Le collecteur comprend ainsi un anneau de type a 77, un anneau de type b, 78 et un anneau de type c 79. L’anneau de type b 78 est représenté isolément à la figure 8.In the example considered, the blades 60 of the same group a', b', c', the bridges 75 and the ring 70, 71, 72 form a ring in one piece. The collector thus comprises an a-type ring 77, a b-type ring 78 and a c-type ring 79. The b-type ring 78 is shown separately in Figure 8.

Dans l’exemple considéré, les lames isolées sont fixées sur une bague d’inter-lames 73. La bague d’inter-lames 73 est disposée dans l’espace intérieur du squelette 65. La bague d’inter-lames 73 radialement à l’extérieur des bagues 70, 71, 72. Les lames isolées 63 comportent un pied 74 inséré dans une ouverture de la bague d’inter-lames par la fixation de la lame isolée.In the example considered, the isolated blades are fixed on an inter-blade ring 73. The inter-blade ring 73 is arranged in the interior space of the skeleton 65. The inter-blade ring 73 radially to the outside of the rings 70, 71, 72. The insulated slats 63 have a foot 74 inserted into an opening of the inter-blade ring by fixing the insulated slat.

La bague d’inter-lames 73 comprend des fenêtres 76 pour le passage des ponts 75 entre les lames 60 du groupe b et la bague 72 qui est en position centrale. Ainsi, les ponts 75 de l’anneau de type b 78 traversent la bague d’inter-lames 73.The inter-blade ring 73 includes windows 76 for the passage of the bridges 75 between the blades 60 of group b and the ring 72 which is in the central position. Thus, the bridges 75 of the b-type ring 78 cross the inter-blade ring 73.

Dans l’exemple considéré, le collecteur 41 comprend trois bras de liaison 80, chacun étant solidaire d’une des bagues 70, 71, 72. Chaque bras de liaison comprend une portion venant de matière avec les anneaux et une portion comprenant l’extrémité libre 81. Les deux portions sont fixées l’une à l’autre par exemple par soudure. Chaque extrémité libre 81 est connectée à une phase de bobinage a, b, c pour l’alimenter. Chaque bras de liaison 80 débouche radialement du squelette 65 du collecteur au travers d’un trou radial 82 ménagé dans le squelette.In the example considered, the manifold 41 comprises three link arms 80, each being integral with one of the rings 70, 71, 72. Each link arm comprises a portion which is integral with the rings and a portion comprising the end free 81. The two portions are fixed to one another, for example by welding. Each free end 81 is connected to a winding phase a, b, c to supply it. Each connecting arm 80 emerges radially from the skeleton 65 of the manifold through a radial hole 82 formed in the skeleton.

Dans l’exemple considéré, une seule des deux extrémités 32 de chaque phase a, b, c est connectée à un bras de liaison. Chaque groupe de lames a’, b’, c’ alimente ainsi une seule et unique phase des 3 phases du rotor.In the example considered, only one of the two ends 32 of each phase a, b, c is connected to a connecting arm. Each group of blades a’, b’, c’ thus supplies a single and unique phase of the 3 phases of the rotor.

Dans l’exemple considéré, le collecteur 41 comprend également un connecteur 90 pour relier électriquement ensemble les extrémités 32 des phases a, b, c. Le connecteur 90 est disposé circonférentiellement à côté des extrémités libres 81 des bras de liaison. Le connecteur 90 débouche radialement du squelette 67. Le connecteur comprend trois extrémités 91, pour chacune recevoir chacune des extrémités de phase 32. Ainsi chaque phase a, b, c comprend une extrémité 32 connectée à un bras de liaison 80 et une extrémité connectée au connecteur 90.In the example considered, the collector 41 also includes a connector 90 for electrically connecting together the ends 32 of the phases a, b, c. The connector 90 is arranged circumferentially next to the free ends 81 of the connecting arms. The connector 90 emerges radially from the skeleton 67. The connector comprises three ends 91, for each receiving each of the phase ends 32. Thus each phase a, b, c comprises an end 32 connected to a connecting arm 80 and an end connected to the connector 90.

Les figures 7 et 8 illustrent schématiquement l’alimentation par un système de courant triphasé du bobinage d’un rotor 3 d’une machine 1 comprenant deux paires de pôles apparents (p = 2) et un rapport de réduction magnétique G égale à deux selon un deuxième mode de bobinage (triangle). Les figures 12 et 13 représentent partiellement le commutateur 40 et le bobinage du rotor 30 déroulés.FIGS. 7 and 8 schematically illustrate the supply by a three-phase current system of the winding of a rotor 3 of a machine 1 comprising two pairs of visible poles (p=2) and a magnetic reduction ratio G equal to two according to a second winding mode (triangle). Figures 12 and 13 partially show the commutator 40 and the winding of the rotor 30 unwound.

Cet exemple diffère de celui illustré aux figures 3 et 4 en ce que chacun des 3 groupes de lames a’, b’, c’ est connecté électriquement à deux extrémités 32 de deux phases a, b, c distinctes de sorte à former un bobinage en triangle.This example differs from that illustrated in FIGS. 3 and 4 in that each of the 3 groups of blades a', b', c' is electrically connected to two ends 32 of two distinct phases a, b, c so as to form a winding in a triangle.

Dans l’exemple considéré, chaque phase a, b, c est connectée à deux groupes de lames a’, b’, c’ distincts.In the example considered, each phase a, b, c is connected to two separate blade groups a', b', c'.

En référence aux figures 9 à 12, on va maintenant décrire, un commutateur 40 pour l’alimentation par un système de courant triphasé (q=3) d’une machine 1 à deux paires de pôles et avec un rapport de réduction G égal à 3 avec un bobinage en triangle.With reference to FIGS. 9 to 12, a description will now be given of a switch 40 for the supply by a three-phase current system (q=3) of a machine 1 with two pairs of poles and with a reduction ratio G equal to 3 with a triangle winding.

Dans l’exemple considéré, le collecteur comprend ici 18 lames conductrices 60. (G=3, p=2 et q=3). le collecteur 41 présente G*p*q passages, ici 18, d’un type de lame à un autre. Le collecteur 40 présente un motif élémentaire de lames qui se répète G*p fois, ici 6. Le motif élémentaire est ici : lame du groupe a’, lame du groupe b’ et lame du groupe c’ (a’, b’, c’).In the example considered, the collector here comprises 18 conductive blades 60. (G=3, p=2 and q=3). collector 41 presents G*p*q passages, here 18, from one type of blade to another. The collector 40 has an elementary pattern of blades which is repeated G*p times, here 6. The elementary pattern is here: blade of group a', blade of group b' and blade of group c' (a', b', vs').

Le collecteur 40 considéré ici diffère de celui des précédents en ce qu’il ne comprend pas de connecteur. Le collecteur comprend uniquement 3 bras de liaison 80 qui reçoivent chacun deux extrémités de phase 32. Les extrémités 32 sont par exemple fixées par soudure. Chaque phase a, b, c est donc connectée à deux bras de liaison 80 et chaque bras de liaison 80 est connecté à deux phases du bobinage. Le potentiel est identique aux deux extrémités 32 de chaque phase a, b, c.The collector 40 considered here differs from that of the previous ones in that it does not include a connector. The collector comprises only 3 connecting arms 80 which each receive two phase ends 32. The ends 32 are for example fixed by welding. Each phase a, b, c is therefore connected to two connecting arms 80 and each connecting arm 80 is connected to two phases of the winding. The potential is identical at the two ends 32 of each phase a, b, c.

La figure 13, présente schématiquement une machine 1 selon la première variante dans laquelle Nr = 24, Ns = 20. Le nombre de pôles apparents p est ainsi égal à 2, le rapport de réduction magnétique G égal à 5 et le nombre de lames du collecteur égal à 30. Le nombre d’encoches est égal à 24.FIG. 13 schematically presents a machine 1 according to the first variant in which Nr=24, Ns=20. The number of visible poles p is thus equal to 2, the magnetic reduction ratio G equal to 5 and the number of blades of the collector equal to 30. The number of notches is equal to 24.

Dans l’exemple considéré, Selon un aspect de l’invention, les Ns dents rotoriques présentent une forme bombée. Le stator comprend des renfoncements entre chaque dents statoriques successives présentant chacun une forme arrondie.In the example considered, according to one aspect of the invention, the Ns rotor teeth have a domed shape. The stator comprises recesses between each successive stator teeth each having a rounded shape.

Enfin, la figure 14 présente schématiquement une machine 1 selon la première variante dans laquelle Nr = 24, Na = 22. Le nombre de pôles apparents p est ainsi égal à 2, le rapport de réduction magnétique G égal à 11 et le nombre de lames du collecteur égal à 66. Le nombre d’encoches est égal à 24.Finally, FIG. 14 schematically presents a machine 1 according to the first variant in which Nr=24, Na=22. The number of visible poles p is thus equal to 2, the magnetic reduction ratio G equal to 11 and the number of blades of the collector equal to 66. The number of notches is equal to 24.

Claims (10)

Commutateur (40) mécanique pour machine (1) électrique apte à alimenter par un système de courant polyphasé comprenant q phases, avec q entier positif strictement supérieur à 1, un rotor (3) de machine électrique tournante présentant 2*p pôles magnétiques apparents et un rapport de réduction magnétique G, comprenant :
  • un collecteur (41) mobile en rotation autour d’un axe (X) de la machine électrique, de motif élémentaire égal à 2*π/(G*p*q),
  • au moins une paire de balais d’extension radiale, un balai positif (45) et un balai négatif (46), aptes à frotter sur le collecteur (41), fixes en rotation, définis chacun sur un secteur angulaire, aptes à être reliés à une même une batterie (B) de véhicule,
caractérisé en ce que le collecteur (41) mécanique comprend G*p*q, avec G entier, lames conductrices (60) se succédant circonférentiellement, chaque lame (60) étant définie sur un secteur angulaire, les lames adjacentes étant isolées les unes des autres, les lames étant reparties en q groupes (a’, b’, c’), toutes les lames (60) d’un même groupe étant connectées électriquement ensemble, les q groupes étant alternées circonférentiellement,
et en ce que les balais (45, 46) d’une même paire sont circonférentiellement décalés l’un de l’autre de [(2k+1)*2*π]/(2*G*p), k étant un entier naturel.
Mechanical switch (40) for an electrical machine (1) suitable for supplying by a polyphase current system comprising q phases, with q positive integer strictly greater than 1, a rotor (3) of a rotating electrical machine having 2*p visible magnetic poles and a magnetic reduction ratio G, comprising:
  • a commutator (41) mobile in rotation around an axis (X) of the electrical machine, with an elementary pattern equal to 2*π/(G*p*q),
  • at least one pair of brushes with radial extension, a positive brush (45) and a negative brush (46), capable of rubbing on the commutator (41), fixed in rotation, each defined on an angular sector, capable of being connected to one and the same vehicle battery (B),
characterized in that the mechanical commutator (41) comprises G*p*q, with integer G, conductive strips (60) succeeding each other circumferentially, each strip (60) being defined on an angular sector, the adjacent strips being insulated from each other others, the slats being divided into q groups (a', b', c'), all the slats (60) of the same group being electrically connected together, the q groups being alternated circumferentially,
and in that the brushes (45, 46) of the same pair are circumferentially offset from each other by [(2k+1)*2*π]/(2*G*p), k being a whole natural.
Commutateur (40) mécanique selon la revendication 1, les lames (60) d’un même groupe (a’, b’, c’) étant toutes connectées électriquement à une bague (70, 71, 72) disposée radialement à l’intérieur des lames (60).Mechanical switch (40) according to claim 1, the blades (60) of the same group (a', b', c') all being electrically connected to a ring (70, 71, 72) disposed radially inside blades (60). Commutateur (40) mécanique selon la revendication précédente, la somme de l’ouverture angulaire d’un balai (45, 46) et l’ouverture angulaire d’une lame (62) étant supérieure ou égale à 120 degrés électriques et inférieur strictement à 180 degrés électriquesMechanical switch (40) according to the preceding claim, the sum of the angular opening of a brush (45, 46) and the angular opening of a blade (62) being greater than or equal to 120 electrical degrees and strictly less than 180 degrees electric Machine (1) électrique comprenant :
  • un commutateur (40) mécanique selon l’une quelconque des revendications 1 à 3,
  • un stator (4) fixe en rotation, le stator (4) formant l’inducteur de la machine,
  • un rotor (3) mobile en rotation autour de l’axe (X) de la machine électrique, le rotor (3) formant avec le collecteur (41) un induit de la machine, le rotor comprenant :
    1. un arbre de rotor (10), et
    2. un corps de rotor (11) comprenant :
      1. un paquet de tôles comprenant des tôles empilées axialement, le paquet de tôles comprenant Nr dents rotoriques, le paquet de tôles (10) ayant une pluralité d’encoches d’extension axiale,
      2. au moins un bobinage (30), le bobinage étant reparti en q phases (a, b, c) alimentées par le commutateur (40), les phases comprenant des sections de bobinage logés dans les encoches, les sections (31) de chaque phase se succédant circonférentiellement, chaque phase présentant deux extrémités (32).
Electric machine (1) comprising:
  • a mechanical switch (40) according to any one of claims 1 to 3,
  • a stator (4) fixed in rotation, the stator (4) forming the inductor of the machine,
  • a rotor (3) rotatable about the axis (X) of the electric machine, the rotor (3) forming with the commutator (41) an armature of the machine, the rotor comprising:
    1. a rotor shaft (10), and
    2. a rotor body (11) comprising:
      1. a lamination package comprising axially stacked laminations, the lamination package including Nr rotor teeth, the lamination package (10) having a plurality of axially extending slots,
      2. at least one winding (30), the winding being divided into q phases (a, b, c) powered by the switch (40), the phases comprising winding sections housed in the notches, the sections (31) of each phase circumferentially succeeding each other, each phase having two ends (32).
Machine (1) électrique selon la revendication précédente comprenant dans laquelle le stator (4) comprend Ns dents statoriques, la machine présentant 2*p pôles magnétiques apparents avec 2*p = Nr-Ns et G = Ns/2p.Electrical machine (1) according to the preceding claim, comprising in which the stator (4) comprises Ns stator teeth, the machine having 2*p visible magnetic poles with 2*p=Nr-Ns and G=Ns/2p. Machine (1) électrique selon la revendication 4 dans laquelle le stator (4) comprend Na paires de pôles magnétiques, la machine électrique présentant 2*p pôles magnétiques apparents avec p = Nr-Na et G = Na/p.Electric machine (1) according to Claim 4, in which the stator (4) comprises Na pairs of magnetic poles, the electric machine having 2*p visible magnetic poles with p = Nr-Na and G = Na/p. Machine (1) électrique selon la revendication précédente, dans laquelle, le stator (4) comprendre un ou plusieurs aimants à aimantation Halbach et le bobinage (30) est à pas fractionnaire.Electric machine (1) according to the preceding claim, in which the stator (4) comprises one or more magnets with Halbach magnetization and the winding (30) has fractional pitch. Machine (1) électrique selon l’une quelconques des revendications 4 à 7, chacun des q groupes de lames (a’, b’, c’) étant connecté électriquement à une des deux extrémités (32) d’une des q phases (a, b, c) du rotor, les autres extrémités (32) des q phases étant connectées électriquement ensemble de sorte à former un bobinage (30) en étoile.Electric machine (1) according to any one of Claims 4 to 7, each of the q groups of blades (a', b', c') being electrically connected to one of the two ends (32) of one of the q phases ( a, b, c) of the rotor, the other ends (32) of the q phases being electrically connected together so as to form a star winding (30). Machine (1) électrique selon l’une quelconques des revendications 4 à 7, chacun des q groupes de lames (60) étant connecté électriquement à deux extrémités (32) de deux phases distinctes des q phases (a, b, c) du rotor de sorte à former un bobinage (30) en polygone.Electric machine (1) according to any one of Claims 4 to 7, each of the q groups of blades (60) being electrically connected to two ends (32) of two distinct phases of the q phases (a, b, c) of the rotor so as to form a winding (30) in polygon. Système de traction pour engin de transport comprenant :
  • une machine (1) électrique selon l’une des revendications 4 à 8, et
  • un hacheur (48) connecté électriquement aux balais (45, 46) du commutateur (40) mécanique et apte à être connecté à la batterie (B) du véhicule.
Traction system for a transport vehicle comprising:
  • an electric machine (1) according to one of Claims 4 to 8, and
  • a chopper (48) electrically connected to the brushes (45, 46) of the mechanical switch (40) and adapted to be connected to the battery (B) of the vehicle.
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