FR3118279A1 - Contacteur electromagnetique de puissance pour un demarreur - Google Patents
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Abstract
Contacteur (1) électromagnétique de puissance, notamment pour un moteur électrique d’un démarreur de moteur à combustion interne, comportant : - une culasse (6), - un noyau mobile (3) axialement entre une position de repos et une position finale, le noyau mobile (3) étant de révolution autour d’un axe (X) du contacteur, et - un noyau fixe (2) par rapport à la culasse, le noyau fixe (2) comprenant une portion transversale (4) et une portion conique (7) dans le prolongement de la portion transversale, la portion conique (7) s’étendant en direction de la position de repos du noyau mobile (3), caractérisé en ce que le noyau fixe (2) présente un rétrécissement (8) entre la portion transversale (4) et la portion conique (7). Figure pour l’abrégé : Figure 6
Description
L’invention porte sur un contacteur électromagnétique de puissance muni d’un noyau optimisé pour démarreur. La présente invention trouve une application particulièrement avantageuse dans le domaine des contacteurs électromagnétiques pour circuit de puissance, notamment pour un moteur électrique d’un démarreur de moteur à combustion interne, en particulier de véhicule automobile.
De façon connue en soi, un contacteur a deux rôles, d'une part déplacer le lanceur supportant le pignon du démarreur par le biais d'un levier pivotant de manière à permettre l'engrenage du pignon sur la couronne de démarrage du moteur thermique, et d'autre part alimenter le moteur électrique du démarreur permettant d'entraîner le pignon en rotation.
A cet effet, comme cela est illustré sur la , le contacteur 1, d’axe de révolution X, est doté d’un noyau fixe 2, d'un noyau mobile 3, et d’un carter métallique 5 dans lequel est agencé une culasse 6 ainsi qu'un jeu de bobines d’appel 9a et de maintien 9b bobinées sur un support annulaire isolant 10.
Le noyau mobile 3 est mobile axialement entre une position, dite position de repos, dans laquelle le noyau mobile 3 est dans une position éloignée du noyau fixe 2 et une position, dite finale, dans laquelle le noyau mobile 3 est dans une position rapprochée du noyau fixe 2, suite à l'activation du jeu de bobines d’appel 9a et de maintien 9b générant un champ magnétique d'attraction du noyau mobile 3 vers le noyau fixe 2.
Une extrémité arrière du noyau mobile 3 est reliée, via une tige de liaison 11 à un levier pivotant 14 qui entraîne le déplacement d'un lanceur de pignon du démarreur vers la couronne de démarrage du moteur thermique lorsque le noyau mobile 3 se déplace vers sa position finale.
Une autre extrémité du noyau mobile 3 est destinée à agir sur une extrémité d’une tige de commande 17 portant une plaquette de contact 18. Cette plaquette de contact 18 s'étend transversalement pour pouvoir coopérer avec deux bornes électriques 19a, 19b d’un circuit électrique de puissance situées dans un capot 22.
La tige de commande 17 porte en outre un ressort d’écrasement 23 agencé entre un épaulement et la plaquette de contact 18. Le contacteur 1 comporte également un ressort de rappel 24 agencé entre le capot 22 et une butée de la tige de commande 17.
La tige de commande 17 déplacée par le noyau mobile 3 est mobile entre une position de repos et une position d'alimentation dans laquelle la plaquette de contact 18 établit un contact avec les bornes électriques 19a, 19b lorsque le noyau mobile 3 est en position finale.
Il est connu de l’art antérieur différentes formes de noyau fixe 2. La première est illustrée en , qui sera décrite plus loin, et la deuxième est décrite en . Le noyau fixe 2 est ici dit « plat ». Il est caractérisé en ce qu’il est constitué principalement par une paroi transversale. A faible entrefer axial, celui mesuré axialement entre le noyau mobile et la portion transversale, le contacteur électromécanique peut développer une grande force d’attraction sur le noyau mobile 3. La plupart des lignes de champ magnétique visible sur la contribuent à la création de la force d’attraction axiale. En d’autres termes, les lignes de champ magnétique n’ont pratiquement aucune composante radiale au niveau de la position finale. La composante radiale ne contribuant pas au mouvement de translation du noyau fixe. Par contre l’inconvénient majeur de cette configuration est qu’elle ne permet pas d’obtenir des valeurs de force axiale importantes à grands entrefers lorsque le noyau fixe est proche de sa position de repos. Par exemple, lorsque le noyau mobile est éloignée axialement d’une distance supérieure à 13mm, ce type de noyau fixe est inopérant.
Le noyau fixe 3 décrit à la comprend une portion conique dans le prolongement de la portion transversale déjà décrite en référence à la . Cette portion conique s’étend en direction de la position de repos du noyau mobile. Le noyau mobile peut s’enfoncer axialement au-delà de la portion conique.
Grâce à cette portion conique, la distance minimale d entre le noyau mobile 3 et le noyau fixe 2 d’un point de vue magnétique est réduite lorsque le noyau mobile se déplace de sa position de repos vers sa position finale. L’entrefer axial demeure lui inchangé, à forme de portion transversale identique.
Plus la distance entre ces deux pièces est faible plus la force d’attraction sur le noyau mobile 3 est importante. Ceci est illustré , où l’on peut observer que la portion conique permet de réduire la distance minimale qui est plus faible que l’entrefer axial en position de repos, avec d < entrefer. La portion conique est donc un artifice qui permet de gagner en force électromagnétique près de la position de repos.
Néanmoins l’inconvénient de cette topologie est qu’au niveau de la position finale, comme le montre la , une partie des lignes de champ magnétique reliant le noyau fixe 2 au noyau mobile présentent une composante radiale. Ceci montre que le flux créé par les bobines d’appel 9a et de maintien 9b n’est pas utilisé de façon optimale.
Pour éviter les réouvertures de contact de la plaquette de contact, il est important d’avoir les forces électromagnétiques axiales s’exerçant sur le noyau mobile 3 les plus grandes possibles.
L’invention vise à remédier efficacement à ces inconvénients en proposant un contacteur électromagnétique de puissance, notamment pour un moteur électrique d’un démarreur de moteur à combustion interne, comportant :
- une culasse,
- un noyau mobile axialement entre une position de repos et une position finale, le noyau mobile étant de révolution autour d’un axe du contacteur, destiné à agir sur une plaquette de contact pour que ladite plaquette de contact puisse coopérer avec deux bornes électriques d’un circuit électrique de puissance et
- un noyau fixe par rapport à la culasse, le noyau fixe comprenant une portion transversale et une portion conique dans le prolongement de la portion transversale, la portion conique s’étendant en direction de la position de repos du noyau mobile,
caractérisé en ce que le noyau fixe présente un rétrécissement entre la portion transversale et la portion conique.
L’invention présentée permet d’allier les avantages des deux configurations de l’art antérieur décrites précédemment tout en réduisant leurs inconvénients. L’invention permet de « décoller » le noyau mobile lorsqu’il est en position de repos sans consommer trop de courant, tout en garantissant plus de force proche de la position finale pour un courant donné.
Le rétrécissement ne dégrade pas l’effet de la portion conique au niveau de la position de repos. Par un effet de saturation magnétique dans le rétrécissement, on diminue son effet néfaste au abord de la position finale.
Grâce à la saturation, les lignes de champs sont ré-aiguillées vers la portion transversale. Il y a moins de lignes de champ magnétique qui passent par la portion conique après insertion du rétrécissement, à iso-entrefer et courant.
L’insertion de ce « goulot » d’un point de vue magnétique permet de « shunter » la portion conique au abord de la position finale et ainsi récupérer plus de force axiale d’attraction et ainsi éviter au mieux les réouvertures de contact de la plaquette de contact.
Selon un aspect de l’invention, le rétrécissement peut présenter une section minimale inférieure à 3 mm, de préférence inférieure à 2 mm, de préférence encore inférieure à 1 mm. Le rétrécissement s’étend tout autour de l’axe du contacteur.
Selon un aspect de l’invention, la culasse et/ou le noyau mobile et/ou le noyau fixe sont tous métalliques, notamment formés d’un même métal.
Selon un aspect de l’invention, le noyau fixe peut être d’un seul tenant. En variante, la portion transversale et la portion conique peuvent être deux pièces distinctes assemblée ensemble, notamment au niveau du rétrécissement.
Selon un aspect de l’invention, la portion transversale peut être d’un seul tenant. En variante, la portion transversale peut être formée par plusieurs pièces assemblées.
Selon un aspect de l’invention, la portion transversale peut être un cylindre creux autour de l’axe du contacteur. La portion transversale peut être formée d’une pluralité de cylindre creux, par exemple deux, dont la hauteur axiale est différente, notamment croissante en rapprochement de l’axe du contacteur. La pluralité de cylindres, notamment les deux, peuvent être des pièces distinctes assemblées ensemble.
Selon un aspect de l’invention, un entrefer axial du contacteur est la distance axiale minimum entre la portion transversale et le noyau mobile. En position de repos, l’entrefer axial peut être supérieur à 12 mm, notamment à 13 mm.
Selon un aspect de l’invention, en position finale, l’entrefer peut être inférieur à 2,5 mm, notamment inférieur à 2 mm. L’entrefer en position finale peut être non nul, en particulier il peut être supérieur à 0,5 mm, notamment supérieur à 1 mm, notamment à 1,5 mm. Le fait que l’entrefer soit non nul est position finale permet d’éviter la transmission de l’énergie cinétique du noyau mobile aux bornes électriques via le carter. Cela peut provoquer des réouvertures du contact électrique entre la plaquette de contact et les bornes qui se traduisent par la création d'un arc électrique. De telles réouvertures endommagent les bornes et la plaquette de contact par arrachement de matière via un phénomène d'électroérosion et perturbent l’électronique du véhicule.
Selon un aspect de l’invention, la course du noyau mobile peut être supérieure à 8 mm, notamment supérieure à 10 mm. La course est la distance axiale entre la position de repos et la position finale. Une telle course permet de contrôler précisément la pression exercée par un ressort dent-dent, visible sur la , en cas de dent-dent. En effet deux paramètres jouent sur cette pression : La force exercée par le ressort ainsi que le bras de levier qui la transmet au pignon. Avec une grande course, on peut charger lentement le ressort en mettant une raideur plus faible. Au contraire avec une petite course, on doit avoir grand bras de levier et avoir un une raideur élevée, donc une charge de ressort moins maîtrisable.
Selon un aspect de l’invention, le noyau mobile peut recouvrir axialement la portion conique sur au moins 10 % de la course du noyau mobile, notamment sur au moins 20 % de la course du noyau mobile.
Selon un aspect de l’invention, la portion conique peut présenter une surface radialement intérieure cylindrique.
Selon un aspect de l’invention, la portion conique peut présenter une extrémité libre en direction de la position de repos. Cette extrémité libre peut être émoussée.
Selon un aspect de l’invention, le noyau mobile présente une extrémité libre axiale en regard de la portion transversale. Cette extrémité libre peut être plane, notamment normale à l’axe du contacteur.
Selon un aspect de l’invention, le contacteur prend comprendre un renfort non-métallique, par exemple en plastique, disposé contre le rétrécissement. Ce renfort permet de renforcer la liaison entre la portion transversale et la portion conique. Ce renfort peut être surmoulé sur le noyau fixe. Ce renfort peut être disposé dans des cavités entourant le rétrécissement.
L'invention a également pour objet un démarreur pour moteur thermique de véhicule automobile muni d'un contacteur électromagnétique de puissance tel que précédemment défini.
L’invention et ses différentes applications seront mieux comprises à la lecture de la description qui suit et à l’examen des figures qui l’accompagnent, parmi lesquelles :
la , déjà décrite, représente une vue en coupe longitudinale d’un contacteur électromagnétique selon l’état de la technique ;
la , déjà décrite, est une vue partielle en coupe longitudinale d’un contacteur électromagnétique illustrant un autre exemple de l’état technique ;
la , déjà décrite, est une représentation des lignes de champ magnétique du contacteur de la ;
la et la , déjà décrites, sont des représentations des lignes de champ magnétique du contacteur de la dans deux positions différentes;
la est une vue partielle en coupe longitudinale d’un contacteur électromagnétique selon l’invention ;
la est une représentation des lignes de champ magnétique du contacteur de la ;
la un graphe illustrant les effets de l’invention vis-à-vis de l’art antérieur de la ;
Les éléments identiques, similaires, ou analogues conservent la même référence d'une figure à l'autre.
Le contacteur 1 selon la présente invention présente donc toutes les éléments de celui de l’art antérieur présentés à la , à l’exception du noyau fixe dont les spécificités seront présentées en lien avec les figures 6 et 7.
Un exemple de démarreur selon l’invention est donc un démarreur connu de l’art antérieur avec le contacteur décrit à la .
Dans l’exemple considéré à la , le contacteur 1 comprend :
- une culasse 6,
- un noyau mobile 3 axialement entre une position de repos et une position finale, le noyau mobile étant de révolution autour d’un axe X du contacteur, destiné à agir sur une plaquette de contact 18 pour que ladite plaquette de contact puisse coopérer avec deux bornes électriques 19a, 19b d’un circuit électrique de puissance et
- un noyau fixe 2 par rapport à la culasse, le noyau fixe 2 comprenant une portion transversale 4 et une portion conique 7 dans le prolongement de la portion transversale, la portion conique s’étendant en direction de la position de repos du noyau mobile.
Le noyau fixe 2 est remarquable en ce qu’il présente un rétrécissement 8 entre la portion transversale 4 et la portion conique 7. Le noyau fixe est ici d’un seul tenant.
Dans l’exemple considéré, le rétrécissement peut présenter une section minimale inférieure à 3 mm, de préférence inférieure à 2 mm, de préférence encore inférieure à 1 mm. La section minimale se mesure dans un plan comprenant l’axe X, par exemple celui de la , entre les surfaces radialement intérieure et extérieure du noyau fixe 2, au niveau du rétrécissement.
Dans l’exemple considéré, le rétrécissement 8 s’étend tout autour de l’axe X. La section minimale du rétrécissement est constante lorsque l’on tourne autour de l’axe X.
Comme on l’observe sur la , la saturation du rétrécissement 8, les lignes de champs sont ré-aiguillées vers la portion transversale 4. Il y a moins de lignes de champ magnétique qui passent par la portion conique 7 à iso-entrefer et courant. L’insertion de ce « goulot » d’un point de vue magnétique permet de « shunter » la portion conique 7 au abord de la position finale et ainsi récupérer plus de force axiale d’attraction et ainsi éviter au mieux les réouvertures de contact de la plaquette de contact 18.
Dans l’exemple considéré, la culasse 6 et le noyau mobile 3 et le noyau fixe 2 sont métalliques en particulier formés d’un même métal.
Dans l’exemple considéré, la portion transversale 4 est un cylindre creux autour de l’axe X. La portion transversale 4 est ici formée par deux cylindres creux 20, 21 dont la hauteur axiale est différente. Le cylindre inférieur 21 présente une hauteur axiale plus importante que le cylindre supérieur 20.
Dans l’exemple considéré, la portion conique 7 présente une surface radialement intérieure 29 cylindrique et une extrémité libre 30 en direction de la position de repos, qui est ici émoussée.
Dans l’exemple considéré, le noyau mobile 3 présente une extrémité libre 31 axiale en regard de la portion transversale 4, notamment du cylindre inférieur 21. L’extrémité libre 31 du noyau mobile est plane et normale à l’axe X.
Dans l’exemple considéré, un entrefer axial D du contacteur 1 est la distance axiale minimum entre la portion transversale et le noyau mobile. En position de repos, l’entrefer axial peut être supérieur à 12 mm, notamment à 13 mm. En position finale, comme illustré sur la ou la , l’entrefer axial D peut être inférieur à 2,5 mm, notamment inférieur à 2 mm et supérieur à 0,5 mm, notamment supérieur à 1 mm, notamment à 1,5 mm.
Dans l’exemple considéré, la course du noyau mobile 3 peut être supérieure à 8 mm, notamment supérieure à 10 mm. La course est la distance axiale entre la position de repos et la position finale.
Dans l’exemple considéré, le noyau mobile 3 peut recouvrir axialement la portion conique 7 sur au moins 10 % de la course du noyau mobile, notamment sur au moins 20 % de la course du noyau mobile. Le noyau mobile 3 recouvre la portion conique 7 lorsque qu’il existe un plan normal à l’axe X qui coupe les deux pièces.
Il est illustré à la , l’effet du rétrécissement sur la force électromagnétique. Il est décrit, pour deux niveaux de courants, 10 A et 30A, l’évolution de la force électromagnétique (en Newton) en fonction de l’entrefer D (en mm). 30A correspond à l’ordre de grandeur de la somme du courant dans la bobine d’appel 9a et celle de maintien 9b avant conjonction. 10A correspond à l’ordre de grandeur du courant que l’on a dans la bobine de maintien 9b après conjonction (le courant dans la bobine d’appel 9a est nul durant cette phase).
Comme on peut le voir sur la , pour 30A, le gain en force électromagnétique est de +3,8% à 2 mm d’entrefer axial D et de 7,3% à 1 mm d’entrefer. Pour 10A, le gain est de 4,7% à 1 mm d’entrefer axial D.
Il est à noter que plus le rétrécissement 8 est petit plus le point de croisement entre les deux courbes associées à l’invention et à l’art antérieur arrivera à entrefer élevé. Il s’agit donc, d’avoir un « goulot » suffisamment petit pour que les effets soient visibles au niveau de la plage d’entrefer qui nous intéresse pour éviter les réouvertures, à savoir entre 0mm et 2mm. La section d’entrefer doit toutefois être suffisamment grand pour assurer la tenue mécanique du noyau fixe 2. D’où les valeurs de section décrite précédemment.
Bien entendu, la description qui précède a été donnée à titre d'exemple uniquement et ne limite pas le domaine de l'invention dont on ne sortirait pas en remplaçant les différents éléments par tous autres équivalents..
Claims (7)
- Contacteur (1) électromagnétique de puissance, notamment pour un moteur électrique d’un démarreur de moteur à combustion interne, comportant :
- une culasse (6),
- un noyau mobile (3) axialement entre une position de repos et une position finale, le noyau mobile (3) étant de révolution autour d’un axe (X) du contacteur, et
- un noyau fixe (2) par rapport à la culasse, le noyau fixe (2) comprenant une portion transversale (4) et une portion conique (7) dans le prolongement de la portion transversale, la portion conique (7) s’étendant en direction de la position de repos du noyau mobile (3),
caractérisé en ce que le noyau fixe (2) présente un rétrécissement (8) entre la portion transversale (4) et la portion conique (7).). - Contacteur (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que le rétrécissement (8) présente une section minimale inférieure à 3 mm, de préférence inférieure à 2 mm.
- Contacteur (1) selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le noyau fixe (2) est d’un seul tenant.
- Contacteur (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, la portion transversale (4) peut être formée d’une pluralité de cylindre (20, 21) creux, par exemple deux, dont la hauteur axiale est différente, notamment croissante en rapprochement de l’axe (X) du contacteur.
- Contacteur (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la course du noyau mobile (3) est supérieure à 8 mm, notamment supérieure à 10 mm.
- Contacteur (1) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le noyau mobile (3) recouvre axialement la portion conique (7) sur au moins 10 % de la course du noyau mobile, notamment sur au moins 20 % de la course du noyau mobile (3).
- Démarreur pour moteur thermique de véhicule automobile muni d'un contacteur électromagnétique de puissance (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes
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