WO2020165252A1 - Machine électrique synchrone polyphasée à commutateur mécanique - Google Patents

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WO2020165252A1
WO2020165252A1 PCT/EP2020/053605 EP2020053605W WO2020165252A1 WO 2020165252 A1 WO2020165252 A1 WO 2020165252A1 EP 2020053605 W EP2020053605 W EP 2020053605W WO 2020165252 A1 WO2020165252 A1 WO 2020165252A1
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WO
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blades
collector
rotor
blade
phases
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PCT/EP2020/053605
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English (en)
Inventor
Nicolas Labbe
Geoffrey DEVORNIQUE
Khadija El Baraka
Svetislav JUGOVIC
Julien FONTCHASTAGNER
Noureddine TAKORABET
Denis Netter
Yannick LE MEITOUR
Baptiste RISTAGNO
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Valeo Equipements Electriques Moteur
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    • H02K2213/03—Machines characterised by numerical values, ranges, mathematical expressions or similar information

Definitions

  • the present invention relates to a mechanical switch for supplying a rotating electrical machine with a polyphase current system.
  • the invention also relates to an electric machine equipped with such a switch for a motor vehicle.
  • 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.
  • the invention can thus advantageously be implemented in particular with low power four-wheel electric vehicles ("microcars" in English), two-wheeled vehicles of the motorcycle type, or heavy quadricycles.
  • This electrical machine outside the automotive field comprises an axial eccentric collector on which rubs flexible tabs supplied with direct current.
  • the machine also includes an eccentric rotor with a three-phase winding without iron.
  • the electric motor can therefore run at very high speed without torque. Due to the absence of iron, such a machine does not present torque or armature reaction and is therefore not suitable for automotive traction.
  • stator here the inductor
  • armature comprising conductors forming the rotor winding.
  • the armature comprises a mechanical collector provided with blades on which brushes rub to supply the armature with direct current.
  • the brush / collector assembly forms a mechanical switch which allows the mechanical self-piloting of the winding supply.
  • Each change in the angular position of the armature corresponds, thanks to the arrangement of the angular position of the blades and of the brushes, to a new supply of the winding.
  • the positioning of the brushes and of the collector is fixed by the angular position of the field poles.
  • Such a polyphase synchronous machine conventionally comprises a rotor
  • stator In alternator mode, when the rotor is rotating, it induces a voltage at 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 supplied and creates a rotating magnetic field and then a torque relative to the field poles, causing the rotor to rotate, for example to start the heat engine.
  • Such a machine conventionally comprises a shaft, integral with the rotor, a rear end of which carries slip rings belonging to a collector. Brushes are arranged so as to rub on the slip rings.
  • the brush holder is connected to a voltage regulator for use in alternator mode.
  • the stator comprises a body formed by a stack of thin sheets
  • 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 coil is electrically connected to an electronic assembly by an input and an output. Unlike direct current electric machines, the windings are open.
  • the electronic assembly includes electronic power modules for controlling the supply of the winding phases.
  • Switching here is electronic and requires semiconductor inverters.
  • 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 by means of different position sensors.
  • 6 inverter arms each with MOFSET are required, twice as many as in the case of a three-phase supply.
  • the position sensors can be Hall effect in the case of a synchronous machine with permanent magnets direct current ("BLDC" in English) whose power is toothed.
  • the position sensors can also be of the resolver type, more expensive than Hall effect sensors, in the case of a synchronous machine with magnets
  • the invention aims to effectively remedy this drawback by proposing a mechanical switch for an electrical machine capable of supplying power by a polyphase current system comprising q phases, with q positive integer strictly greater than 1, a rotating electrical machine rotor having 2 * magnetic poles, including:
  • the mechanical switch is characterized in that the collector
  • the mechanical switch is also characterized in that the brushes of the same pair are circumferentially offset from each other by
  • Such a switch allows the supply of electrical machines 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 eliminates the need for a rotor position sensor.
  • the angular offset between the brushes is from center to center, that is to say between the median planes of each brush.
  • a brush may have a substantially parallelepipedal shape.
  • the brushes can always be in contact with a blade.
  • a brush may include a radially inner cylindrical surface in contact with the collector, in particular with the blades.
  • the number of pairs of brushes is between 1 and p.
  • the number of pairs of brushes may be equal to one or two for a machine with two pairs of poles. All pairs of brushes rub on the same blades. According to the invention, the number of palaces is therefore even.
  • the brushes can rub in a radial direction on the collector.
  • the switch is then said to be radial.
  • the friction can be established in the axial direction
  • the manifold may be cylindrical.
  • the friction surface between the brushes and the collector is cylindrical.
  • the collector is bladed, that is, it is not printed.
  • the manifold includes a fan.
  • the fan may be made of a material
  • the fan may be in action.
  • the fan can be reaction.
  • the fan can be arranged axially next to the blades.
  • the fan can be one piece.
  • the fan may include a plurality of blades.
  • the number of blades can be between 2 and 16, in particular 8, in particular 6 or 10 blades.
  • the blades can be evenly distributed circumferentially.
  • the blades can be distributed unevenly, for example from logarithmically. Uneven or variable space can make the system quieter.
  • the blades can be curved.
  • the blades can be curved so that the air circulates inwards.
  • the blades can be curved so that the air circulates outwards.
  • the blades can extend radially to the radial height of the blades.
  • the blades can all be one piece.
  • the blades can be separate pieces from each other.
  • the collector can include a plurality of capacitors, each capacitor being mounted between two separate groups of blades.
  • collector and the electrical machine in which it can be integrated have better durability and improved efficiency.
  • the capacitors can be arranged axially on the opposite side to that of the fan.
  • the blades are therefore arranged between the capacitors and the fan. This allows for more positioning latitude for each of the two functions.
  • the fan and the capacitors can be on the same axial side with respect to the blades.
  • At least one capacitor is mounted between two separate groups of blades.
  • the collector includes at least q
  • each capacitor comprises two
  • armatures separated by a polarizable insulator.
  • the two plates of the same capacitor are electrically connected to two separate groups of blades.
  • the frames can be directly attached to the boards. Even though capacitors connect two groups of blades, the polarizable insulator makes it possible to respect the electrical insulation between the blades.
  • a single capacitor is provided between two separate groups of blades.
  • a plurality of capacitors can be provided between two groups of distinct blades. This plurality of capacitors can be arranged in series or in parallel between two groups of blades.
  • the capacitors can be identical. Each capacitor may have a substantially parallelepipedal shape.
  • Each capacitor can have an electrical capacity of between 1 and 100 microfarads, for example 25 pF, for example 50 pF. When several capacitors are connected in series or in parallel between two groups of distinct blades, the equivalent capacity is between 1 and 100 microfarads.
  • Each capacitor may include a housing encapsulating the insulation
  • all or part of the capacitors are axially offset from the blades. There is a plane normal to the axis of rotation that intersects the capacitors without cutting a blade.
  • the collector only comprises q capacitors. There is only one capacitor between each group of blades. The reduction of current discontinuities is obtained by a minimum number of capacitors.
  • the collector comprises at least one capacitor between two blades of groups of different groups successive circumferentially.
  • the collector then comprises at least p * q capacitors, in particular only p * q capacitors.
  • each capacitor can be fixed on an axially oriented finger of one of the blades.
  • the capacitor plates can be fixed directly to the fingers, in particular by soldering. Capacitors can only be attached to the fingers.
  • the capacitors can all be arranged in a given angular sector, in particular less than 90 °, in particular less than 45 °.
  • the capacitors can be arranged regularly over the entire circumference of the collector. The capacitors can all be circumferentially offset from each other.
  • the capacitors can be at the same radial level as the blades. Alternatively, the capacitors can be arranged radially closer to the axis than the blades. The capacitors can be arranged one above the other.
  • the capacitors can all be of a
  • the collector may include a protective element for the capacitors.
  • This protective element can be in one piece.
  • This protection element may include several cavities receiving the capacitors. Alternatively, a single continuous circular cavity can receive the capacitors.
  • the protection element can be formed of as many protective portions, distinct from each other, as there are capacitors.
  • the fan and the protective element are [50] According to one aspect of the invention, the fan and the protective element
  • the collector has p * q passages from one type of blade to another.
  • the collector can include as many changes from one type of blade to another as there are capacitors in the second embodiment of the latter.
  • the collector may have an electrical pattern
  • 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 axially offset.
  • the blades can be copper.
  • the slats can have a radial thickness included between 1mm and 3mm, for example 2mm. This thickness makes it possible to reduce the volume density of the current in the blades.
  • the blades can have an axial dimension between 8mm and 12mm, for example 10mm.
  • the collector has a single circumferential arrangement of conductive plates around the axis.
  • the manifold comprises a skeleton, of
  • the skeleton can be made of an electrically insulating material, for example plastic.
  • the skeleton can be in one piece.
  • the skeleton can include radial openings, in particular n * 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 manifold may include a sleeve disposed in the central opening of the skeleton and capable of being integral with the rotor shaft. The sleeve is fixed relative to the skeleton. The sleeve is more rigid than the skeleton so as to strengthen the connection between the collector and the rotor shaft.
  • the capacitors can be attached to the skeleton.
  • the capacitor housings can be attached to an axially oriented face of the skeleton.
  • the ventilator may be integral with the skeleton.
  • each pale can be attached to the skeleton.
  • the ventilator can be integral and attached to the skeleton.
  • q can be equal to 3.
  • the switch is thus able to supply an electrical machine according to a three-phase current system.
  • the friction zone between the brushes and the blades may be at a radial distance from the axis of between 20 mm and 45 mm, in particular 25 mm, in particular 35 mm.
  • an angular sector on which a given part is defined is the smallest sector which comprises the given part in a plane perpendicular to the axis of the machine.
  • the blades of the same group can all be electrically connected to a ring disposed radially inside the blades.
  • each of the q capacitors can be placed between two separate rings.
  • Such a ring makes it possible to mutualize the electrical connections between the blades of the same group, which simplifies the manufacture of the switch. As requested, the brushes do not rub on the rings but on the blades.
  • a bridge can be provided between each blade and the associated ring.
  • the bridges extend radially from the ring, in particular 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 outwards to come into electrical contact with the brushes.
  • the blades of the same group, the bridges and the ring form a one-piece ring.
  • the ring and the ring associated with the blades of group q are said to be of type q.
  • a bridge is associated with a single blade.
  • a bridge can be shared by several blades, for example two.
  • the collector comprises q link arms, each being integral with a ring, in particular by welding.
  • Each arm has a free end capable of being connected to one phase, or to several phases, of the rotor winding in order to supply it or feed it.
  • Each connecting arm opens, in particular radially, from the skeleton of the collector through a radial hole made in the skeleton.
  • the capacitors are connected to the link arms of the q groups of blades.
  • the capacitors can be arranged on the same axial side as the link arms with respect to the blades.
  • Each frame can be directly attached to a free end of the link arm.
  • each reinforcement can be fixed by means of a connecting piece, for example a metal wire, for example a piece of metal conductor.
  • the rings of each group can follow one another axially.
  • bridges of the same type q are offset from bridges of other types.
  • the rings can be axially distributed over an axial length of the blade.
  • the bridges can be connected to a central area of the blades or to one end thereof.
  • the collector comprises three rings, a central one and two ends surrounding the central ring.
  • the bridges associated with the central ring are axially connected to the center of the blades and the bridges associated with the end rings are connected at corners of the blades.
  • the rings can be concentric.
  • each blade can be separated from the two adjacent blades by an inter-blade.
  • the inter-blade is defined to prevent circumferential contact between two successive blades.
  • the inter-blades can all have the same angular opening.
  • each blade can thus be equal, in radians, to
  • the angular opening of an inter-blade is less than the angular opening of one of the blades.
  • the angular opening of an inter-blade may be greater than the angular opening of one of the blades.
  • circumferential 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.
  • This dimension of the inter-blades makes it possible to avoid electric arcs between the adjacent blades while leaving sufficient space for the blades which simplifies the fabrication of the skeleton.
  • This inter-blade dimension can also allow the continuity of the friction between the brushes and the blades.
  • 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 observed.
  • the angular opening of the slats can be identical to the angular opening of the inter-slats.
  • Each blade and each inter-blade each extend over 2 * TT / (2 * p * q).
  • the interblade can be insulating.
  • the inter-blade can be an empty space between two successive blades.
  • the inter-blade may include a non-conductive protuberance, in particular formed by the skeleton.
  • one of the inter-blades in particular each inter-blade, may include an isolated blade.
  • the insulated blade is not electrically connected to any other blade.
  • the isolated blade is not connected
  • the blade is said to be insulated in opposition to the conductive blades, electrically connected, which form the q groups.
  • the inter-blades can be connected together forming a group of insulated blades under the same electrical potential conditions.
  • the insulated blades can be fixed on an inter-blade ring.
  • the inter-leaf ring can be arranged in the interior space of the skeleton.
  • the inter-leaf ring may be radially outside the q-type rings.
  • Insulated blades have a foot inserted into an opening in the inter-blade ring for securing the insulated blade.
  • the inter-leaf ring may include windows for the passage of the bridges between the leaves of one of the q groups and the associated ring.
  • the insulated blade is separated from the conductive blades by interstices. The gaps can be between 1mm and 5mm in the circumferential direction.
  • the insulated blades are received in radial openings.
  • the collector can then comprise 2 * n * p * q blades, the conductive blades being alternating with the insulated blades.
  • the insulated blades are at floating potential.
  • 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.
  • the insulated blades ensure a uniform contact between the collector and the brushes. Indeed the brushes rub almost continuously on the blades, isolated or conductive.
  • the angular opening of each brush is
  • 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.
  • the coverage rate can 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 collector.
  • the recovery rate can be between 10% and 55%.
  • This recovery rate makes it possible to supply the rotor according to a polyphase current system, for example square waves, for example quasi-sinusoidal while maintaining the current of the voltage source at a non-zero mean value, of the same sign of current during time.
  • the recovery is the period during which a given broom is in contact with two blades of different groups. During this overlap, the brush can thus feed two distinct groups of blades simultaneously.
  • the simultaneous supply of two groups of blades for the same brush influences the form of a polyphase current system. The waveform of each phase is changed.
  • the opening of the brushes can be chosen to get different form of current system. For a given collector, there can therefore be several current systems.
  • the armature reaction is taken into account when defining the angular offset between the brushes. There is a risk of dissymmetry a case of angular offset different from that defined in the present invention
  • the armature reaction is also taken into account when characterizing the recovery rate.
  • the armature reaction is a function of the current system, itself a function of the recovery rate.
  • the recovery rate will not be defined in the same way in the case of a machine that produces torque as in the case of a machine that without iron, not seeking to produce torque.
  • the induced reaction is significantly different.
  • the invention also relates to a mechanical switch for
  • a rotating electrical machine rotor having 2 * magnetic poles comprising:
  • each blade being defined on an angular sector, the adjacent blades being isolated from each other, the blades being distributed in q groups, all the blades of the same group being electrically connected together, the q groups being alternated circumferentially, and in that the collector comprises a fan. [95] Everything that has been said with reference to the fan also applies to this part of the invention.
  • the invention also relates to a mechanical switch for
  • a rotating electrical machine rotor having 2 * magnetic poles comprising:
  • each blade being defined on an angular sector, the adjacent blades being isolated from each other, the blades being distributed in q groups, all the blades of the same group being electrically connected together, the q groups being alternated circumferentially, and in that the collector comprises a plurality of capacitors, each capacitor being mounted between two groups of distinct blades.
  • the invention also relates to an electric machine which comprises:
  • a rotor shaft i. a rotor shaft, and ii. a rotor body comprising:
  • the winding being divided into q phases supplied by the switch, the phases comprising winding sections housed in the notches, the sections of each phase following one another circumferentially, each phase having two ends.
  • Such a polyphase synchronous electric machine is economical because it avoids an expensive electronic assembly for the alternating current supply of the multiple phases of the machine from a direct current.
  • the plate pack is particularly important for propulsion applications. Without it, the machine could not produce the desired torque. However, the armature reaction must be taken into account when defining the switch.
  • the commutator in particular by the overlap rate and angular offset parameters of the brushes as defined above, makes it possible to obtain a machine which produces torque and which does not vibrate. Vibrations are particularly harmful in automotive vehicle propulsion applications.
  • the rotor is cylindrical.
  • Such a machine is particularly remarkable in that the rotor is supplied according to a polyphase current system and in that the stator is supplied with direct current.
  • the rotor and the stator get their voltage and their current from a voltage source, for example the accumulator battery, so in direct and not in alternating.
  • 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, they are the groups of blades which are connected to the q phases of the rotor. [105] According to one aspect of the invention, the fan can be arranged axially on the side of the rotor body.
  • the ventilator can expand, at least by
  • the fan can extend radially between the rotor shaft and the rotor body. This helps to stir the air inside the rotor body and cool the winding.
  • the capacitors are axially on the side opposite the rotor body, particularly when they are directly attached to the blades.
  • the machine can have a number of pairs of poles between 1 and 12.
  • the machine can have 6 pairs of magnetic poles or 6 pairs of magnetic poles.
  • the integer m here is the number of notches per pole and per phase, for example one, for example two.
  • each phase may have a unique
  • Each phase can have multiple conductors assembled together outside of the notches.
  • These conductors can be pins, for example U-shaped, for example I-shaped. These pins can be inserted axially and then connected together. The pins allow better performance, especially in terms of engine torque.
  • the number of notches can be one
  • each plate is aligned with a median plane which equally separates the m notches of a q phases of one of the poles which follow one another.
  • the phases of the winding can be connected to the blades of the collector, in particular to the collector rings, by means of the link arms.
  • the brushes can be aligned
  • stator poles axially with the stator poles.
  • the stator can be clawed.
  • the stator can include a winding, claws and inter-pole magnets, in particular made of ferrite which is a cheap material.
  • the inter-polar magnets can also be made of Neodymium-Iron-boron to benefit from a
  • the stator may comprise a yoke equipped with several electromagnets distributed circumferentially.
  • the stator is able to be connected to the voltage source, in particular to the vehicle battery.
  • the stator may include a cylinder head fitted with one or
  • the electrical machine may also include a fixed rotating brush holder assembly in which the switch brushes are housed.
  • the brush holder can surround the collector.
  • the electric machine may include a fixed rotating casing.
  • the housing can surround the assembly of the stator, rotor and commutator.
  • the housing can be in two parts, a front and a rear.
  • the brush holder can be attached to the rear part of the housing.
  • the stator can be fixed on the front part of the housing.
  • the manifold can be fixed in rotation on the rotor shaft, in particular the manifold sleeve can be press-fitted.
  • the manifold can be reversibly mounted on the rotor shaft.
  • Running gear can be disposed between the rotor shaft and the housing to support the rotor.
  • 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 coil.
  • the recovery rate when the coil is in the first mode, can be between 10% and 50%.
  • the system currents are of the square type.
  • the currents of the system are of the sinusoidal or quasi-sinusoidal type.
  • harmonics of the signal up to harmonic 15 are all less than 12%, in particular 10%, in particular 8% of the value of the fundamental.
  • q is equal to three, the switch 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 on one end of one of the three link arms.
  • each phase can be connected to a link arm.
  • Each group of blades can supply a single phase of the q, in particular three, phases of the rotor.
  • the collector may also include a connector capable of electrically connecting the ends of the phases of the winding together.
  • the connector can be disposed circumferentially next to the free ends of the link arms.
  • the connector can open radially from the skeleton.
  • the connector comprises q ends, in particular three, for each to receive each of the phase ends.
  • 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.
  • each phase of the rotor can be any phase of the rotor.
  • 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.
  • the invention is also for a traction system for a transport vehicle comprising:
  • the transport unit can be a vehicle, in particular a motor vehicle.
  • the transport device can be an autonomous vehicle for delivering objects, in particular with wheels, in particular with propellers, for example a device of the "drone" type or
  • the chopper is used to adjust the voltage and thus the power variator function.
  • the chopper is not here an inverter which allows the generation of sinusoidal current signals.
  • a rheostat can be provided in place of the chopper which makes it possible to completely extract the power electronics for supplying the electrical machine.
  • the invention can also relate to an alternator comprising the electric machine.
  • the invention may also relate to a system comprising the electric machine capable of operating in engine mode and in alternator mode.
  • Figure 8 illustrates a variant of the collector described in [ Figure 5] in which the capacitors are in a first embodiment.
  • Figure 1 1 schematically illustrates the blades of the collector of Figure 9.
  • Figure 12 schematically illustrates a variant of the switch of Figures 9 to 11.
  • Figure 15 illustrates a ring of the manifold of Figure 13.
  • FIG. 1 There is schematically shown in Figure 1, in section, an electric machine 1.
  • the machine 1 is suitable for equipping a traction system for a transport vehicle, in particular a motor vehicle.
  • the machine comprises a rotor 3 movable in rotation about the axis X of rotation of the machine and a stator 4 fixed in rotation comprising 2 * magnetic poles.
  • the rotor forms the armature and the stator forms the inductor of the machine.
  • 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 force-fitted.
  • the rotor 3 comprises a rotor shaft 10 and a rotor body 11.
  • a front bearing 13 and a rear bearing 14 are
  • the rotor shaft 10 is mounted to rotate with respect to the housing 5, for example by means of rolling members mounted on the bearings 13, 14.
  • the rotor 3 comprises a first drive member 20
  • first drive member 20 are provided.
  • the drive members 20, 21 are pulleys and the element 22 transmitting the movement is a belt.
  • the rotor shaft can therefore be rotated by the rotational movement of the pulley 20.
  • the pulley 20 is disposed on a first end of the shaft 14, called the front end.
  • the shaft 14 has a second end, called the rear end, opposite to the front end.
  • the stator 4 can be a claw stator.
  • a stator can comprise two pole wheels in the form of annular flanges arranged transversely with respect to the rotor shaft 10.
  • Each pole wheel can comprise on its outer periphery teeth in form of claws extending in a direction substantially parallel to the X axis.
  • the teeth of one of the pole wheels are angularly offset with respect to the teeth of the other pole wheel so that the teeth of the two pole wheels alternately enter each other.
  • the stator 4 also includes an excitation coil 24 mounted between the pole wheels. Magnets
  • the excitation winding is supplied with a
  • the rotor body 11 comprises a bundle of sheets, made of ferromagnetic material, comprising sheets stacked axially.
  • the sheet package has (2 * p) * m * q axial extension slots.
  • the rotor body 11 also comprises at least one winding 30, the winding being distributed in q phases.
  • the phases comprise winding sections 31 housed in the notches, the sections of each phase succeeding one another circumferentially.
  • Each phase has two ends 32.
  • the notches are separated from each other by rotor body teeth.
  • the rotor 3 is therefore supplied according to a three-phase current system.
  • the phases of winding 30 can be connected in star or in
  • the rotor has three phases a, b, c connected in a triangle, as illustrated in FIG. 2.
  • each sheet may have an annular shape and include grooves arranged radially.
  • the notches of the stacked sheets form the sheet bundle notches extending in a direction substantially parallel to the X axis.
  • each phase a, b, c can have a single conductor forming the different winding sections.
  • buns 35 formed by the coil 30 are arranged on either side of the packet of sheets.
  • the machine 1 according to the example considered is particularly noteworthy in that it comprises a mechanical switch 40 to supply the q phases of rotor 3.
  • the mechanical switch therefore supplies power.
  • rotor 3 with a three-phase current system.
  • Switch 40 is located inside the housing.
  • the switch 40 comprises a manifold 41 movable in rotation about the axis X.
  • the manifold will be described in more detail with reference to Figures 3 to 14.
  • the manifold 41 is fixed in rotation on the rotor shaft 10 and together with rotor 3 forms the armature of machine 1.
  • the switch 40 also comprises at least one pair of radial extension brushes, a positive brush 45 and a negative brush 46, able to rub on the collector 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.
  • a chopper 48 is disposed between the brushes 45, 46 and the terminal B + of the battery B to adjust the voltage and act as a voltage variator.
  • the brushes 45, 46 have a substantially parallelepipedal shape. Each brush has a radially inner cylindrical surface in contact with the collector 41.
  • 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 housing, in particular to the rear part 5b of the housing.
  • the brush holder can be fixed on the rear bearing 14 or directly on the cylinder head of the stator.
  • Figures 3 and 4 show the switch 40 and the rotor winding 30 unwound.
  • the collector 41 comprises n * p * q blades
  • 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.
  • the collector 41 has an elementary pattern of blades which is repeated p times, here two.
  • the elementary pattern of blades is here: blade of group a ', blade of group b' and blade of group c '.
  • the collector 41 has p * q passages, here 6, from one type of blade to another.
  • the type of a blade is defined by membership in a group.
  • the collector thus presents an elementary pattern equal to 2 * TT / (p * q), ie TT / 3 OR again 60 °.
  • 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 rotor 3.
  • the other ends 32 of the three phases are electrically connected together so as to form a star coil.
  • the rotor may have two notches per
  • Each of the six manifold blades is aligned with a rotor body tooth.
  • Each of the notches in which a section belonging to a phase of type q is housed is axially aligned with a blade of the collector 41 of the same type.
  • all the blades all have the same angular sector and the same axial dimension.
  • all the blades 60 are identical and are not axially offset.
  • the blades 60 can be made of copper.
  • the blades 60 may have a radial thickness of between 1 mm and 3mm, for example 2mm.
  • the blades can have an axial dimension between 8mm and 12mm, for example 10mm.
  • the switch comprises a single pair of brushes 45, 46 still 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
  • the brushes can therefore be offset by an angle of TT / 2 OR 3TT / 2, here the brushes 45, 46 are offset by TT / 2.
  • 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.
  • each blade 60 is separated from the two adjacent blades 60 by an insulating inter-blade 62.
  • the angular opening of each interblade 62 is identical.
  • each blade 45, 46 is greater than the angular opening of the inter-blades 62.
  • each blade is always in contact with at least one blade and with two blades during the recovery phases.
  • Figure 7 illustrates an armature of machine 1 whose collector is described in detail in Figures 5 and 6.
  • the phases of the winding are connected in a star.
  • Figure 5 shows the groups of blades a ’, b’, c ’of collector 41.
  • FIG. 6 represents the complete collector with in particular a skeleton 65 of the visible collector.
  • the blades 60 of the same group a ', b', c ' are all electrically connected to a ring disposed radially inside the blades.
  • the collector comprises a ring of type a 70 for connecting together the blades 60 of group a ', a ring of type b 71 and a ring of type c 72.
  • the rings 70, 71, 72 follow one another axially.
  • the type b bushing is central and the type a and type c bushes are end points.
  • the rings are axially distributed over an axial length of the blade 60.
  • 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 offset axial.
  • the bridges 75 of the central b-type ring 71 are connected to a central area of the blades 60.
  • the bridges 75 of the end rings 70, 72 are connected to corners of the blades 60.
  • the bridges and rings are in an interior space of the skeleton 65 while the blades 60 are flush outwardly to come into electrical contact with the brushes.
  • the blades 60 of the same group a ’, b’, c ’, the bridges 75 and the ring 70, 71, 72 form a one-piece ring.
  • the skeleton 65 made of insulating material, for example plastic, of revolution about the X axis to hold the blades 60 in position.
  • the skeleton is substantially cylindrical in shape.
  • the skeleton 65 is here in one piece.
  • the skeleton includes fifteen radial openings 67 receiving the blades 60.
  • the skeleton includes a central opening 68 receiving the rotor shaft 10.
  • the manifold 41 also includes a central hub 69 for the passage of the rotor shaft.
  • the skeleton is fixed on the central hub, for example overmolded on the central hub 69.
  • the collector 41 comprises three link arms 80, each being integral with one of the rings 70, 71, 72.
  • Each link arm comprises a portion made integral with the rings and a portion comprising the free end 81. The two portions are fixed to one another, for example by welding.
  • Each free end 81 is connected to a phase of winding a, b, c to supply it.
  • Each link arm 80 opens
  • Each group of blades a ’, b’, c ’thus feeds a single phase of the 3 phases of the rotor.
  • the collector 41 also includes a
  • the connector 90 for electrically connecting together the ends 32 of phases a, b, c.
  • the connector 90 also includes link arms which alternate with the link arms integral with the rings.
  • the connector 90 opens out radially from the skeleton 65.
  • the connector comprises three ends 91, each to receive each of the phase ends 32.
  • each phase a, b, c comprises one end 32 connected to a link arm 80 and one end connected to the connector 90.
  • the collector 41 also comprises fifteen
  • each plate is associated with only a single capacitor.
  • the capacitors 100 can all be
  • Each capacitor 100 has a substantially parallelepipedal shape. Each capacitor comprises two plates 101 separated by a polarizable insulator. Each capacitor 100 includes a housing 102 encapsulating the polarizable insulation and part of the armatures.
  • each capacitor 100 may have an electrical capacity of between 1 and 100 microfarads, for example 20 microfarads.
  • the capacitors 100 are all on the same axial side with respect to the blades 60. Each capacitor 100 is directly attached to a finger 103 of axial orientation of one of the blades 60.
  • the armatures 101 can be attached directly to the fingers, in particular by welding.
  • the capacitors are all at the same radial level as the blades 60.
  • the collector also includes a protective element 110 of the capacitors.
  • This protective element is here in one piece and comprises several cavities 1 1 1 each receiving one of the
  • the collector 41 also includes a
  • the fan 115 in one piece and made of an insulating material, in particular plastic.
  • the fan is integral with the skeleton 65.
  • the fan 1 15 comprises eight blades 1 16 regularly distributed circumferentially.
  • the blades 1 16 are here curved and they deploy radially up to the height of the blades.
  • the fan 115 is arranged axially next to the blades, on the opposite side to that of the capacitors 100.
  • the blades 60 are therefore arranged between the capacitors 100 and the fan 115.
  • the capacitors 100 are axially on the side opposite to the rotor body 1 1 while the fan 1 15 is disposed axially on the side of the rotor body 1 1.
  • the fan extends, at least in part, in an interior space of the rotor body 11.
  • the fan 115 extends radially between the rotor shaft and the rotor body.
  • the capacitors are in a different embodiment. Only three capacitors are provided, each one is mounted between two groups of separate blades.
  • the housings 102 of the capacitors are fixed on an axially oriented face of the skeleton, preferably opposite the rotor body 11.
  • the capacitors 100 are connected to the link arms 80 of the q groups of blades 60.
  • Each armature 101 is fixed here by means of a link piece 1 18, for example a metal wire low resistance, for example a copper wafer.
  • the capacitors 100 are all arranged in a given angular sector, in particular less than 90 °, in particular less than 45 ° and they are arranged one above the other radially closer to the axis than the blades 60.
  • the collector therefore has an elementary pattern equal to 2 * TT / (p * q), that is to say TT / 1 2 OR again 15 °.
  • each inter-blade 62 includes an insulated blade 63 which is not electrically connected to any other blade.
  • the blades 63 are said to be insulated in opposition to the 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 direction
  • the angular opening of the insulated blades 63 is between 40% and 50% of the angular opening of the conductive blades 60.
  • the collector comprises 48 blades, 24 blades
  • the collector 41 has p * q passages, here 24
  • the collector 41 has an elementary pattern of blades which is repeated p times, here eight times.
  • the elementary pattern of blades is here: blade of group a ', blade of group a', blade of group b ', blade of group b', blade of group c 'and blade of group c' (a ', b', vs').
  • the skeleton 65 holds the blades 60, 63 in
  • the skeleton is substantially cylindrical in shape.
  • the 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 manifold 41 also comprises a central hub 69. for the passage of the rotor shaft.
  • the skeleton is fixed on the central hub, for example overmolded on the central hub 69.
  • FIG. 10 is an exploded view of the collector of Figure 9.
  • the insulated blades are fixed to a ring
  • the inter-leaf ring 73 includes windows 76 for the passage of bridges 75 between the blades 60 of group b and the ring 72 which is in the central position.
  • the bridges 75 of the b-type ring 78 pass through the interblade ring 73.
  • Figure 11 shows in section the conductive blades 60 of the collector 41.
  • the angular opening b of the inter-blades 62 is
  • An elementary pattern of the collector is a plate followed by an inter-plate, the elementary pattern of the collector is equal to 15 °.
  • the elementary pattern of the collector is always equal to 15 ° but the sizes of the blades 60 and of the inter-blades 62 are different.
  • the opening of the inter-blades a is equal to 20% of the elementary pattern, i.e. 3 °, in that the opening of the brushes q is equal to 45% of the elementary pattern, i.e. 6.75 °, and in that l 'opening of the blades b is equal to 80% of the elementary pattern of the collector, i.e. 12 °
  • the switch 40 comprises a single pair of brushes 45, 46 still in contact with the blades 60.
  • the brushes of the pair are a single pair of brushes 45, 46 still in contact with the blades 60. The brushes of the pair
  • each brush 45, 46 therefore has overlap periods during which it is in contact with two blades 60 of different groups a, b, c.
  • the collector 41 has p * q passages, here 18, from one type of blade to another.
  • the type of a blade is defined by membership in a group.
  • the collector 41 has an elementary pattern of blades which is repeated p times, here eight times.
  • the elementary motif is here: blade of group a ', blade of group a', blade of group b ', blade of group b', blade of group c 'and blade of group c' (a ', a', b ' , b ', c', c ').
  • the collector 41 thus presents an elementary pattern equal to 2 * TT / (p * q), ie TT / 9 OR again 20 °.
  • a bridge 75 is associated with a single blade.
  • n 2 and two blades of the same type follow one another circumferentially, a bridge can be shared by the two blades.
  • the angular opening of the inter-blades 62 is equal to that of the blades.
  • the angular opening of each blade and each inter-blade is equal to 5 degrees, ie 2 * TT / 72.
  • FIG. 15 represents the central ring 78 associated with the group of blades b.
  • Figures 16 and 17 show the switch 40 and the rotor winding 30 unwound.
  • each phase a, b, c is connected to two
  • the collector 41 has p * q passages, here 18, from one type of blade to another.
  • the collector 40 has an elementary pattern of blades which is repeated p times, here 6.
  • the elementary pattern is here: blade of group a ', blade of group b' and blade of group c '(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 only comprises 3 link 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 link arms 80 and each link arm 80 is connected to two phases of the coil.
  • the potential is identical at the two ends 32 of each phase a, b, c.
  • the recovery rate according to this variant can be between 10% and 55%.

Landscapes

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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, comprenant : - un collecteur (41) mobile en rotation autour d'un axe (X) de la machine électrique (X), de motif élémentaire égal à 2*π/(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 source de tension, notamment une batterie (B) de véhicule, caractérisé en ce que le collecteur (41) mécanique comprend n*p*q, avec notamment n = 1 ou n=2, 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 étant circonférentiellement décalés l'un de l'autre de [(2k+1)*2*π]/(2*p)], k étant un entier naturel

Description

Description
Titre de l'invention : Machine électrique synchrone
polyphasée à commutateur mécanique
[1 ] 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.
[2] 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.
[3] L'invention pourra ainsi avantageusement être mise en oeuvre 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.
[4] Il est connu du document EP 1037362 A2, un moteur électrique allégé pour
produire des vibrations. Cette machine électrique hors du domaine automobile comporte un collecteur excentrique axial sur lequel frotte des languettes flexibles alimentées en courant continu. La machine comprend également un rotor excentrique comportant un bobinage triphasé sans fer. Le moteur électrique peut donc tourner à très haute vitesse sans couple. De par l’absence de fer, une telle machine ne présente pas de couple ni de réaction d’induit est n’est donc pas apte à la traction automobile.
[5] 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. [6] 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.
[7] 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 entraîne une usure excessive des balais. Par ailleurs, les performances de telles machines sont insuffisantes pour une application dans la chaîne de traction de véhicule automobile en comparaison aux machines électriques tournantes synchrones polyphasées, notamment triphasées, à courant alternatif synchrone.
[8] 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.
[9] 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.
[10] 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 phase 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 phase 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.
[1 1 ] 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.
[12] 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.
[13] 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. [14] 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 magnétiques, comprenant :
- un collecteur mobile en rotation autour d’un axe de la machine
électrique, de motif élémentaire égal à 2*TT/(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,
[15] Le commutateur mécanique est caractérisé en ce que le collecteur
mécanique comprend n*p*q, avec n entier, avec notamment n=1 ou n=2, 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,
[16] 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*TT]/(2*p)], k étant un entier naturel.
[17] 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.
[18] 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.
[19] 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.
[20] Selon un aspect de l’invention, le nombre de paires de balais est compris entre 1 et 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. Toutes les paires de balais frottent sur les mêmes lames. Selon l’invention, le nombre de palais est donc pair.
[21 ] Selon un aspect de l’invention, les balais peuvent frotter selon une direction radiale sur le collecteur. Le commutateur est alors dit radial. En variante, le frottement peut s’établir dans la direction axiale
[22] Selon un aspect de l’invention, le collecteur peut être cylindrique. La surface de frottement entre les balais et le collecteur est cylindrique.
[23] Selon un aspect de l’invention, le collecteur est à lames, c’est-à-dire qu’il n’est pas imprimé.
[24] Selon un aspect de l’invention, le collecteur comprend un ventilateur.
[25] La présence du ventilateur permet de créer un flux d’air permettant d’évacuer l’air chaud et ainsi de refroidir le collecteur lui-même et son environnement.
[26] Selon un aspect de l’invention, le ventilateur peut être fait d’un matériau
isolant, notamment fait en plastique.
[27] Selon un aspect de l’invention, le ventilateur peut être à action. En variante, le ventilateur peut être à réaction.
[28] Selon un aspect de l’invention, le ventilateur peut être disposé axialement à côté des lames. Le ventilateur peut être d’un seul tenant.
[29] Selon un aspect de l’invention, le ventilateur peut comprendre une pluralité de pâles. Le nombre de pâles peut être compris entre 2 et 16, notamment 8, notamment 6 ou 10 pâles.
[30] Les pâles peuvent être régulièrement réparties circonférentiellement. En
variante, les pâles peuvent distribués de façon non régulière par exemple de manière logarithmique. Un espace non régulier ou variable peut rendre le système plus silencieux.
[31 ] Les pâles peuvent être incurvées. Les pâles peuvent être incurvées de sorte à faire circuler l’air vers l’intérieur. En variante, les pâles peuvent être incurvées de sorte à faire circuler l’air vers l’extérieur. Les pales peuvent se déployer radialement jusqu’à la hauteur radiale des lames. Les pâles peuvent toutes être d’un seul tenant. Les pâles peuvent être des pièces distinctes les unes des autres.
[32] Selon un aspect de l’invention, le collecteur peut comprendre une pluralité de condensateurs, chaque condensateur étant monté entre deux groupes de lames distincts.
[33] La présence des condensateurs permet de réduire les discontinuités de
courant lors des commutations. Ainsi le collecteur et la machine électrique dans laquelle il peut être intégré présentent une meilleure durabilité et un rendement amélioré.
[34] Au sens de la demande, l’isolation des lames adjacentes se comprend dans la direction circonférentielle. Des lames directement adjacentes peuvent appartenir à un même groupe de lames tout en étant isolées électriquement l’une de l’autre sans sortir du cadre de l’invention.
[35] Les condensateurs peuvent être disposés axialement du côté opposé à celui du ventilateur. Les lames sont donc disposées entre les condensateurs et le ventilateur. Cela permet de disposer de plus de latitude de positionnement pour chacune des deux fonctions. En variante, le ventilateur et les condensateurs peuvent être d’un même côté axial par rapport aux lames.
[36] Selon un aspect de l’invention, au moins un condensateur est monté entre deux groupes de lames distincts. Le collecteur comprend au moins q
condensateurs.
[37] Selon un aspect de l’invention, chaque condensateur comprend deux
armatures séparées par un isolant polarisable. Les deux armatures d’un même condensateur sont reliées électriquement à deux groupes de lames distincts. Les armatures peuvent être directement fixées aux lames. Bien que les condensateurs relient deux groupes de lames, l’isolant polarisable permet de respecter l’isolation électrique entre les lames.
[38] Selon un aspect de l’invention, un unique condensateur est prévu entre deux groupes de lames distincts. En variante, une pluralité de condensateurs peut être prévu entre deux groupes de lames distincts. Cette pluralité de condensateur peut être agencée en série ou en parallèle entre deux groupes de lames.
[39] Les condensateurs peuvent être identiques. Chaque condensateur peut présenter une forme sensiblement parallélépipédique.
[40] Chaque condensateur peut présenter une capacité électrique comprise entre 1 et 100 microfarads, par exemple 25 pF, par exemple 50 pF. Lorsque plusieurs condensateurs sont montés en série ou en parallèle entre deux groupes de lames distincts, la capacité équivalente est comprise entre 1 et 100 microfarads.
[41 ] Chaque condensateur peut comprendre un boîtier encapsulant l’isolant
polarisable et/ou tout ou partie des armatures.
[42] Selon un aspect de l’invention, tout ou partie des condensateurs sont décalés axialement des lames. Il existe un plan normal à l’axe de rotation qui coupe les condensateurs sans couper de lame.
[43] Selon un premier mode mise en oeuvre des condensateurs, le collecteur comprend uniquement q condensateurs. Il existe un seul condensateur entre chaque groupe de lames. La réduction des discontinuités de courant est obtenue par un nombre minimal de condensateurs.
[44] Selon un deuxième mode mise en oeuvre des condensateurs, le collecteur comprend au moins un condensateur entre deux lames de groupes de groupes différents se succédant circonférentiellement. Le collecteur comprend alors au moins p*q condensateurs, notamment uniquement p*q condensateurs. Lorsque n=1 , chaque lame est connectée électriquement à deux condensateurs. Lorsque n=2, chaque lame n’est associée qu’à un unique condensateur.
[45] Selon un aspect de l’invention, chaque condensateur peut être fixé sur un doigt d’orientation axiale d’une des lames. Les armatures de condensateur peuvent être fixées directement sur les doigts, notamment par soudure. Les condensateurs peuvent être fixés uniquement sur les doigts. [46] Selon un aspect de l’invention, les condensateurs peuvent tous être disposés dans un secteur angulaire donné, notamment inférieur à 90°, notamment inférieur sur 45°. En variante, Les condensateurs peuvent être disposés régulièrement sur toute la circonférence du collecteur. Les condensateurs peuvent être tous décalés circonférentiellement les uns des autres.
[47] Les condensateurs peuvent être au même niveau radial que les lames. En variante, les condensateurs peuvent être disposées radialement plus près de l’axe que les lames. Les condensateurs peuvent être disposés les uns au-dessus des autres.
[48] Selon un aspect de l’invention, les condensateurs peuvent tous être d’un
même côté axial des lames.
[49] Selon un aspect de l’invention, le collecteur peut comprendre un élément de protection des condensateurs. Cet élément de protection peut être d’un seul tenant. Cet élément de protection peut comprendre plusieurs cavités recevant les condensateurs. En variante, une seule cavité continue et circulaire peut recevoir les condensateurs. En variante encore, l’élément de protection peut être formé d’autant de portions de protection, distinctes les unes des autres, que de condensateurs.
[50] Selon un aspect de l’invention, le ventilateur et l’élément de protection
peuvent être d’un seul tenant. Cela permet de mutualiser les fonctions.
[51 ] Selon un aspect de l’invention, le collecteur présente p*q passages d’un type de lame à un autre. Le collecteur peut comprendre autant de passage d’un type de lame à un autre que de condensateurs dans le deuxième mode de mise en oeuvre de ceux-ci Le type d’une lame est défini par son appartenance à un des groupes de lame. Ainsi, lorsque n=2, deux lames d’un même type se succèdent circonférentiellement. Le collecteur peut présenter un motif électrique
élémentaire de lames qui se répète p fois.
[52] 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 1 mm 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.
[53] 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 n*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.
[54] Selon un aspect de l’invention, les condensateurs peuvent être fixés sur le squelette. Les boîtiers des condensateurs peuvent être fixés sur une face d’orientation axiale du squelette.
[55] Selon un aspect de l’invention, le ventilateur peut être d’un seul tenant avec le squelette. En variante, chaque pâle peut être rapportée sur le squelette. En variante encore, le ventilateur peut être d’un seul tenant et rapporté sur le squelette.
[56] 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.
[57] 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.
[58] 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. [59] 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.
[60] Selon le premier mode de mise en oeuvre des condensateurs, chacun des q condensateurs peut être disposé entre deux bagues distinctes.
[61 ] 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.
[62] 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.
[63] Selon un autre aspect de l’invention, un pont est associé à une unique lame.
En variante, par exemple lorsque n=2 et que deux lames d’un même type se succèdent circonférentiellement, un pont peut être partagé par plusieurs lames, par exemple deux.
[64] 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.
[65] Selon un aspect de l’invention, notamment selon le premier mode de mise en oeuvre des condensateurs, les condensateurs sont reliés aux bras de liaison des q groupes de lames. Les condensateurs peuvent être disposés du même côté axial que les bras de liaison par rapport aux lames. Chaque armature peut être directement fixée sur une extrémité libre de bras de liaison. En variante, chaque armature peut être fixée par l’intermédiaire d’une pièce de liaison, par exemple un fil métallique, par exemple un morceau de conducteur métallique.
[66] Selon un aspect de l’invention, les bagues de chaque groupe peuvent se succéder axialement.
[67] Cette juxtaposition axiale favorise la compacité du collecteur.
[68] 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.
[69] 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.
[70] En variante, les bagues peuvent être concentriques.
[71 ] Selon un aspect de l’invention, chaque lame peut être séparée des deux lames adjacentes par une inter-lame.
[72] L’inter-lame est définie pour empêcher le contact circonférentiel entre deux lames successives.
[73] Selon un aspect de l’invention, les inter-lames peuvent toutes présenter la même ouverture angulaire.
[74] L’ouverture angulaire de chaque lame peut ainsi être égale, en radians, à
[2*TT- n*q*p*(ouverture d’une inter-lame)]/(n*p*q).
[75] 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.
[76] 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.
[77] 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.
[78] La dimension radiale minimale du collecteur est imposée par le nombre de lames et par la dimension minimale des inter-lames à respecter.
[79] 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.
[80] 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*TT/(2* p*q).
[81 ] 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.
[82] 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 isolée n’est connectée
électriquement à aucun condensateur. 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.
[83] 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. [84] La lame isolée est séparée des lames conductrices par des interstices. Les interstices peuvent mesurer entre 1 mm et 5mm dans la direction circonférentielle. Les lames isolées sont reçues dans des ouvertures radiales. Le collecteur peut alors comprendre 2*n*p*q lames, les lames conductrices étant en alternance avec les lames isolées. Les lames isolées sont à potentiel flottant.
[85] 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.
[86] 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.
[87] 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.
[88] 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.
[89] Selon un aspect de l’invention, le taux de recouvrement peut être compris entre compris entre 10% et 55%. Ce taux de 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.
[90] 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.
[91 ] 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.
[92] Selon un aspect de l’invention, la réaction d’induit est prise en compte lors de la définition du décalage angulaire entre les balais. Il existe un risque de dissymétrisation un cas de décalage angulaire différent de celui défini dans la présente invention
[93] Selon un aspect de l’invention, la réaction d’induit est également prise en compte lors de la caractérisation du taux de recouvrement. En effet, la réaction d’induit est fonction du système de courant, elle-même fonction du taux de recouvrement. Le taux de recouvrement ne fera pas défini de la même manière dans le cas d’une machine qui produit du couple que dans le cas d’une machine qui sans fer, ne cherchant pas à produire du couple. La réaction d’induit étant significativement différente.
[94] L’invention se rapporte également à 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 magnétiques, comprenant :
-un collecteur mobile en rotation autour d’un axe (X) de la machine électrique, de motif élémentaire égal à 2*TT/(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 l’un par rapport à l’autre, définis chacun sur un secteur angulaire, aptes à être reliés à une même source de tension, notamment une batterie de véhicule,
caractérisé en ce que le collecteur mécanique comprend n*p*q, avec n entier, avec notamment n = 1 ou n=2, 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 alternées circonférentiellement, et en ce que le collecteur comprend un ventilateur. [95] Tout ce qui a été dit en référence au ventilateur s’applique également à cette partie de l’invention.
[96] L’invention se rapporte également à 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 magnétiques, comprenant :
- un collecteur mobile en rotation autour d’un axe (X) de la machine
électrique, de motif élémentaire égal à 2*TT/(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 l’un par rapport à l’autre, définis chacun sur un secteur angulaire, aptes à être reliés à une même source de tension, notamment une batterie de véhicule,
caractérisé en ce que le collecteur mécanique comprend n*p*q, avec n entier, avec notamment n = 1 ou n=2, 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 alternées circonférentiellement, et en ce que le collecteur comprend une pluralité de condensateurs, chaque condensateur étant monté entre deux groupes de lames distincts.
[97] Tout ce qui a été dit en référence aux condensateurs s’applique également à cette partie de l’invention.
[98] L’invention à également pour objet une machine électrique qui comprend :
- un commutateur mécanique tel que décrit précédemment,
- un stator fixe en rotation comprenant 2*p pôles magnétiques, 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 :
i. un arbre de rotor, et ii. un corps de rotor comprenant :
1. un paquet de tôles comprenant des tôles empilées
axialement, le paquet de tôles ayant (2*p)*m*q encoches d’extension axiale, avec m entier,
2. au moins un bobinage, le bobinage étant reparti en q phases 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.
[99] Une telle machine électrique synchrone 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.
[100] Le paquet de tôles est particulièrement important pour les applications de propulsion. Sans lui, la machine ne pourrait produire le couple voulu. Néanmoins, il faut tenir compte de la réaction d’induit lors de la définition du commutateur.
[101] Le commutateur, en particulier par les paramètres taux de recouvrement et décalage angulaire des balais tels que définis précédemment, permet d’obtenir une machine qui produit du couple et qui ne vibre pas. Les vibrations sont particulièrement néfastes dans les applications de propulsion des véhicules automobiles.
[102] Selon un aspect de l’invention, le rotor est cylindrique.
[103] Une telle machine est particulièrement remarquable en ce que le rotor est alimenté selon un système de courants polyphasé et en ce que le stator en alimenté en courant continu. Le rotor et le stator obtiennent leur tension et leur courant d’une source de tension, par exemple la batterie d’accumulateurs, donc en continu et pas en alternatif.
[104] 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. [105] Selon un aspect de l’invention, le ventilateur peut être disposé axialement du côté du corps de rotor.
[106] Selon un aspect de l’invention, le ventilateur peut s’étendre, au moins en
partie, dans un espace intérieur du corps de rotor. Le ventilateur peut s’étendre radialement entre l’arbre de rotor et le corps de rotor. Cela permet de brasser l’air intérieur du corps de rotor et de refroidir le bobinage.
[107] Selon un aspect de l’invention, les condensateurs sont axialement du côté opposé au corps de rotor, en particulier lorsqu’ils sont directement fixés aux lames.
[108] La machine peut présenter un nombre de paires de pôles compris entre 1 et 12. En particulier la machine peut être à 6 paires de pôles magnétiques ou à 6 paires de pôles magnétiques.
[109] L’entier m est ici le nombre d’encoche(s) par pôle et par phase, par exemple un, par exemple deux.
[1 10] Selon un aspect de l’invention, lorsque m est strictement supérieur à 1 , les encoches associées à une même phase se succèdent circonférentiellement.
[1 1 1] 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.
[1 12] Selon un autre aspect de l’invention, le nombre d’encoches peut être un
multiple du nombre de lames. Chaque lame est alignée avec un plan médian qui sépare équitablement les m encoches d’une q phases d’un des p pôles qui se suivent. Chaque lame est alignée avec un barycentre des m lames qui se suivent. Par exemple, lorsque n=m=1 , chaque lame est alignée sur une dent du corps de rotor qui séparent deux des encoches dans lesquels sont logées les sections d’une même phase. [1 13] 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.
[1 14] Selon un autre aspect de l’invention, les balais peuvent être alignés
axialement avec les pôles du stator.
[1 15] Selon un autre aspect de l’invention, le stator peut être à griffes. Le stator peut comprendre un bobinage, des griffes et des aimants inter-polaires, notamment en ferrite qui est un matériau bon marché. Les aimants inter-polaires peuvent également être en Néodyme-Fer-bore pour bénéficier d’une
performance volumique plus importante. En variante, le stator peut comprendre une culasse équipée de plusieurs électro-aimants réparties circonférentiellement. Le stator est apte à être relié à la source de tension, notamment à la batterie de véhicule.
[1 16] En variante, le stator peut comprendre une culasse équipée d’un ou de
plusieurs d’aimants permanents réparties circonférentiellement, sans griffe, notamment sans aucun enroulement.
[1 17] 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.
[1 18] 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.
[1 19] 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.
[120] 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.
[121] Selon un aspect de l’invention, lorsque le bobinage est dans le premier mode, le taux de recouvrement peut être compris entre 10% et 50%. Lorsque le taux de recouvrement est compris entre 10% et 20%, les courants du système sont de type créneaux. Lorsque taux de recouvrement est compris entre 20% et 50%; les courants du système sont de type sinusoïdal ou quasi-sinusoïdal.
[122] Au sens de la demande, un courant est de type quasi-sinusoïdal, si les
harmoniques du signal jusqu’à l’harmonique 15, sont tous inférieurs à 12%, notamment 10%, notamment 8% de la valeur du fondamental.
[123] 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.
[124] 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.
[125] 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.
[126] 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.
[127] Selon un aspect de l’invention, selon un aspect de l’invention, le taux de
recouvrement peut être compris entre 10% et 55%. Lorsque le bobinage est dans le deuxième mode. [128] 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.
[129] 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.
[130] 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.
[131] 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 ».
[132] 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.
[133] Un tel système de traction permet de propulser à bas coût un véhicule
automobile.
[134] 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. [135] 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 :
[136] [Figure. 1 ] et [Figure. 2] sont des vues schématiques, en coupe, d’une
machine électrique selon l’invention,
[137] [Figure. 3] et [Figure. 4] illustrent schématiquement l’alimentation électrique du bobinage de la machine selon un premier mode de bobinage étoilé,
[138] [Figure 5], [Figure 6] et [Figure 7] illustrent un exemple de machine électrique dont selon l’invention dont le bobinage est alimenté selon le premier mode et dans lequel les condensateurs sont dans un deuxième mode de mise en oeuvre.
[139] [Figure 8] illustre une variante de collecteur décrit à la [Figure 5] dans lequel les condensateurs sont dans un premier mode de mise en oeuvre.
[140] [Figure 9] et [Figure 10] illustrent un autre exemple de collecteur de
commutateur selon l’invention pour alimenter le bobinage dans le premier mode.
[141 ] [Figure 1 1 ] illustre schématiquement les lames du collecteur de la figure 9.
[142] [Figure 12] illustre schématiquement une variante de commutateur des figures 9 à 1 1.
[143] [Figure 13] et [Figure 14] illustrent un autre exemple de collecteur de
commutateur selon l’invention pour alimenter le bobinage dans le premier mode.
[144] [Figure 15] illustre un anneau du collecteur de la figure 13.
[145] [Figure 16] et [Figure 17] illustrent schématiquement l’alimentation électrique du bobinage de la machine selon un deuxième mode de bobinage triangle.
[146] [Figure 18], [Figure 19] et [Figure 20] illustrent un exemple de collecteur de commutateur selon l’invention pour alimenter le bobinage dans le premier mode, et la [Figure 21 ] illustre un anneau isolé du collecteur de la figure 18.
[147] 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. [148] 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. Le rotor forme l’induit et le stator forme l’inducteur de la machine.
[149] 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.
[150] Dans l’exemple considéré, le rotor 3 comprend un arbre de rotor 10 et un corps de rotor 1 1.
[151] 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.
[152] 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 chaîne 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.
[153] 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.
[154] Dans l’exemple considéré, le stator 4 peut être un stator à griffes. Un tel stator peut comporter deux roues polaires se présentant sous la forme de flasques annulaires disposées de manière transversale par rapport à l’arbre de rotor 10. Chaque roue polaire peut comprendre sur sa périphérie externe des dents en forme de griffes s’étendant selon une direction sensiblement parallèle à l'axe X. Les dents de l'une des roues polaires sont angulairement décalées par rapport aux dents de l'autre roue polaire de manière à ce que les dents des deux roues polaires s'entre-pénètrent alternativement. Le stator 4 comporte également un bobinage d’excitation 24 monté entre les roues polaires. Des aimants
permanents peuvent être agencés entre les dents des roues polaires.
[155] Dans l’exemple considéré, le bobinage d’excitation est alimenté 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.
[156] 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 comporte (2*p)*m*q encoches d’extension axiale. Le corps de rotor 1 1 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.
[157] 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.
[158] 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.
[159] 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.
[160] Dans l’exemple considéré, chaque phase a, b, c peut présenter un unique conducteur formant les différentes sections de bobinage. [161] Dans l’exemple considéré, des chignons 35 formés par le bobinage 30 sont disposés de part et d’autre du paquet de tôles.
[162] 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.
[163] 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 aux figures 3 à 14. 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.
[164] 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.
[165] 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.
[166] 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.
[167] 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.
[168] 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.
[169] On va maintenant décrire en détail le fonctionnement et la structure du
commutateur.
[170] 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, i.e. p = 2, selon un premier mode de bobinage étoilé. Les figures 3 et 4 représentent le commutateur 40 et le bobinage du rotor 30 déroulés.
[171] En référence à la figure 3, le collecteur 41 comprend n*p*q lames
conductrices 60 se succédant circonférentiellement, avec ici n= 1 , p = 2 et q = 3, donc 6 lames conductrices. 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.
[172] Dans l’exemple considéré, le collecteur 41 présente un motif élémentaire de lames qui se répète p fois, ici deux. Le motif élémentaire de lames est ici : lame du groupe a’, lame du groupe b’ et lame du groupe c’. Le collecteur 41 présente p*q passages, ici 6, 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*TT/(p*q), soit TT/3 OU encore 60°.
[173] 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.
[174] Dans l’exemple considéré, le rotor peut comprendre deux encoches par
phase et par pôle (m=1 ) soit, ici 12 encoches. Chacune des six 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. [175] 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 1 mm et 3mm, par exemple 2mm. Les lames peuvent avoir une dimension axiale comprise entre 8mm et 12mm, par exemple 10mm.
[176] 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*TT]/(2*p)], k étant un entier naturel. Dans l’exemple considéré, les balais peuvent donc être décalés d’un angle de TT/2 OU de 3TT/2, ici les balais 45, 46 sont décalés de TT/2.
[177] 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.
[178] 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.
[179] 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.
[180] La figure 7 illustre un induit de machine 1 dont le collecteur est décrit en détail aux figures 5 et 6. Dans l’exemple considéré, la machine 1 est à cinq paires de pôles (p=5) alimentée selon un système de courant triphasé (q=3). Le collecteur 41 comprend ici quinze lames conductrices 60 (n=1 ). Dans l’exemple considéré, les phases du bobinage sont connectées en étoile.
[181] La figure 5 représente les groupes de lames a’, b’, c’ du collecteur 41. La
figure 6 représente le collecteur complet avec en particulier un squelette 65 du collecteur visible. [182] Dans l’exemple considéré, 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. 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.
[183] 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.
[184] 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.
[185] Les ponts et les bagues sont dans un espace intérieur du squelette 65 tandis que les lames 60 affleurent vers l’extérieur pour venir en contact électrique avec les balais. 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.
[186] En référence à la figure 6, le squelette 65, en matériau isolant, par exemple en plastique, de révolution autour de l’axe X pour maintenir les lames 60 en position. Le squelette est de forme sensiblement cylindrique. Le squelette 65 est ici d’un seul tenant. Le squelette comprend quinze ouvertures radiales 67 recevant les lames 60. 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.
[187] 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 au travers d’un trou radial 82 ménagé dans le squelette.
[188] Dans l’exemple considéré avec un bobinage en étoile, 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.
[189] 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 comprend également des bras de liaison qui sont en alternance avec les bras de liaison solidaires des bagues. Le connecteur 90 débouche radialement du squelette 65. 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.
[190] Dans l’exemple considéré, le collecteur 41 comprend également quinze
condensateurs 100 chacun monté entre deux lames adjacentes, donc entre deux lames de groupes de groupes différents. Chaque lame 60 est ainsi connectée électriquement à deux condensateurs. Lorsque n=2, chaque lame n’est associée qu’à un unique condensateur.
[191] Dans l’exemple considéré, les condensateurs 100 peuvent être tous
identiques. Chaque condensateur 100 présente une forme sensiblement parallélépipédique. Chaque condensateur comprend deux armatures 101 séparées par un isolant polarisable. Chaque condensateur 100 comprend un boîtier 102 encapsulant l’isolant polarisable et une partie des armatures.
[192] Dans l’exemple considéré, chaque condensateur 100 peut présenter une capacité électrique comprise entre 1 et 100 microfarads, par exemple 20 microfarads.
[193] Dans l’exemple considéré, les condensateurs 100 sont tous d’un même côté axial par rapport aux lames 60. Chaque condensateur 100 est directement fixé sur un doigt 103 d’orientation axiale d’une des lames 60. Les armatures 101 peuvent être fixées directement sur les doigts, notamment par soudure. Les condensateurs sont tous au même niveau radial que les lames 60.
[194] Dans l’exemple considéré, le collecteur comprend également un élément de protection 110 des condensateurs. Cet élément de protection est ici d’un seul tenant et comprend plusieurs cavités 1 1 1 recevant chacune un des
condensateurs 100.
[195] Dans l’exemple considéré, le collecteur 41 comprend également un
ventilateur 115, d’un seul tenant et fait d’un matériau isolant, notamment en plastique. Le ventilateur est d’un seul tenant avec le squelette 65. Le ventilateur 1 15 comprend huit pâles 1 16 régulièrement réparties circonférentiellement. Les pâles 1 16 sont ici incurvées et elles se déploient radialement jusqu’à la hauteur des lames.
[196] Dans l’exemple considéré, le ventilateur 1 15 est disposé axialement à côté des lames, du côté opposé à celui des condensateurs 100. Les lames 60 sont donc disposées entre les condensateurs 100 et le ventilateur 115. Plus
précisément, les condensateurs 100 sont axialement du côté opposé au corps de rotor 1 1 tandis que le ventilateur 1 15 est disposé axialement du côté du corps de rotor 1 1. Le ventilateur s’étend, au moins en partie, dans un espace intérieur du corps de rotor 1 1. Le ventilateur 1 15 s’étend radialement entre l’arbre de rotor et le corps de rotor.
[197] Dans l’exemple de la figure 8, les condensateurs sont dans un mode de mise en oeuvre différent. Seuls trois condensateurs sont prévus, chacun est monté entre deux groupes de lames distincts.
[198] Dans cet exemple, les boîtiers 102 des condensateurs sont fixés sur une face d’orientation axiale du squelette, de préférence à l’opposé du corps de rotor 1 1.
[199] Dans l’exemple considéré, les condensateurs 100 sont reliés aux bras de liaison 80 des q groupes de lames 60. Chaque armature 101 est ici fixée par l’intermédiaire d’une pièce de liaison 1 18, par exemple un fil métallique à faible résistance, par exemple une plaquette de cuivre.
[200] Dans l’exemple considéré, les condensateurs 100 sont tous disposés dans un secteur angulaire donné, notamment inférieur à 90°, notamment inférieur à 45° et ils sont disposées les uns au-dessus des autres radialement plus près de l’axe que les lames 60.
[201] En référence aux figures 9 à 12, on va maintenant décrire, une variante de collecteur 41 pour l’alimentation par un système de courant triphasé (q=3) d’une machine 1 à huit paires de pôles avec un bobinage en étoile. Le collecteur présente donc un motif élémentaire égal 2*TT/(p*q), soit TT/1 2 OU encore 15°.
[202] 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 1 mm et 5mm dans la direction
circonférentielle.
[203] 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.
[204] Dans l’exemple considéré, le collecteur comprend 48 lames, 24 lames
conductrices 60 (n=1 , p=8 et q=3) et 24 lames isolées 63, les lames conductrices 60 étant en alternance avec les lames isolées 63.
[205] Dans l’exemple considéré, le collecteur 41 présente 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. Le collecteur 41 présente un motif élémentaire de lames qui se répète p fois, ici huit fois. Le motif élémentaire de lames est ici: lame du groupe a’, lame du groupe a’, lame du groupe b’, lame du groupe b’, lame du groupe c’et lame du groupe c’ (a’, b’, c’).
[206] Dans l’exemple considéré, le squelette 65 maintient 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.
[207] La figure 10 est une vue éclatée du collecteur de la figure 9. Les lames 60 d’un même groupe a’, b’, c’ sont toutes connectées électriquement à une bague disposée radialement à l’intérieur des lames.
[208] 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.
[209] 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.
[210] La figure 11 représente en coupe les lames conductrices 60 du collecteur 41.
Les lames isolées des inter-lames ne sont pas représentées ici.
[21 1 ] Dans l’exemple considéré, l’ouverture angulaire b des inter-lames 62 est
égale à celle a des lames 60. L’ouverture angulaire de chaque lame et de chaque inter-lame est égale à 7,5 degrés, i.e. 2*TT/48 radians. Un motif élémentaire du collecteur est une lame suivie d’une inter-lame, le motif élémentaire du collecteur est ben égal à 15°.
[212] L’exemple considéré à la figure 12, il est présenté une variante du
commutateur des figures 9 à 11. Le motif élémentaire du collecteur est toujours égal à 15° mais les tailles des lames 60 et des inter-lames 62 sont différentes. L’ouverture des inter-lames a est égale à 20% du motif élémentaire, soit 3°, en ce que l’ouverture des balais q est égal à 45% du motif élémentaire, soit 6,75°, et en ce que l’ouverture des lames b est égal à 80% du motif élémentaire du collecteur soit 12°
[213] Dans l’exemple considéré, le taux de recouvrement, qui est le rapport entre la différence entre l’ouverture angulaire d’un des balais 45, 46 et l’ouverture angulaire d’une des inter-lames 62 divisée par le motif élémentaire du collecteur est égal à (12-3)/15 = 60%
[214] Dans l’exemple considéré, le commutateur 40 comprend une unique paire de balais 45, 46 toujours en contact des lames 60. Les balais de la paire
représentée sont circonférentiellement décalés l’un de l’autre de
[(2k+1 )*2*TT]/(2*p)], avec k=0. Dans l’exemple considéré, les balais 45, 46 sont décalés de TT/8 radians soit 22,5°. Chaque balai 45, 46 présente donc des périodes de recouvrement durant laquelle il est en contact avec deux lames 60 de groupes a, b, c différents.
[215] Dans l’exemple considéré, le bobinage est en étoile et le taux de
recouvrement à 60% que présente le commutateur 40 de la figure 8 permet d’alimenter le rotor selon un système de courant triphasé quasi-sinusoïdal.
[216] En référence aux figures 13 à 15, on va maintenant décrire, une variante de collecteur 41 pour l’alimentation par un système de courant triphasé (q=3) d’une machine 1 à six paires de pôles avec un bobinage en étoile.
[217] Cet exemple diffère des précédents en ce que n=2 et en ce que les inter lames 62 ne comportent pas de lame isolée mais sont formées par un espace vide 36 circonférentiellement entre les lames conductrices 60.
[218] Dans l’exemple considéré, le collecteur 41 présente p*q passages, ici 18, d’un type de lame à un autre. Le type d’une lame est défini par l’appartenance à un groupe. Le collecteur 41 présente un motif élémentaire de lames qui se répète p fois, ici huit fois. Le motif élémentaire est ici : lame du groupe a’, lame du groupe a’, lame du groupe b’, lame du groupe b’, lame du groupe c’et lame du groupe c’ (a’, a’, b’, b’, c’, c’). Le collecteur 41 présente ainsi un motif élémentaire égal à 2*TT/(p*q), soit TT/9 OU encore 20°.
[219] Dans l’exemple considéré, un pont 75 est associé à une unique lame. En variante, lorsque n=2 et que deux lames d’un même type se succèdent circonférentiellement, un pont peut être partagé par les deux lames.
[220] Dans l’exemple considéré, l’ouverture angulaire des inter-lames 62 est égale à celle des lames. L’ouverture angulaire de chaque lame et de chaque inter-lame est égale à 5 degrés, i.e. 2*TT/72. La figure 15 représente l’anneau 78 central associé au groupe de lames b.
[221] Les figures 16 et 17 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 (p = 2) selon un deuxième mode de bobinage (triangle). Les figures 16 et 17 représentent le commutateur 40 et le bobinage du rotor 30 déroulés.
[222] 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.
[223] Dans l’exemple considéré, chaque phase a, b, c est connectée à deux
groupes de lames a’, b’, c’ distincts.
[224] En référence aux figures 18 à 21 , on va maintenant décrire, un commutateur 40 pour l’alimentation par un système de courant triphasé (q=3) d’une machine 1 à six paires de pôles avec un bobinage en triangle.
[225] Dans l’exemple considéré, le collecteur comprend ici 18 lames conductrices 60. (n=1 , p=6 et q=3). le collecteur 41 présente 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 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’).
[226] 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.
[227] Dans l’exemple considéré, le taux de recouvrement selon cette variante peut être compris entre 10% et 55%.

Claims

Revendications
[Revendication 1 ] 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,
comprenant :
- un collecteur (41 ) mobile en rotation autour d’un axe (X) de la machine électrique, de motif élémentaire égal à 2*TT/(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 source de tension, notamment une batterie (B) de véhicule, caractérisé en ce que le collecteur (41 ) mécanique comprend n*p*q, avec n entier, avec notamment n = 1 ou n=2, 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*TT]/(2*p)], k étant un entier naturel.
[Revendication 2] 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).
[Revendication 3] Commutateur (40) mécanique selon la revendication 2, les bagues (70, 71 , 72) de chaque groupe se succédant axialement.
[Revendication 4] Commutateur (40) mécanique selon l’une quelconque des revendications précédentes, chaque lame (60) étant séparée des deux lames adjacentes par une inter-lame (62), la dimension circonférentielle des inter-lames étant choisie pour éviter le claquage diélectrique
[Revendication 5] Commutateur (40) mécanique selon l’une quelconque des revendications précédentes, le taux de recouvrement étant défini par la différence entre l’ouverture angulaire d’un balai (45, 46) et l’ouverture angulaire d’une inter-lame (62) divisé par le motif élémentaire du collecteur, le taux de recouvrement étant compris entre 10% et 55%
[Revendication 6] Commutateur (40) mécanique selon l’une quelconque des revendications précédentes, le collecteur comprenant un ventilateur (1 15)
[Revendication 7] Commutateur (40) mécanique selon l’une quelconque des revendications précédentes, le collecteur comprenant une pluralité de condensateurs (100), chaque condensateur étant monté entre deux groupes de lames distincts.
[Revendication 8] Machine (1 ) électrique comprenant :
- un commutateur (40) mécanique selon l’une quelconque des
revendications 1 à 5,
- un stator (4) fixe en rotation comprenant 2*p pôles magnétiques, 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 :
i. un arbre de rotor (10), et
ii. un corps de rotor (11 ) comprenant :
1. un paquet de tôles comprenant des tôles empilées
axialement, le paquet de tôles (10) ayant p*q 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).
[Revendication 9] Machine (1 ) électrique selon la revendication 6 et la
revendication 8 prises en combinaison, le ventilateur s’étendant, au moins en partie, dans un espace intérieur du corps de rotor.
[Revendication 10] Machine (1 ) électrique selon la revendication 7 et la revendication 8 prises en combinaison, les condensateurs étant axialement du côté opposé au corps de rotor.
[Revendication 1 1] Machine (1 ) électrique selon la revendication précédente, 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.
[Revendication 12] Machine (1 ) électrique selon la revendication 6, 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.
[Revendication 13] Système de traction pour engin de transport comprenant :
- une machine (1 ) électrique selon l’une des revendications 6 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.
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