FR3093868A1 - Collecteur pour machine électrique - Google Patents

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Abstract

L’invention concerne un collecteur (1) de machine électrique comprenant un support (3) prévu pour tourner sur un axe de rotation (R1), deux bagues collectrices (13, 15) fixées au support (3) et deux éléments de connexion (17, 19) fixés au support du collecteur et connectés aux deux bagues collectrices. Selon l’invention, les éléments de connexion définissent chacun un canal de connexion (21, 23) prévu pour être traversé par un fil de bobinage (25) orienté selon une première direction (D1) orthoradiale à l’axe de rotation, le support présente des renflements (27, 29) adaptés à forcer le fil de bobinage à entrer dans les canaux selon une deuxième direction (D2) faisant un angle (α) avec la première direction, et l’angle alpha est strictement supérieur à zéro et inférieur ou égal à vingt degrés. Figure pour l’abrégé : Fig. 3

Description

Collecteur pour machine électrique
Domaine technique de l'invention
La présente invention concerne de manière générale le domaine technique des machines électriques.
Elle concerne plus particulièrement un collecteur de machine électrique comprenant un support prévu pour tourner autour d’un axe de rotation, deux bagues collectrices fixées au support et deux éléments de connexion fixés au support du collecteur et connectés aux deux bagues collectrices.
Elle concerne également un rotor bobiné comprenant :
- un arbre s’étendant selon un axe de rotation,
- un collecteur, tel que précité, monté sur l’arbre,
- un bloc comprenant une pluralité de pôles,
- un fil de bobinage enroulé autour des pôles, présentant des extrémités qui sont fixées aux éléments de connexion du collecteur.
Elle concerne également une machine électrique comprenant un stator, et un rotor tel que précité.
Etat de la technique
Une machine électrique permet, par exemple, de convertir une énergie électrique en énergie mécanique. Pour cela, la machine électrique comprend un rotor agencé dans un stator comprenant des enroulements statoriques. Le rotor de la machine électrique comprend un bloc présentant une pluralité de pôles autour desquels est enroulé un fil de bobinage électriquement conducteur.
En fonctionnement, la machine électrique peut entrainer le rotor en rotation à une vitesse élevée, par exemple, supérieure à 13000 tours par minutes. Les différents éléments du rotor sont alors soumis à de fortes sollicitations mécaniques.
Ainsi, les extrémités du fil de bobinage doivent être fermement maintenues sur le collecteur du rotor afin de pouvoir alimenter le rotor en électricité sans se décrocher.
On connait du document FR2710200, un collecteur comprenant des éléments de connexion dans lesquels sont rapportées radialement les extrémités du fil de bobinage. On constate cependant qu’en fonctionnement, les extrémités du fil de bobinage sont soumises à de fortes vibrations, au risque de rompre.
Présentation de l'invention
Afin de remédier à l’inconvénient précité de l’état de la technique, la présente invention propose un collecteur de machine électrique tel que défini dans l’introduction, dans lequel les éléments de connexion définissent chacun un canal de connexion prévu pour être traversé par un fil de bobinage orienté selon une première direction orthoradiale à l’axe de rotation, et dans lequel le support présente un renflement adapté à forcer le fil de bobinage à entrer dans l’un au moins des canaux selon une deuxième direction faisant un angle avec la première direction, cet angle étant strictement supérieur à zéro et inférieur ou égal à vingt degrés, voire à 15 degrés.
Ainsi, alors que dans l’art antérieur, le fil de bobinage entre avec un angle élevé dans les éléments de connexion, les renflements réduisent cet angle d’entrée. En réduisant l’angle d’entrée, on réduit les précontraintes dans le fil et l’amplitude des vibrations subies par les extrémités de fil de bobinage quand la machine électrique est en fonctionnement. Ainsi le risque de casse du fil de bobinage est-il réduit.
Plus l’épaisseur du renflement est élevée, et plus l’angle d’entrée est faible. On constate cependant qu’une trop forte variation de l’épaisseur du support, qui est en matière plastique, entraînerait des fragilités dans le collecteur. C’est pour cette raison que l’angle d’entrée est minimisé sans pour autant atteindre une valeur nulle.
Préférentiellement, un ergot est fixé au support avec un décalage axial selon l’axe de rotation par rapport à l’un des éléments de connexion.
Le rotor peut être conçu de telle façon que les deux extrémités du fil de bobinage présentent des trajectoires non symétriques pour entrer dans le canal de l’élément de connexion auquel elle est fixée. De ce fait une des extrémités de fil de bobinage pourrait entrer en contact avec l’élément de connexion auquel l’autre extrémité de fil de bobinage est fixée. Ce contact entrainerait un court circuit.
L’ergot permet alors de décaler axialement cette extrémité de fil de bobinage par rapport à cet élément de connexion. Ainsi, il n’existe plus aucun risque de court-circuit.
Avantageusement aussi, chaque élément de connexion définit un canal de connexion orienté selon la première direction, et il est prévu deux renflements adaptés à forcer le fil de bobinage à entrer dans les canaux de connexion selon la deuxième direction faisant un angle avec la première direction.
Préférentiellement, le support comprend un corps allongé et un anneau duquel chaque renflement fait saillie.
Préférentiellement, l’anneau présente une épaisseur moyenne de l’ordre de 3 à 5 mm.
Préférentiellement, chaque renflement présente une épaisseur (ie un dépassement par rapport au diamètre exterieur) comprise entre 2 et 8 mm.
L’invention propose également un rotor bobiné tel que défini dans l’introduction, comprenant un collecteur de machine électrique tel que précité.
Avantageusement, dans un tel rotor bobiné, les extrémités du fil de bobinage sont soudées dans les canaux de connexion.
L’invention propose également une machine électrique comprenant un stator et un rotor bobiné tel que précité.
Avantageusement, une telle machine électrique est une machine de traction.
Bien entendu, les différentes caractéristiques, variantes et formes de réalisation de l'invention peuvent être associées les unes avec les autres selon diverses combinaisons dans la mesure où elles ne sont pas incompatibles ou exclusives les unes des autres.
Description détaillée de l'invention
La description qui va suivre en regard des dessins annexés, donnés à titre d’exemples non limitatifs, fera bien comprendre en quoi consiste l’invention et comment elle peut être réalisée.
Sur les dessins annexés :
est une représentation schématique en perspective d’un collecteur de machine électrique ;
est une représentation schématique en perspective d’une partie d’extrémité du collecteur de la figure 1 ; et
est une vue schématique de face d’un rotor comprenant le collecteur de la figure 1.
La figure 1 représente un collecteur 1 de machine électrique.
Une machine électrique est un dispositif électromécanique permettant la conversion d'énergie électrique en énergie mécanique, ou vis-versa. Dans l’exemple ici considéré, il s’agit d’une machine de traction utilisée dans un véhicule automobile.
La machine électrique comprend un rotor agencé dans un stator présentant un champ magnétique. En alimentant le rotor en électricité, une force électromagnétique est induite dans celui-ci, et le rotor commence à tourner autour d’un axe de rotation, convertissant l’énergie électrique en énergie mécanique.
Le collecteur 1 forme une partie du rotor et permet d’alimenter celui en électricité.
A cet effet, le collecteur 1 comprend un support 3 prévu pour tourner autour d’un axe de rotation R1.
Ce support 3 comprend un corps 5 allongé de forme sensiblement cylindrique, deux branches 7, 9 s’étendant à partir d’une extrémité du corps 5, dans le prolongement de celui-ci, et un anneau 11 relié aux deux branches 7, 9.
Les deux branches 7, 9 sont situées préférentiellement de façon diamétralement opposée par rapport à l’axe de rotation R1. Elles s’étendent parallèlement à l’axe de rotation R1 et sont recourbées à leurs extrémités dans des directions opposées, pour s’accrocher à une face intérieure 41 de l’anneau 11 qui présente ainsi un diamètre supérieur à celui du corps 5.
Le collecteur 1 comprend en outre deux bagues collectrices 13, 15 faites à partir d’un matériau électriquement conducteur tel que du cuivre. Les deux bagues collectrices 13, 15 sont fixées à distance l’une de l’autre sur le support 3 du collecteur 1 afin d’être électriquement isolées l’une de l’autre. Plus précisément, les bagues collectrices 13, 15 sont fixées sur le corps 5 du collecteur 1.
Deux éléments de connexion 17, 19 sont fixés sur le support 3 du collecteur 1. Plus précisément, les deux éléments de connexion 17, 19 font saillie de l’anneau 11 du support 3, au niveau des extrémités des deux branches 7, 9 du collecteur 1. Les deux éléments 17, 19 de connexion sont sensiblement symétriques par rapport l’axe de rotation R1.
Les éléments de connexion 17, 19 sont fabriqués à partir d’un matériau électriquement conducteur, tel que du cuivre.
Chacune des bagues collectrices 13, 15 est connectée à l’un des éléments de connexion 17, 19 grâce à des conducteurs (non représentés) s’étendant à l’intérieur des branches 7, 9 du support 3.
Le support 3 est fabriqué à partir d’un matériau isolant, par exemple en matière plastique. Il est, par exemple, fabriqué par surmoulage sur les éléments conducteurs (bagues collectrices 13, 15, lames conductrices, éléments de connexion 17, 21) du collecteur 1.
Comme cela est bien visible sur la figure 2, chaque élément de connexion présente une section en forme de U pour délimiter le canal de connexion 21. Ce canal de connexion est ainsi orienté longitudinalement selon une première direction D1 orthoradiale à l’axe de rotation R1.
Du fait de la symétrie des éléments de connexion 17, 19, les premières directions D1 définies par les deux canaux de connexion 21, 23 sont sensiblement parallèles.
Comme cela est visible sur la figure 3, l’anneau 11 du support 3 présente une face extérieure 39 opposée à la face intérieure 41. L’anneau 11 présente une épaisseur moyenne emmesurée entre la face extérieure 39 et la face intérieure 41 dans une direction radiale à l’axe de rotation R1. L’épaisseur moyenne emde l’anneau 11 est de l’ordre de 3 à 5 mm.
Le support 3 présente en outre des renflements 27, 29 situés en saillie de la face extérieure 39 de l’anneau 11. Chacun des renflements 27, 29 est situé à proximité de l’un des éléments de connexion 17, 19. Plus précisément, l’écart angulaire entre chaque renflement et l’élément de connexion associé (caractérisant leurs positions angulaires respectives depuis le centre du rotor) est compris entre 20 et 60 degrés.
Les renflements 27, 29 présentent chacun une surface sensiblement convexe. L’épaisseur de chaque renflement est par exemple comprise entre 2 et 8 mm.
Les deux renflements 27, 29 sont sensiblement symétriques par rapport à l’axe de rotation R1. La fonction de ces deux renflements sera décrite ci-après. On notera à ce stade qu’il serait possible de n’avoir qu’un seul et unique renflement.
Le collecteur présente un ergot 43 fixé au support 3. Plus précisément l’ergot 43 est fixé sur la face extérieure 39 de l’anneau 11 avec un décalage axial (selon l’axe de rotation R1), par rapport aux éléments de connexion 17, 19.
L’ergot 43 présente une épaisseur eesupérieure au rayon du fil de bobinage 25.
Le collecteur 1 forme une partie d’un rotor bobiné 35 selon l’invention.
Le rotor bobiné 35 comprend, outre le collecteur 1 précité et le fil de bobinage 25, un arbre 36 qui s’étend selon l’axe de rotation R1 et un bloc 37.
Le bloc 37 du rotor bobiné 35 et le collecteur 1 sont fixés à l’arbre 36. Ce bloc 37 comprend une pluralité de pôles 251, 252, 253 , ici au nombre de huit dont trois sont représentées, autour desquels le fil de bobinage 25 est successivement enroulé.
Le fil de bobinage 25 est par exemple un fil de cuivre présentant un diamètre de, par exemple, 1,27 millimètre.
Le fil de bobinage 25 présente deux extrémités de fil 31, 33. Chacune des extrémités 31, 33 provient d’un pôle différent. Les deux extrémités de fil 31, 33 sont fixées chacune dans un des canaux de connexion 21, 23 du collecteur 1.
Les extrémités de fil 31, 33 sont fixées dans les canaux de connexion 21, 23 préférentiellement par soudage. En variante, elles pourraient y être fixées par sertissage.
Les renflements 27, 29 sont positionnées sur l’anneau 11 du support 3, de sorte que chaque extrémité de fil 31, 33 vient s’appuyer sur l’un des renflements 27, 29 avant d’entrer dans un des canaux de connexion 21, 23.
Les renflements 27, 29 sont ainsi adaptés à forcer le fil de bobinage 25 à entrer dans les canaux de connexion 21, 23 selon une autre direction D2 faisant un angle α avec la direction orthoradiale D1 (voir figure 3).
L’épaisseur au niveau des renflements 27, 29, détermine la valeur de l’angle α. En effet, plus l’épaisseur des renflements 27, 29 est élevée, et plus l’angle α est faible. L’angle α obtenu grâce aux renflements 27, 29 est strictement supérieur à 0 degré et inférieure ou égal à 20 degrés. L’angle α est, par exemple, de 3 degrés. Plus l’angle est faible, plus grande est la solidité de la fixation du fil de bobinage 25.
Selon l’exemple représenté sur la figure 3, les extrémités de fil 31, 33 suivent des chemins différents dans le rotor bobiné 35 avant d’entrer dans leur canaux de connexion 21, 23 respectifs.
L’une des extrémités de fil 33 passe à proximité de l’élément de connexion 17 auquel elle n’est pas destinée à être connectée. Afin d’éviter que cette extrémité de fil 33 n’entre en contact avec cet élément de connexion 17, elle est placée en butée contre l’ergot 43. L’extrémité de fil 33 est ainsi décalée axialement par rapport au premier élément de connexion 17 ce qui évite tout court-circuit.
L’arbre 36 du rotor bobiné 35 est monté libre en rotation par rapport au stator de la machine électrique par des roulements (non représenté).
Le stator génère un champ magnétique, par exemple, grâce à des aimants permanents ou à des électroaimants.
Deux balais (non représentés) sont chacun en contact avec l’une des deux bagues collectrices 13, 15 du collecteur 1. Les balais sont connectés à une source électrique externe.
En fonctionnement, les balais alimentent les bagues collectrices 13, 15 en courant électrique. Le courant électrique est transmis au fil de bobinage 25, et ainsi aux pôles du rotor bobiné 35, via les pattes conductrices. Une force électromagnétique est alors induite dans le rotor bobiné 35, et le rotor bobiné 35 commence à tourner autour de l’axe de rotation R1.
La présente invention n’est nullement limitée aux modes de réalisation décrits et représentés, mais l’homme du métier saura y apporter toute variante conforme à l’invention.

Claims (10)

  1. Collecteur de machine électrique (1) comprenant un support (3) adapté à tourner autour d’un axe de rotation (R1), deux bagues collectrices (13, 15) fixées au support (3) et deux éléments de connexion (17, 19) fixés au support (3) et connectés aux deux bagues collectrices (13, 15),
    caractérisé en ce que l’un au moins des éléments de connexion (17, 19) définit un canal de connexion (21, 23) prévu pour être traversé par un fil de bobinage (25) orienté selon une première direction (D1) orthoradiale à l’axe de rotation (R1),
    en ce que le support (3) présente un renflement (27, 29) adapté à forcer le fil de bobinage (25) à entrer dans le canal de connexion (21, 23) selon une deuxième direction (D2) faisant un angle (α) avec la première direction (D1), et
    en ce que l’angle (α) est strictement supérieur à zéro et inférieur ou égal à vingt degrés.
  2. Collecteur de machine électrique (1) selon la revendication1, dans lequel un ergot (43) est fixé au support (3) avec un décalage axial selon l’axe de rotation (R1) par rapport à l’un des éléments de connexion (17, 19).
  3. Collecteur de machine électrique (1) selon l’une des revendications 1 ou 2, dans lequel chaque élément de connexion (17, 19) définit un canal de connexion (21, 23) orienté selon une première direction (D1), et il est prévu deux renflements (27, 29) adaptés à forcer le fil de bobinage (25) à entrer dans les canaux de connexion (21, 23) selon une deuxième direction (D2) faisant un angle alpha (α) avec la première direction (D1).
  4. Collecteur de machine électrique (1) selon l’une des revendications 1 à 3, dans lequel le support (3) comprend un corps allongé (5) et un anneau (11) duquel chaque renflement (27, 29) fait saillie.
  5. Collecteur de machine électrique (1) selon la revendication 4, dans lequel l’anneau (11) présente une épaisseur moyenne (em) de l’ordre de 3 à 5 millimètres.
  6. Collecteur de machine électrique (1) selon l’une de revendications 1 à 5, dans lequel chaque renflement (27, 29) présente une épaisseur comprise entre 2 et 8 millimètres.
  7. Rotor bobiné (35) comprenant :
    - un arbre (36) s’étendant selon un axe de rotation (R1),
    - un collecteur (1), conforme à l’une des revendications 1 à 6, monté sur l’arbre (36),
    - un bloc (37) comprenant une pluralité de pôles (251, 252, 253), et
    - un fil de bobinage 25) entouré autour desdits pôles (251, 252, 253) présentant des extrémités (31, 33) fixées aux éléments de connexion (17, 19) du collecteur (1).
  8. Rotor bobiné (35) selon la revendication 7, dans lequel les extrémités du fil de bobinage (31, 33) sont soudées dans les canaux de connexion (21, 23).
  9. Machine électrique comprenant un stator et un rotor bobiné (35) conforme à la revendication 7 ou 8.
  10. Machine électrique selon la revendication 9, dans laquelle la machine électrique est une machine de traction.
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