Balai pour moteur électrique

La présente invention concerne des balais pour moteur électrique. Il s'agit notamment de moteurs électriques utilisés dans des systèmes de ventilation pour véhicule automobile.

Les moteurs électriques habituellement utilisés pour les systèmes de ventilation (climatisation) des véhicules automobiles comportent de manière classique un stator et un rotor. Le collecteur de ce rotor est muni de lames de contact électrique (généralement réalisées en Cuivre usiné) adaptées pour assurer un contact électrique avec des balais réalisés en graphite (encore appelés charbons). Ces balais sont solidaires du stator. De manière connue pour assurer un bon contact électrique entre le collecteur et les balais il faut appliquer ces derniers sur le collecteur avec une pression suffisante. Lorsque le contact n'est pas suffisant, les balais peuvent effectuer des sauts, rompant ainsi de manière intermittente le contact électrique. Ceci entraîne généralement des étincelles. Par contre si le contact est trop important les pertes mécaniques augmentent ainsi que la température et l'usure. A cet effet les balais sont mis en place, de manière classique, dans des porte-balais munis de moyens élastiques adaptés pour maintenir un contact électrique entre les balais et le collecteur.

De manière connue, le collecteur présente une forme cylindrique de révolution et porte sur sa périphérie externe une pluralité de lames conductrices. Les balais sont, quant à eux, disposés radialement tout autour du collecteur et présentent une surface de contact avec les lames du collecteur. Il existe notamment des balais portant sur deux lames de collecteurs ou sur trois lames.

Les balais portent sur trois lames de collecteur lorsque leur angle polaire est supérieur à 3607 P, (avec P = nombre de lames du collecteur). Dans le cas d'un collecteur à 12 lames, le balai porte sur trois lames lorsque l'angle polaire a une valeur supérieure à 30°. Cette configuration présente l'inconvénient d'être bruyante, notamment en début de vie. Ceci est principalement lié à l'incertitude de commutation (point de contact aléatoire entre le balai et la lame). Après quelques heures de fonctionnement, une patine constituée par un dépôt contenant essentiellement du métal (et ses oxydes) du carbone et de l'eau se forme à la surface du collecteur. Cette patine a tendance à rendre le fonctionnement du moteur moins bruyant. Cependant cette patine ne se forme qu'après quelques heures de fonctionnement du moteur. De tels moteurs sont ainsi trop bruyants en début de vie ce qui n'est guère compatible avec leur mise en place dans un habitacle de véhicule automobile. Les balais portent sur deux lames de collecteur lorsque leur angle polaire est de l'ordre de 3607 P (avec P = nombre de lames du collecteur). Ces balais présentent

l'avantage d'être moins bruyants en début de vie mais présentent la particularité d'accroître le niveau de température. Pour mieux dissiper la chaleur on augmente la section de frottement avec le collecteur, mais cela a pour résultat une modification de l'encombrement des balais. Le but de la présente invention est de réduire les bruits de fonctionnement électromagnétique et mécanique du moteur entre le début de vie du moteur et le régime en fonctionnement stabilisé et ceci sans modification de l'encombrement des balais.

A cet effet la présente invention concerne un balai adapté pour entrer en contact avec des lames conductrices ménagées sur un collecteur de moteur électrique, ledit balai étant caractérisé en ce qu'il présente un moyen de réglage de sa couverture polaire entre le début de vie du moteur et son fonctionnement stabilisé.

Ainsi en réalisant un balai à couverture polaire évolutive pendant la durée de vie du moteur, il est possible, à la fois:

- en début de vie de réduire le bruit du moteur car: • les frottements sont réduits

• la formation de la patine est accélérée (car la densité de courant est plus élevée) et

• on réduit voir on supprime la commutation multiple lié aux mutuelles inductances et - en régime de fonctionnement stabilisé de converger vers des niveaux de température équivalents aux configurations précédentes.

Selon l'invention le moyen de réglage de la couverture polaire est fonction de la largeur du balai au niveau de sa zone de contact avec le collecteur.

Avantageusement la couverture polaire variable est obtenue par la réalisation d'au moins une zone aménagée de largeur limitée en périphérie d'une zone de contact avec les lames du collecteur, la dite zone aménagée étant adaptée pour réduire la couverture polaire du balai en début de vie du moteur et pour garantir une couverture polaire déterminée en fonctionnement stabilisé du moteur.

De préférence selon un mode de mise en œuvre préféré, le moyen de réglage comporte deux zones aménagées (chanfreinées) ménagées de part et d'autre de la zone de contact entre le balai et le collecteur. Ces zones aménagées sont progressivement usées par la rotation du collecteur. De ce fait la surface de contact entre le collecteur et le balai augmente petit à petit au fur et à mesure que le moteur vieillit.

Avantageusement une surface de contact réduite (en début de vie du moteur) crée des courants plus importants entre le collecteur et le balai. Ces courants augmentent la vitesse de croissance de la patine. Or c'est cette patine qui contribue à la diminution du

bruit du moteur. De plus une surface de contact réduite diminue les phénomènes « d'arquage » liés à la commutation dite multiple (mutuelles inductances).

Les zones aménagées créées de part et d'autre de la zone de contact avec le collecteur permettent ainsi avantageusement d'accélérer la formation de la patine, de réduire les dispersions des performances électromécaniques, de réduire le niveau et les dispersions vibro-acoustiques, de réduire les phénomènes électromagnétiques (telles que les décharges), tout en maintenant les contraintes thermiques à leur niveau habituel, sans surcoût (les zones aménagées sont réalisées par moulage) et sans modification significative de l'encombrement des balais. Bien entendu il est toujours possible de meuler (rodage "in situ") de tels balais pour les rendre totalement complémentaires des lames du collecteur sur lequel ils seront montés. Ce rodage "in situ" est cependant un rodage simple qui ne nécessite aucune opération complexe et qui constitue un simple affinage de l'appariement entre les balais et le collecteur. D'autres objets, caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront d'ailleurs de la description qui suit, à titre d'exemple non limitatif, en référence aux dessins annexés dans lesquels:

- La figure 1 est une vue schématique en coupe montrant un balai selon l'invention en contact avec un collecteur, - La figure 2 est une vue semblable à la figure 1 montrant en détail la géométrie du balai selon l'invention,

- La figure 3 est une vue schématique en coupe représentant un balai selon l'invention en début de vie du moteur, le balai porte alors sur deux lames de collecteur,

- La figure 4 est une vue schématique en coupe montrant un balai selon l'invention en fonctionnement stabilisé du moteur, le balai porte alors sur trois lames de collecteur,

- La figure 5 est une vue schématique en perspective du balai selon l'invention, et

- La figure 6 est une courbe montrant l'évolution de la couverture polaire d'un balai selon l'invention en fonction de la longueur du balai,

- La figure 7 est une vue schématique semblable à la figure 2 montrant une variante de réalisation avec zones aménagées présentant des rayons de courbure, et

- Les figures 8a et 8b sont des vues schématiques semblables à la figure 2, montrant une variante de réalisation à une seule zone aménagée. Selon la forme de réalisation représentée aux figures 1 à 5, le balai 10 selon l'invention est adapté pour entrer en contact avec un collecteur 11.

En fait, de manière classique, le collecteur 11 d'un moteur électrique (non représenté) est entraîné en mouvement (flèche R - figure 1 -) avec la partie formant rotor de ce moteur électrique. Ce collecteur est muni sur sa périphérie d'une pluralité de lames conductrices 12. Ces lames (au nombre de douze - dans l'exemple représenté -) sont mieux visibles aux figures 3 et 4.

Les balais 10 sont quant à eux, solidaires de la partie formant stator. Les balais sont réalisés, de manière connue, en graphite (avec un certain pourcentage de cuivre et divers additifs) et sont d'ailleurs encore couramment appelés "charbons".

Pour maintenir une zone de contact 13 permanente entre les lames 12 du collecteur et les balais 10, afin de transmettre un courant électrique entre ces deux éléments, il faut appliquer les balais 10 sur le collecteur 11 avec une pression P suffisante. Lorsque le contact n'est pas suffisant, il y a risque d'étincelles. Par contre si le contact est trop important, les pertes mécaniques augmentent ainsi que la température et l'usure. A cet effet les balais 10 sont mis en place, de manière classique, dans des porte- balais (non représentés) munis de moyens élastiques (non représentés) adaptés pour appliquer les balais contre le collecteur (flèche P - figure 1 -). Petit à petit pendant le fonctionnement du moteur, les balais s'usent. Dans l'exemple représenté les balais ont une longueur L de l'ordre de 14 mm au départ. On considère qu'ils sont usés lorsqu'ils ne mesurent plus que 6 mm et que la tresse d'alimentation 14 est quasiment en contact avec le collecteur 11.

Il est à noter que selon la présente invention la position du point de contact moyen entre le balai et le collecteur reste stable pendant toute la durée de fonctionnement du moteur (c'est à dire même après usure du balai). De ce fait l'angle de commutation électrique et la vitesse de rotation du moteur restent également stables pendant toute la durée de vie du moteur. On notera également que, selon la présente invention, le point de contact moyen entre le balai et le collecteur est centré par rapport à la face du balai en contact avec le collecteur.

Il est bien connu que les moteurs électriques présentent une première période de fonctionnement, dite début de vie, au cours de laquelle un rodage progressif s'effectue, ainsi qu'un dépôt de patine sur le collecteur. Cette première période dure (dans l'exemple représenté) quelques centaines d'heures. Les moteurs présentent ensuite une seconde période (très longue - plusieurs milliers d'heures), appelée fonctionnement stabilisé. Pendant ce fonctionnement stabilisé l'usure des balais se poursuit régulièrement, mais à un rythme moindre, et la patine est bien formée et permet un glissement avec un frottement optimal entre les balais et le collecteur. Vient ensuite une troisième période, dite fin de vie, dans laquelle l'usure des balais est telle que leur tresse d'alimentation 14 contacte le collecteur. Les balais doivent alors être changés.

Selon l'invention le balai 10 est muni d'un moyen de réglage de sa couverture polaire entre le début de vie du moteur et son fonctionnement stabilisé.

Le balai selon l'invention se présente sous la forme générale d'un parallélépipède (figure 5) constitué essentiellement de graphite. Selon l'invention deux zones aménagées (dans le cas représenté il s'agit de zones chanfreinées) 15 sont réalisées de part et d'autre de la zone de contact 13 avec le collecteur (voir aussi la figure

2).

Avantageusement ces deux zones chanfreinées sont réalisées par moulage du graphite lors de la formation du balai. Ainsi il n'est pas nécessaire d'usiner le balai en graphite pour les créer. Une telle obtention par moulage, permet donc de réaliser, facilement, rapidement et surtout sans réel surcoût ces deux zones chanfreinées.

Comme on le voit notamment aux figures 3 et 4 les zones chanfreinées 15 constituent un moyen de réglage de la couverture polaire du balai. A la figure 3, le moteur est en début de vie et le balai présente la forme décrite ci-dessus et est donc muni de deux zones chanfreinées. De ce fait la largeur I ₁ (figure 2) de la zone en contact avec le collecteur est inférieure à la largeur I ₂ du balai.

Comme on le voit à la figure 3, le balai porte alors sur deux lames de collecteurs. L'intérêt de ne porter que sur deux lames en début de vie est d'accélérer la formation de patine, de réduire (voir supprimer) les effets de commutation électriques liés aux mutuelles inductances et donc de réduire le bruit de fonctionnement.

Lorsque le moteur entre dans sa période de fonctionnement stabilisé (figure 4) une partie de la longueur L du balai s'est usée. De ce fait la largeur de la zone en contact avec le collecteur est alors I ₂ . On remarque (figure 4) que le balai porte alors sur trois lames de collecteurs. On notera que lorsque le balai porte sur deux lames de collecteur, son angle polaire α est de l'ordre de 360°/ P = 30° (P = nombre de lames du collecteur, P = 12 dans l'exemple représenté) et lorsque le balai porte sur trois lames de collecteur son angle polaire est de l'ordre de 41 ,5° (dans l'exemple représenté). Par contre le point de contact moyen entre le balai et le collecteur reste centré sur la face du balai en contact avec le collecteur et ne varie pas en fonction de l'usure du balai.

Ainsi entre la phase de début de vie du moteur (figure 3) et la phase de fonctionnement stabilisé (figure 4) en jouant sur la largeur (I ₁ ; I ₂ ) de la zone en contact avec le collecteur, il est possible de faire varier l'angle polaire du balai. De ce fait il est possible d'utiliser les avantages d'un angle polaire réduit au moment du début de vie (formation de patine accélérée donc moins de vibrations donc moins de bruit) sans avoir les inconvénients à long terme de ce type d'angle polaire. En effet à long terme l'angle polaire est supérieur à 41 ,5° ce qui permet de faire porter le balai sur trois lames. En

fonctionnement stabilisé on utilise alors au maximum les avantages de cette configuration (moins de bruit, bonne patine, moins d'usure).

L'invention consiste donc à régler l'angle polaire du balai différemment en fonction de la durée de vie du moteur. Pour ce faire il suffit de faire varier la largeur du balai (I ₁ ; I ₂ ) tout au long du fonctionnement du moteur.

Dans l'exemple représenté la variation de la largeur du balai est progressive (cela est du aux deux zones chanfreinées 15).

. En variante, il serait également possible d'avoir une variation de la largeur du balai par pas, en réalisant non pas une zone aménagée chanfreinée mais une zone aménagée comportant un épaulement. Un tel épaulement présente cependant l'inconvénient de devoir être réalisé au moins en partie par usinage, ce qui complique le procédé de fabrication du balai.

De même en variante la zone aménagée (ou les zones aménagées) pourrait présenter plus d'un épaulement ou plus d'un chanfrein sur chacun des cotés de la zone de contact 13.

En variante la zone aménagée peut comporter des rayons de courbures et être réalisées de part et d'autre de la zone de contact ou sur un seul des ces cotés (voir figure 7).

En variante encore (figures 8a et 8b), la zone aménagée 15 pourrait être réalisée sur un seul des cotés de la zone de contact 13 et non de part et d'autre de cette zone.

La figure 6 illustre notamment la variation de l'angle polaire du balai en fonction de l'usure de celui-ci, c'est à dire en fonction de la durée de vie du moteur. On trouve en ordonnées (figure 6) l'angle polaire en degré (encore appelée couverture polaire) et en abscisse la longueur L du balai.

Lorsque le balai sort du moulage, il mesure sensiblement (dans l'exemple représenté) 14 mm de long (L). Son angle de couverture polaire est de 25 °. Un premier rodage "in situ" (c'est à dire un meulage du balai pour lui donner la forme exacte du collecteur avec lequel il sera associé) réduira la longueur du balai à 13,6 mm. A ce moment là l'angle de couverture polaire du balai est de 30° environ. A ce niveau de finition le moteur est mis en fonctionnement (début de vie du moteur).

Après quelques centaines d'heures de fonctionnement on s'aperçoit que le balai s'est usé pour présenter une longueur L de l'ordre de 12,7 mm et un angle polaire de

41 ,5° (c'est à dire supérieur à 30°). Le moteur entre alors dans sa phase de fonctionnement stabilisé. Comme on le remarque sur la figure 6, le balai continue de s'user progressivement L= 12, 6 mm ....12, 2 mm mais par contre l'angle polaire reste sensiblement supérieur à 41 ,5° et n'évolue plus. Ceci est tout simplement du au fait que la

largeur I ₂ du balai a été atteinte. Comme cette largeur ne varie plus, l'angle polaire ne varie plus non plus.

La figure 6, montre donc comment la variation de la largeur I du balai, permet de faire varier l'angle polaire. En maîtrisant la largeur du balai on maîtrise également la couverture polaire du balai.

La maîtrise de la couverture polaire du balai en fonction de la durée de vie du moteur, permet de toujours se placer dans des configurations optimum en limitant le bruit du moteur principalement pendant tout le passage du début de vie du moteur jusqu'à l'atteinte du régime stabilisé. Cela permet également de choisir l'angle polaire du balai en fonction de la durée de vie du balai en concevant un balai avec une largeur adaptée à l'angle polaire recherché.

En faisant varier les pentes des zones chanfreinées 15 (représentées ici de l'ordre de 60°) on allonge plus ou moins la durée de fonctionnement sur deux ou trois lames de collecteur. On notera qu'un chanfrein ayant une pente de 60°, présente en outre l'avantage d'être facilement réalisable par moulage.

Bien entendu, l'invention n'est pas limitée à l'exemple de réalisation ci-dessus décrit. Notamment les valeurs numériques données pour la longueur L, la largeur I, et l'angle polaire α, ne sont données qu'à titre d'exemple illustratif et non limitatif.