TITRE : Boîtier pour balais de machine électrique comprenant un moyen de gestion de la poussière et du refroidissement.

Domaine technique de l'invention

L’invention concerne un boîtier destiné à supporter des balais d’une machine électrique et à loger au moins partiellement un rotor bobiné. L’invention porte encore sur une machine électrique comprenant un tel boîtier. L’invention porte encore sur un véhicule comprenant une telle machine électrique ou un tel boîtier.

Etat de la technique antérieure

Une machine électrique, notamment de type moteur ou alternateur, comprend généralement un rotor bobiné. Un tel rotor est destiné à tourner autour d’un axe. Un tel rotor bobiné comprend un arbre et est alimenté en courant électrique par l’intermédiaire de balais venant frotter sur un tel arbre. Chaque balai, généralement en carbone ou comprenant du carbone, est alimenté en courant électrique. Généralement, les balais sont supportés au sein d’un boîtier qui les maintient par rapport à l’arbre du rotor. Un tel boîtier est généralement fabriqué à partir d’un matériau isolant eu égard à l’alimentation électrique des balais.

Les frottements des balais sur l’arbre du rotor engendrent une usure des zones de contact entre les balais et l’arbre du rotor. L’arbre étant généralement dans un matériau dur, ce sont les balais qui s’usent principalement.

Seulement cette usure génère de la poussière, c’est-à-dire des particules qui se répandent aléatoirement au sein d’un tel boîtier et/ou de la machine électrique. Cette poussière à base de matériau conducteur de l’électricité crée des lignes de fuite de courant et/ou des court circuits. De plus, cela pose des problèmes d’isolation électrique. En outre, les frottements et le fort courant électrique au sein du boîtier engendrent de la chaleur.

Il convient d’éviter ces phénomènes qui nuisent aux performances et au bon fonctionnement d’une telle machine électrique.

Présentation de l'invention

Le but de l’invention est de fournir un boîtier remédiant aux inconvénients ci-dessus. En particulier, l’invention propose une solution permettant de stocker les poussières ou de les évacuer.

Résumé de l'invention

Pour atteindre cet objectif l’invention porte sur un boîtier destiné à supporter des balais d’une machine électrique et à loger au moins partiellement un rotor bobiné d’une telle machine électrique, le boîtier comprenant un orifice d’admission d’air destiné à permettre une arrivée d’air frais et un orifice d’évacuation d’air destiné à permettre un échappement d’air chaud de sorte à refroidir l’intérieur du boîtier en créant un flux d’air.

Le boîtier peut comprendre un moyen d’agglomération de poussières produites par le frottement entre de tels balais et un tel rotor bobiné, le moyen d’agglomération pouvant être agencé au sein du flux d’air entre l’orifice d’admission d’air et l’orifice d’évacuation d’air.

Le boîtier peut comprendre au moins un déflecteur agencé de sorte à diriger le flux d’air en direction du moyen d’agglomération.

Le moyen d’agglomération des poussières peut comprendre des picots.

Chaque picot peut s’étendre perpendiculairement ou sensiblement perpendiculairement par rapport au flux d’air. Le boîtier peut comprendre un filtre, notamment un filtre en papier, agencé au niveau de l’orifice d’évacuation.

Le boîtier peut comprendre un clapet obstruant l’orifice d’évacuation d’air, le clapet pouvant être apte à laisser passer l’air tout en empêchant l’entrée d’eau au sein du boîtier.

L’invention porte encore sur une machine électrique, notamment un moteur électrique, la machine électrique comprenant :

- un boîtier tel que défini précédemment,

- un rotor bobiné tournant autour d’un axe principal, le rotor bobiné étant au moins partiellement logé au sein du boîtier,

- des balais alimentés en électricité, notamment des balais s’étendant radialement par rapport à l’axe principal du rotor bobiné, les balais étant supportés par le boîtier de sorte à venir au contact du rotor bobiné.

Le boîtier peut être obstrué du côté opposé du rotor bobiné.

L’invention porte encore sur un véhicule, notamment un véhicule automobile, comprenant une machine électrique telle que définie précédemment, ou un boîtier tel que défini précédemment.

Présentation des figures

Ces objets, caractéristiques et avantages de la présente invention seront exposés en détail dans la description suivante d’un mode de réalisation et de variantes faites à titre non-limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles :

La figure 1 est une vue schématique d’un véhicule automobile selon un mode de réalisation.

La figure 2 est une vue en perspective d’un boîtier selon un mode de réalisation. La figure 3 est une vue en coupe du boîtier selon un plan perpendiculaire à l’axe de rotation d’un rotor selon le mode de réalisation.

La figure 4 est une vue en perspective d’un intérieur d’un boîtier selon une première variante du mode de réalisation.

La figure 5 est une vue en perspective du boîtier selon la première variante du mode de réalisation.

La figure 6 est une vue en perspective d’un boîtier selon une deuxième variante du mode de réalisation.

La figure 7 est une vue en perspective de l’intérieur d’un boîtier selon une troisième variante du mode de réalisation.

La figure 8 est une vue en perspective partielle d’une machine électrique comprenant un boîtier selon une quatrième variante du mode de réalisation.

La figure 9 est une vue en coupe partielle, selon un plan comprenant l’axe de rotation d’un rotor, de la machine électrique comprenant le boîtier selon la quatrième variante du mode de réalisation.

La figure 10 est une vue en perspective d’un boîtier selon une cinquième variante du mode de réalisation.

La figure 11 est une vue en coupe partielle d’une machine électrique comprenant le boîtier selon la cinquième variante du mode de réalisation. La figure 12 est une vue en perspective partielle d’une machine électrique comprenant un boîtier selon une sixième variante du mode de réalisation. La figure 13 est une vue en coupe partielle d’une machine électrique comprenant le boîtier selon la sixième variante du mode de réalisation.

Description détaillée

La direction selon laquelle un véhicule, notamment un véhicule automobile, se déplace en ligne droite est définie comme étant la direction longitudinale X. Par convention, la direction perpendiculaire à la direction longitudinale, située dans un plan parallèle au sol, est nommée direction transversale Y. La troisième direction, perpendiculaire aux deux autres, est nommée direction verticale Z. Ainsi, on utilise un repère direct XYZ dans lequel X est la direction longitudinale dans le sens avant-arrière du véhicule, donc dirigée vers l’arrière, Y est la direction transversale dirigée vers la droite et Z est la direction verticale dirigée vers le haut. Le sens avant correspond au sens dans lequel le véhicule se déplace habituellement dans la direction longitudinale et est opposé au sens arrière.

La figure 1 illustre schématiquement un véhicule 1 , de préférence un véhicule automobile. Le véhicule 1 comprend une machine électrique 2, par exemple un moteur électrique 2 de traction et/ou de propulsion du véhicule. De préférence, le véhicule comprend un moyen de stockage de l’énergie électrique, par exemple une batterie (non illustrée).

Comme illustré schématiquement sur la figure 1 , la machine électrique 2 comprend un rotor bobiné 3. Le rotor bobiné 3 comprend un arbre tournant autour d’un axe principal A, dans le sens de rotation R. La machine électrique 2 comprend encore des balais 4 illustrés notamment sur la figure 3. Les balais 4 frottent sur l’arbre du rotor. De préférence, chaque balai est en carbone ou comprend du carbone. Les frottements des balais sur l’arbre du rotor engendrent une usure des zones de contact entre les balais et l’arbre du rotor. L’arbre étant dans un matériau dur, ce sont les balais qui s’usent principalement. Ainsi, de la poussière est créée à ce niveau.

Chaque balai est alimenté en courant électrique. La machine électrique 2 comprend une alimentation électrique 6 illustrée notamment sur la figure 2. De préférence, l’alimentation électrique 6 comprend un fil 7 relié par exemple à une borne positive et un fil 8 relié par exemple à une borne négative du moyen de stockage d’énergie électrique.

Avantageusement, le fil 7 se divise en deux fils 7A pour alimenter deux balais 4A. Avantageusement, le fil 8 se divise en deux fils pour alimenter deux autres balais 4B. Dans ce cas, quatre balais sont agencés comme sur la figure 7 illustrant une troisième variante qui sera vue plus loin. Ainsi, les deux balais 4A s’étendent radialement par rapport à l’axe principal A qui est l’axe de rotation du rotor bobiné 3 et les deux balais 4B s’étendent également radialement par rapport à l’axe A. Les deux balais 4A sont décalés axialement des deux balais 4B.

Alternativement, un seul balai 4A et un seul balai 4B, décalés axialement, peuvent convenir. Alternativement encore, trois balais 4A décalés axialement de trois balais 4B peuvent convenir également. De préférence, le nombre de balais 4A est égal au nombre de balai 4B. De préférence, les balais 4A s’étendent au niveau d’un premier plan perpendiculaire à l’axe principal A et les balais 4B s’étendent au niveau d’un deuxième plan perpendiculaire à l’axe principal A, les premier et deuxième plans étant décalés suivant l’axe principal A.

Le véhicule 1 ou la machine électrique 2 comprend un boîtier 10. Le rotor bobiné 3 est au moins partiellement logé au sein du boîtier 10. De plus, les balais 4 alimentés en électricité et venant au contact du rotor bobiné 3 sont supportés par le boîtier 10, comme illustré sur la figure 3 notamment.

De préférence, la machine électrique 2 comprend encore un carter 5 destiné à venir au contact, tout du moins à proximité, du boîtier du côté opposé au rotor bobiné.

Plus précisément, comme illustré sur les figures 2 et 3 représentant le mode de réalisation préféré, le boîtier 10 supportant les balais 4 de la machine électrique 2 comprend un orifice d’admission 11 d’air destiné à permettre une arrivée d’air frais. De préférence, l’orifice d’admission d’air 11 est centré, ou sensiblement centré sur l’axe principal A de rotation du rotor bobiné. Par exemple, la section de l’orifice d’admission d’air est circulaire. Par exemple le diamètre est de quelques millimètres. Par exemple un capuchon 51 muni de l’orifice 11 est agencé sur le boîtier 10 du côté opposé au rotor 3. Le capuchon 51 est de préférence démontable du boîtier 10, par exemple pour permettre un accès au niveau du rotor 3 sans extraire le rotor du boîtier et/ou au niveau des extrémités des balais 4 venant frotter sur le rotor. Par exemple le boîtier 10 comprend des languettes 17, de préférence trois languettes 17 agencées à 120 degrés en cas de capuchon 51 circulaire, permettant de maintenir le capuchon 51 sur le boîtier 10.

Le boîtier 10 comprend encore un orifice d’évacuation 12 d’air destiné à permettre un échappement d’air chaud de sorte à refroidir l’intérieur du boîtier 10 en créant un flux d’air F. Ainsi, comme illustré sur la figure 3, le flux d’air F débute au niveau de l’entrée d’air frais depuis l’orifice 11 , parcourt l’intérieur du boîtier 10 et ressort par l’orifice d’évacuation 12. Plus précisément, le boîtier 10 comprend une cavité ou espace intérieur 18 dans laquelle l’air peut circuler. Avantageusement, le boîtier 10 comprend deux coques fixées l’une à l’autre, par exemple ayant un plan de joint de fixation perpendiculaire à l’axe de rotation principal A.

De préférence, comme illustré sur la figure 3, le boîtier 10 comprend encore un moyen d’agglomération 20 des poussières produites par le frottement entre les balais 4 et le rotor bobiné 3. Avantageusement, le moyen d’agglomération 20 est agencé au sein du flux d’air F de sorte à capter le maximum de poussières présentes dans le flux F. Ainsi, le moyen d’agglomération 20 se trouve entre l’orifice d’admission 11 d’air et l’orifice d’évacuation 12 d’air. De préférence, le boîtier 10 comprend encore au moins un déflecteur agencé au sein de la cavité 18 de sorte à diriger le flux d’air F en direction du moyen d’agglomération 20. Par exemple deux déflecteurs 13, 14 sont agencés.

Par exemple, un déflecteur cylindrique 15 d’axe parallèle à l’axe principal A s’étend au sein de la cavité 18. Ce type de déflecteur est notamment présent en cas de boîtier 10 comprenant deux coques fixées l’une à l’autre. Le déflecteur cylindrique 15 permet le passage d’un moyen de fixation, par exemple une vis ou boulon, à travers le boîtier, dans un trou agencé au sein du déflecteur cylindrique 15.

Dans le mode de réalisation préféré illustré sur la figure 3, le moyen d’agglomération 20 des poussières comprends des picots 21. Par « picot », on entend une tige, par exemple de section circulaire, par exemple sensiblement rectiligne. De préférence, le diamètre est inférieur, voire bien inférieur, à la longueur. Chaque picot 21 s’étend perpendiculairement, ou sensiblement perpendiculairement, par rapport au flux d’air F. Ainsi, chaque picot 21 s’étend parallèlement ou sensiblement parallèlement à l’axe principal A du rotor bobiné 3.

Dans la première variante du mode de réalisation illustrée sur les figures 4 et 5, le boîtier 100 est obstrué du côté opposé du rotor bobiné 3. Plus précisément, un bouchon 50 est agencé pour fermer le côté opposé du boîtier 100 faisant face au rotor. Dans cette première variante, par exemple, l’orifice d’admission d’air 111 est agencé à proximité du rotor 3, par exemple au-dessus ou sensiblement au-dessus. Des déflecteurs 113, 114 permettent de diriger l’air directement, ou sensiblement directement, vers l’orifice d’évacuation 112.

Dans la deuxième variante du mode de réalisation illustrée sur la figure 6, le boîtier 200 comprend une casquette ou déviation 216 agencée au niveau de l’orifice d’évacuation 212 de sorte à orienter le flux d’air sortant vers le bas. De préférence, un pare poussière 219 est encore agencé au- dessus de la casquette 216 de sorte à éviter toute remontée de poussière s’évacuant par la sortie 212. Dans cette variante, l’entrée d’air se fait de préférence au niveau de l’axe principal A, comme dans le mode de réalisation préféré illustré sur la figure 2. Dans la troisième variante du mode de réalisation illustrée sur la figure 7, le boîtier 300 comprend un déflecteur 313 et/ou des chicanes 314. Le déflecteur et/ou les chicanes permettent d’influer sur les vitesses du flux d’air F. De préférence, un moyen d’agglomération 320 des poussières est agencé en partie basse de la cavité 318 du boîtier, par exemple derrière les éléments 313, 314 par rapport au cheminement du flux. Par exemple, le moyen d’agglomération comprend des picots 321.

Dans la quatrième variante du mode de réalisation illustrée sur les figures 8 et 9, le boîtier 400, ou la machine électrique, comprend un joint 60, par exemple de type rondelle en mousse. Ce joint 60 est destiné à faire l’étanchéité entre le carter 5 de la machine électrique et le boîtier 400. Ainsi, la poussière sortant du boîtier 400, par exemple en partie basse, ne peut entrer au niveau de contacts 9 entre les balais et le rotor. De préférence, ce joint 60 est monté sous contrainte à la fermeture de la machine électrique. Dans cette variante, le boîtier 400 est par exemple ouvert du côté opposé au rotor.

Dans la cinquième variante du mode de réalisation illustrée sur les figures 10 et 11 , le boîtier 500, ou le carter 5 agencé en face du boîtier 500, comprend un clapet 40 obstruant l’orifice d’évacuation 512 d’air vers l’extérieur du boîtier, tout du moins vers l’extérieur du carter 5. Par exemple, le boîtier comprend un pare poussière 519 destiné à empêcher que la poussière ne vienne rejoindre le rotor. Comme illustré sur la figure 11 , de préférence le clapet est agencé sur le carter 5 en vis-à-vis de l’orifice 512. Avantageusement, le clapet 40 est apte à laisser passer l’air tout en empêchant l’entrée d’eau au sein de la machine électrique, notamment à travers le carter 5, notamment au sein du boîtier 500.

Dans la sixième variante du mode de réalisation illustrée sur les figures 12 et 13, le boîtier 600 et/ou le carter 5, comprend un filtre 30. Par exemple, le filtre 30 est en papier. Le filtre 30 est agencé au niveau de l’orifice d’évacuation 12. Ainsi, le filtre 30 recueille la poussière et, de préférence, laisse s’échapper l’air débarrassé des poussières en dehors de la machine électrique.

A noter qu’il convient de prévoir une sortie ou évacuation d’air afin de permettre la création d’un flux d’air interne au boîtier. De préférence, l’admission est assurée par un trou dans le boîtier, ou via un capuchon perché 51 , au niveau de l’axe principal A, en bout de rotor. Dans cette zone axiale, la vitesse de rotation du rotor, même si elle est élevée, n’a que peu d’influence sur le début du parcours du flux d’air.

En résumé, dans le mode préféré de réalisation illustré sur les figures 2 et 3, l’air entre par l’orifice 11 au niveau de l’axe principal A, en bout de rotor, via le capuchon percé 51. Les déflecteurs 13, 14 orientent, dirigent le flux d’air F en direction des picots 21 afin que les poussières les percutent. Les particules de poussière sont alors ralenties et s’agglomèrent sur les picots et/ou s’entassent derrière les picots (par rapport au sens du flux) en formant un amas P. Le flux d’air exempt de poussière rejoint l’orifice d’évacuation 12 pour sortir du boîtier. Les particules de poussière demeurent ainsi à distance des zones de frottement entre les balais et le rotor et tout risque électrique de type court-circuit, courant de fuite ou encore isolation électrique est évité.

En résumé, dans la première variante illustrée sur les figures 4 et 5, le flux d’air est évacué en dehors du boîtier rapidement, par exemple le plus rapidement possible, de préférence sans chicane ni moyen de ralentir le flux. Ainsi, aucun moyen de stockage et/ou moyen d’agglomération des poussières n’est prévu. Pour rappel, de préférence un bouchon vient obstruer le boîtier en bout de rotor. Ainsi, l’air ne peut s’échapper que par l’orifice d’évacuation. Les poussières sont donc acheminées en dehors du boîtier (et de préférence en dehors de la machine électrique) simultanément avec le flux d’air. Autrement dit l’air chargé de poussières est évacué de la cavité du boîtier rapidement. La première variante permet de refroidir l’intérieur du boîtier grâce à la circulation d’air tout en évacuant les poussières néfastes au bon fonctionnement de la machine électrique.

En résumé, dans la deuxième variante illustrée sur la figure 6, l’entrée d’air se fait de préférence au niveau de l’axe principal A. La sortie d’air est agencée avec la casquette 216 et/ou le pare-poussières 219. Là encore, on évacue l’air chargé en poussière en dehors du boîtier (et de préférence en dehors de la machine électrique) tout en s’assurant que les poussières s’évacuant avec l’air par l’orifice d’évacuation sont trop éloignées pour venir rentrer à nouveau par l’orifice d’admission au niveau de l’axe principal A. Autrement dit, la sortie d’air canalise l’air afin d’éviter toute « réaspiration » directe par l’orifice d’admission. La deuxième variante permet de refroidir l’intérieur du boîtier grâce à la circulation d’air tout en évacuant les poussières néfastes au bon fonctionnement de la machine électrique.

En résumé, dans la troisième variante illustrée sur la figure 7, l’entrée d’air se fait par exemple au niveau de l’axe principal A. Les déflecteurs et/ou chicanes 313, 314 permettent de jouer sur la vitesse du flux et favorise la décantation de la poussière depuis le flux d’air. Le moyen d’agglomération 320 permet d’agglomérer et/ou stocker les poussières dans une zone spécifique de la cavité du boîtier. De préférence, le moyen d’agglomération est ainsi prévu éloigné des frottements balais/rotor afin d’éviter les créations de courant de fuite et/ou court-circuit notamment, ou encore des problèmes d’isolation électrique. Autrement dit, une zone de décantation décharge l’air de ses particules de poussière.

En résumé, dans la quatrième variante illustrée sur les figures 8 et 9, on assure l’étanchéité entre le rotor et le boitier pour éviter que de la poussière ne vienne dans la zone de contact balais / rotor. En cas de poussières évacuées du boîtier et se retrouvant logées entre le boîtier et le carter 5, les poussières sont empêchées d’accéder à la zone de frottement. De préférence, la rondelle en mousse est mise en contrainte à la fermeture de la machine électrique c’est-à-dire lors de l’assemblage carter / boîtier / rotor.

En résumé, dans la cinquième variante illustrée sur les figures 10 et 11 , le flux d’air sortant du boîtier est guidé par la casquette ou pare-poussières 519. En cas de clapet 40 agencé sur le carter 5 comme illustré sur la figure 11 , la sortie 512 est de préférence agencée en vis-à-vis du clapet. Le clapet 40 vise à évacuer l’air chargé en poussières sans permettre l’entrée d’eau à ce niveau du carter et/ou du boîtier. En effet, il convient que le carter soit étanche eu égard au courant électrique présent dans le boîtier 500 à proximité. L’air chargé de poussières est ici évacué à l’air libre, en dehors de la machine électrique.

En résumé, dans la sixième variante illustrée sur les figures 12 et 13, le flux d’air termine son parcours au sein du filtre 30. Le filtre 30 stocke les poussières, par exemple via une cartouche filtrante. Un tel filtre est par exemple du même type que les filtres à air de moteur thermique, par exemple en forme d’accordéon. Avantageusement, le filtre est en papier. Autrement dit l’air filtré s’évacue à l’extérieur du boîtier et du filtre alors que les poussières sont captées par le filtre et y sont stockées. Dans ce cas, le filtre est par exemple accessible depuis le carter 5, sans démontage du boîtier ou du carter, par exemple en étant agencé à la fois dans le carter et le boîtier. Un changement périodique du filtre, par exemple en termes de durée écoulée ou de kilomètres parcours ou encore de temps d’utilisation de la machine électrique est alors avantageusement mis en place de manière à éviter que le filtre ne se bouche, ou voit ses performances diminuées du fait d’une accumulation trop importante de poussières. Par exemple, au moins une caractéristique d’une des variantes est compatible et combinée à au moins une caractéristique d’au moins une autre variante.

Par exemple, au moins une caractéristique du mode de réalisation préféré est compatible et combinée à au moins une caractéristique d’au moins une variante.

Grâce à la solution, il devient possible de gérer la poussière produite au niveau des contacts entre les balais, en particulier en carbone ou contenant du carbone, et le rotor bobiné d’une machine électrique de type moteur électrique ou alternateur. On évite alors le risque de création de lignes de fuite de courant et/ou de court-circuit ainsi que les problèmes d’isolation électrique que cela peut poser. En effet, le boîtier agencé autour des balais d'alimentation du rotor comprend des moyens étudiés en termes d’aérodynamique pour favoriser la décantation du flux et éventuellement le stockage des poussières, de préférence dans une zone sans risque vis à vis de l'isolation électrique. Comme vu précédemment, de préférence l’air est guidé ou sensiblement guidé entre un orifice d’admission et un orifice d’évacuation afin de ne pas pouvoir sortir ailleurs que par la sortie. Il en résulte que les poussières sont forcées de venir au contact du moyen d’agglomération le cas échéant, notamment en cas de picots. Les impacts des grains de poussière contre le moyen d’agglomération abaissent leur énergie. Enfin, on profite de la tendance qu’ont les grains de poussière à s’agglomérer entre eux pour les fixer, en particulier sur les picots, et on ne libère que de l’air débarrassé de poussière par l’orifice d’évacuation.

En outre, il est prévu une entrée et une sortie d'air dans le boitier pour amener de l'air frais, de préférence propre, et faire sortir de l'air s’étant réchauffé au sein du boîtier du fait de la présence des frottements balais/rotor et/ou du courant électrique. Des calories sont ainsi évacuées de la cavité présente dans le boîtier. De préférence la sortie d’air a une section supérieure à la section de l’entrée d’air de sorte à favoriser la circulation d’air. Ainsi la solution permet d’assurer un refroidissement au sein du boîtier, notamment au niveau de la zone des frottements, ce qui concourt au fonctionnement optimal et durable de la machine électrique.

De préférence, le boîtier est composé de deux coques obtenues dans un matériau isolant par rapport à l’électricité.

En remarque, la solution atteint donc l’objectif recherché de fournir un boîtier limitant les risques électriques au niveau des frottements entre des balais et un rotor bobiné tout en évacuant de la chaleur dans cette zone et présente les avantages suivants :

- elle est économique,

- elle peut être utilisée dans d’autres domaines techniques, par exemple l’éolien.