Brevet FR2008344A1 — publié le 19700123

La présente invention se rapporte à des interrupteurs ou commutateurs électriques et à des procédés de fabrication de ceux-ci pour obtenir une durée utile extrêmement longue et un degré élevé de sécurité, ces dispositifs ne demandant qu'un 5 minimum d'énergie pour leur commande sans exiger des tolérances très strictes à la fabrication et en permettant une réduction au minimum du coût de fabrication» Les commutateurs ên céramique, c'est-à-dire ceux dont les contacts venant en contact mutuel sont portés par des pièces 10 en céramique, présentent des avantages par rapport à d'autres types de commutateurs mais ils présentent certaines difficultés. En particulier l'action d'interruption ou de commutation électrique n'est pas toujours sûre et l'on a éprouvé des ennuis pour ce qui concerne la force nécessaire pour actionner les 15 commutateurs et pour ce qui concerne le bruit. La présente invention a généralement pour objet de remédier aux inconvénients des anciens commutateurs et de fournit des commutateurs silencieux et d?un fonctionnement facile, avec un degré élevé de sécurité. 2D L'invention se propose également de fournir des commuta teurs et des procédés de fabrication de ceux-ci, de manière à obtenir ces avantages au prix d'un minimum de coût et d'ennuis de fabrication. L'invention est fondée en partie sur la découverte que 25 les problèmes posés par les commutateurs en céramique sont dûs en grande partie au contact à frottement entre des surfaces de pièces en céramique pouvant effectuer un mouvement rotatif relatif entre elles ou un mouvement rotatif par rapport à d'autres éléments. On a trouvé en particulier que la défaillance 30 des contacts des commutateurs est souvent due à la présence de particules de céramique se logeant entre les contacts engagea-bles et que ces particules céramiques sont formées par l'action abrasive des pièces céramiques venant en contact cra engagement mutuel. On a de plus trouvé que l'énergie requise pour actionner 35 les commutateurs était sensiblement augmentée par le contact à frottement et variait dans des proportions considérables ce qui provoque souvent une action défectueuse de commutation ou d'interruption. De plus le frottement des surfaces provoque une sensation désagréable de crissement à l'oreille et au toucher. 40 On a également trouvé qu'il était extrêmement difficile 69 11778 2 2008344 et virtuellement impossible dans la pratique de satisfaire à des tolérances de fabrication suffisamment étroites pour empêcher le contact à frottement. Conformément à l'invention on colle d'une manière perma-5 nente un lubrifiant pelliculaire sec électro-isolant sur l'une des deux surfaces en regard d'une paire de pièces en céramique capables d'un mouvement relatif, telles que par exemple l'une des surfaces généralement cylindriques et se faisant face d'un rotor et d'un stator. Le lubrifiant pelliculaire réduit le frot-10 tement tout en se comportant comme un isolant et exerce la fonction très importante de prévenir 11inter-engagement ou grippage des surfaces en évitant ainsi la formation de particules pulvérulentes de céramique qui pourraient sinon se loger entre Les contacts" électriques portés par les pièces en céramique. 15 De plus d'étroites tolérances de fabrication ne sont pas nécessaires. Le lubrifiant pelliculaire'sec est particulièrement avantageux dans les assemblages, de commutateurs du type comportant divers genres de contacts selon les rêles que ces commutateurs 20 sont appelés à jouer. Dans ces commutateurs et en particulier dans les commutateurs rotatifs un ou plusieurs contacts électriques peuvent, être montés sur un rotor claveté sur un arbre moteur et il est désirable qu'il y ait un certain jeu pour faciliter l'assemblage du commutateur. Il est également désirable d'éli-25 miner toute action d'adhérence qui pourrait provoquer une déviation de l'élément ou causer d'une autre façon un mauvais fonctionnement de l'interrupteur. Le lubrifiant pelliculaire sec réduit ces difficultés à leur minimum. Selon une caractéristique importante de l'invention, le 30 lubrifiant pelliculaire sec est collé par la chaleur sur la surface d'une pièce en céramique, pour réduire au minimum le pel-liculage et obtenir une longue durée utile. Une composition préférée de lubrifiant pelliculaire sec est formée d'un tétrafluoroéthylène ("Teflon") dont les proprié-35 tés électriques et lubrifiantes sont excellentes, qui est tenace et de longue durée. Le tétrafluoroéthylène peut être combiné avec une base aqueuse et des agents modifiants et, après application d'un balayage d'air, peut être fondu et collé à la surface par cuisson à une température relativement élevée. Il est 40 toutefois préférable que le tétrafluoroéthylène soit associé à 69 11778 3 2008344 une résine liante, comme une résine phénolique ou une résine époxydée, dont il est recommandé par les fournisseurs qu'elle puisse être cuite à une température de l'ordre de 150 à 177°C« On a toutefois découvert que l'on pouvait obtenir des résultats 5 supérieurs en portant la température à une valeur de l'ordre de 260°C ou plus, ou en effectuant line opération ultérieure de cuisson- à cette température. Il semble que la matière résineuse se décompose dans une certaine mesure à cette température plus élevée et l'on obtient, en tout cas, une adhérence supérieure de 10 la matière à la surface céramique. Un autre type préféré de composition de lubrifiant pelliculaire sec est constitué d'un sulfure de molybdène, de tungstène ou autre métal, combiné avec du silicate de sodium et de l'eau ou de l'isopropanol. Dans le cas du silicate de sodium, 15 les pièces peuvent être préchauffées à une température de l'ordre de 177°C puis abandonnées au séchage à l'air; dans le cas de l'isopropanol, on peut utiliser un simple durcissement à sec dans un courant d'air. Selon d'autres caractéristiques de l'invention, le lubri-20 fiant pelliculaire sec est appliqué à des surfaces périphériques généralement cylindriques de rotors en céramique sous forme de disques plats comportant des ouvertures centrales pour le passage d'un arbre. Pour appliquer le lubrifiant pelliculaire sec, les pièces de rotor sont empilées sur des baguettes de manière 25 telle que seules les surfaces périphériques à enduire soient exposées, après quoi la composition de lubrifiant pelliculaire sec peut être appliquée par pulvérisation ou autre moyen sur les surfaces exposées puis soumise à une cuisson, un séchage ou autre traitement. 30 L'invention envisage d'autres buts, caractéristiques et avantages qui ressortiront mieux de la description détaillée qui suit, jointe au dessin annexé qui illustre un mode préféré de réalisation et dans lequel : La figure 1 est une section transversale d'un assemblage 35 de commutateur construit selon les principes de l'invention ; La figure 2 est une section transversale prise sensiblement selon la ligne II-II "de la figure 1 ; La figure 3 est une section transversale agrandie, d'une pièce de rotor selon l'invention, et 40 La figure 4 montre l'empilage de pièces de rotor sur une 69 11778 4 2008344 "baguette en.vue de l'application d'un lubrifiant pelliculaire sec et d'autres traitements» La référence numérique. 10 désigne.un assemblage de commutateur en céramique construit conformément aux principes de 5 l'invention. Le commutateur 10 a deux sections 11 et 12 qui, ainsi qu'il est représenté, sont de construction sensiblement identique avec une multiplicité de bornes reliées entre elles d'une manière particulière et commandées par un arbre 13 agissant 10 par rotation. Bien entendu, les arrangements de contact et le nombre des sections peuvent être modifiés selon les fonctions de commutation à effectuer dans l'application envisagée pour le système de commutateur. . La section 11 représentée -comprend un disque rotor 14 en 15 céramique étroitement ajusté et claveté sur une partie terminale de l'arbre 13 et qui présente deux parties planes 15 pour le repérage et le clavetage. TJn petit évidement 17 dans l'ouverture centrale 16 permet l'orientation visuelle. • Un segment de contact en arc 19 porté à l'avant du disque 20 de rotor 14 entre simultanément en contact avec six des douze contacts 20 formés aux extrémités des dispositifs de serrage 21 fixés par des rivets 22 sur un. disque de stator 24 en matière - -céramique. Si on le désire, un segment similaire de contact 25 peut être porté par le côté arrière du disque de rotor 14 pour 25 venir au contact de.-contacts 26 formés sur les extrémités de dispositifs de serrage 27 qui sont fixés sur le c6té arrière du disque de stator 24. On - comprendra que, bien que soient représentés des ensembles de contact avant et arrière, le modèle peut; être tel qu'un seul type de contact soit assuré et l'on compren-30 dra en outre que l'on peut utiliser divers agencements de contacts, selon les opérations de commutation à réaliser. Le disque de stator 24 de l'ensemble 11 et le disque de' stator de l'ensemble 12 sont supportés depuis une plaque 30 par -une paire de boulons 31, des bagues d'espacement appropriées 35 32 étant disposées sur les boulons 31» La plaque 30 est supportée par une bague 34 qui constitue un palier de portée pour l'arbre 13 et qui porte une plaque 35 disposée à l'arrière de la plaque 30» La plaque 35 comporte une ouverture qui reçoit une bille d'arrêt 36, pressée vers la plaque 30 par une plaque 40 37 formant ressorte La plaque 30 est formée de douze projections 69 11778 5 2008344 arrière; 38 entre lesquelles s'engage la "bille 36 pour "bloquer l'arbre 13 dans une position angulaire choisie, ce "blocage pouvant être dégagé. Il est souhaitable que différentes formes de contacts 5 puissent être fixées sur le disque de rotor 14, selon les nécessités, et dans le dispositif représenté, le disque de rotor 14 est muni de douze ouvertures 40 disposées de façon à former entre elles des angles égaux et placées à des distances radiales égales de l'arbre central .* lequel reçoit des languettes 10 41 s'étendant depuis les bords intérieurs des segments 19„ Pour assurer un bon contact électrique, les contaets 20 et les dispositifs de serrage 21, qui constituent une seule-pièce avec les contacts 20, sont en un métal souple approprié et lorsqu'ils ne sont pas soumis à une contrainte, les contacts 15 20 s'étendent vers l'arrière du plan de la surface avant du segment 19 de façon à obtenir un contact d§£>ression entre les contacts et le segment 19. Comme représenté, le disque de stator 24 comporte des fentes radiales 42, alignées avec les contacts 20 et définissant entre ces fentes des doigts 43 se projetant 20 radialement vers l'intérieur. Les portions intérieures et de surface des doigts 43 sont disposées au voisinage d'une surface de bord cylindrique externe 44 du disque de rotor 14 et ont la forme de segments cylindriques. Les portions intérieures et de surface des doigts 43 définissent ainsi ensemble une surface 25 cylindrique regardant vers l'intérieur et qui est interrompue en raison de la présence des fentes 42. On comprendra cependant que le disque de stator peut comporter une surface cylindrique ininterrompue regardant vers l'intérieur, si l'on diminue ou supprime les fentes 42. 30 Selon la présente invention, un lubrifiant pelliculaire sec 45 est fixé sur les surfaces externes 44 du disque de rotor 14. Le lubrifiant 45 sert à éviter que la surface 44 ne grippe sur les portions superficielles situées aux extrémités des doigts 43, ce qui est très important pour éviter une action a-35 brasive■et pour éviter la formation de poussière de céramique qui pourrait sinon se loger entre les contacts 20 et 26 et les segments 19 et 25. En outre, le lubrifiant 45 sert d'isolant électrique et il réduit le frottement, afin-de diminuer l'énergie nécessaire pour faire tourner l'arbre 13 d'une position à 40 l'autre, ainsi que pour obtenir une action plus uniforme et 69 11778 6 2008344 plus sure. Le lubrifiant pelliculaire sec 45, en éliminant le frottement du disque dq^éramique, "évite la-sensation de grincement qui est déplaisante à l'oreille et au toucher., En outre, avec le lubrifiant 4-5 il n'est pas nécessaire de maintenir des 5 tolérances extrêmement étroites, ou d'aligner et réaligner les pièces de façon très critique, ce qui diminue le travail et les frais de fabrication, et prolonge la durée de service utile du commutateur« Selon une caractéristique spéciale, la surface extérieure 10 du disque de rotor 14 comporte des bords chanfreinés ou biseautés 46 sur lesquels est fixé le lubrifiant pelliculaire sec 45, pour réduire au minimum la possibilité d'enlèvement par pelage du lubrifiant de sur le disque de rotor durant l'assemblage, et pour améliorer par ailleurs l'aptitude du lubrifiant à la 15 durée et à l'efficacité. Conformément à une autre caractéristique de l'invention le lubrifiant est fixé par la chaleur sur la surface du disque en céramique 14. Un type préféré dé composition est un tétrafluoroéthylène ("Teflon") qui peut être associé avec un liant 20 résineux ou une base aqueuse avec des agents modifiants. Un autre type préféré de composition est un sulfure de molybdène, de tungstène ou d'un autre métal combiné avec un silicate de sodium ou avec de l'isopropanol. En voici des exemples, qui ne sont pas limitatifs, d'autres types de compositions étant pos— 25 sibles. •RTRMPLE 1 On pulvérise ou on applique d'une autre manière sur la surface de la pièce en céramique une résine colloïdale de tétrafluoroéthylène combinée avec une solution de résine phénoli-30 que, sous forme d'une dispersion dont les solides représentent une teneur 50 % en tétrafluoroéthylène et 50 % de résine, puis on cuit à une température de l'ordre de 150°C pendant une heure. La matière de dispersion utilisée peut-être celle qui est vendue sous le nom déposé de "Embalon 310" produit de 35 l'Acheson Colloïds Company. La température de cuisson de 150°C est suggérée dans la notice du fabricant relative à ce produit. On a toutefois trouvé que la pellicule pouvait être traitée à . une température sensiblement plus élevée, de l'ordre de 290°C, avec obtention de résultats inattendus tels qu'une meilleure 40 adhérence de la matière à la céramique et des qualités 69 11778 7 2008344 lubrifiantes supérieures,, Il semble que la majeure partie de la résine soit chassée à température élevée. le traitement à température élevée est effectué de préférence après cuisson initiale de la matière à une température d'environ 150°C conformé-5 ment à la notice du fabricant. : EXEMPLE 2 On combine une résine colloïdale de tétrafluoroéthylène avec une solution de résine époxydée, de préférence avec une teneur en solides de 50 % de tétrafluoroéthylène et de 50 % de 10 résine et on pulvérise la dispersion liquide ainsi obtenue ou on l'applique d'une autre manière à la surface de la pièce en céramique} puis on cuit à une température d'environ 177°C pendant une heure. La matière de dispersion peut être celle vendue sous le nom déposé de "Embalon 315" j produit vendu par l'Acheson 15 Colloïds Company et la température de cuisson recommandée dans la notice du fabricant est de 177°0. Ici encore le traitement à une température élevée, de l'ordre de 290°C, peut être effectué pour obtenir des résultats meilleurs et" inattendus. kxkmptïe 3 20 On combine du sulfure de molybdène colloïdal a»ec un sili cate de sodium et de l'eau, la teneur en disulfure de molybdène solide étant de 20 %, de préférence et l'on pulvérise ou applique d'une autre mafcière la dispersion liquide à la surface de la pièce en céramique après préchauffage de cette pièce à en-25 viron 177°Cj la. pellicule étant durcie par séchage à l'air. Le sulfure de molybdène est vendu sous le numéro 206 par l'Acheson Colloïds Company. EXEMPLE 4 Cet exemple est le même que l'exemple 3 à cela près que 3D le silicate de sodium et l'eau sont remplacés par l'isopropanol, et que le préchauffage de Iç&ièce céramique n'est pas effectué. La dispersion est vendue sous le numéro 210 par l'Acheson CoTloffo Company. EXEMPLE 5 35 Cet exemple est le même que l'exemple 33 à cela près que le sulfure de molybdène est remplacé par le sulfure de tungstène; la dispersion est fournie par l'Acheson Colloïds Company sous la désignation "EC-2321". EXEMPLE 6 40 Cet exemple est le même que l'exemple 4 sauf que le 69 11778 8 2008344 sulfure de molybdène est remplacé par le sulfure de tungstène, la dispersion pouvant être acquise sous la dénomination de "EC-2325" à l'Acheson Colloïds Company. TOrEMPT.E 7 5 On pulvérise du tétrafluoroéthylène combiné avec 30 à 50 % d'eau plus des agents modifiants, ou on l'applique d'une autre manière sous forme d'une dispersion liquide à la surface de la pièce en céramique; on laisse sécher pendant quinze minutes à l'air et l'on fait fondre à une température de l'ordre 10 de 385 à 425°C pendant quinze à vingt-cinq minutes. Cette dispersion est vendue sous le ïf° 851-204- par E.I. Du Pont de Nemours Co. ■ • De ces sept exemples les compositions des exemples 1 et 2 paraissent donner les réaultats les meilleurs pour ce qui 15 concerne l'obtention d'un faible coefficient de frottement, des caractéristiques d'isolement électrique, de gammes de températures superficielles, d'adhérence superficielle des véhicules liants, de résistance à l'abrasion, de facilité d'application et d'aptitude au réglage de l'épaisseur de la pellicule. Toute-20 fois, les autres compositions sont utilisables et peuvent être avantageuses dans des applications particulières. Pour ce qui concerne l'épaisseur des pellicules, elle est de préférence de l'ordre de 0,01 à 0,0125 mm. Se référant à la figure 4, les disques en céramique 14, 25 avant application du lubrifiant pelliculaire sec peuvent être empilés sur line baguette 43 entre une pièce cylindrique 49 fixée sur la baguette 48 et-une pièce cylindrique 50 de préférence filetée sur la baguette 48 de manière que les faces planes des disques 14 soient étroitement maintenues ensemble. Avec les 30 disques en céramique 14 empilés sur la baguette support 48, le lubrifiant pelliculaire sec peut être pulvérisé de manière à recouvrir les surfaces cylindriques externes 44 ainsi que les bords chanfreinés ou biseautés 46 puis durci selon l'un des exemples précédemment exposés. Les disques 14 peuvent être en-35 levés des baguettes supports et il est à noter que les bords biseautés constituent à cet égard un avantage en ce que l'épaisseur de la pellicule est un peu moindre à la jonction entre des disques contigus et qu'elle- peut être plus facilement rompue. 40 A noter que le lubrifiant pelliculaire sec peut être 69 11778 9 2008344 appliqué à l'une des surfaces pouvant entrer en contact mutuel d'une paire de pièces céramiques qui; ne peuvent pas exécuter un mouvement rotatif relatif mais peuvent se déplacer d'une autre façon l'une par rapport à l'autre, comme c'est le cas des piè-5 ces de support prévues pour un mouvement de va-et-vient relatif. On notera en outre que "bien que le lubrifiant pelliculaire sec soit appliqué dans le mode de mise en oeuvre illustré à la surface cylindrique extérieure du disque de rotor 14 il est possible de l'appliquer sur les portions de surfaces-intérieures 10 terminales des doigts 43 et dans Inapplication du lubrifiant, on peut empiler plusieurs disques de stator 24 de manière à placer leurs surfaces planes en contact étroit, l'enduit étant appliqué à l'intérieur des pièces de stator ainsi empilées. D'autres variantes et modifications sont naturellement 15 possibles sans qu'on s'écarte pour autant du cadre et de l'esprit de l'invention. 69 11778 10 2008344 REVENDICATIONS 1. Une pièce en céramique portant des contacts pour un commutateur ou interrupteur électrique, caractérisée par le fait qu'elle comporte une surface pouvant être placée à proximité 5 d'une surface d'une autre pièce en céramique portant des contacts èt pouvant effectuer un mouvement relatif par rapport à la première pièce, et qu'elle comporte un lubrifiant pelliculaire électro-isolant fixé de manière permanente à la surface de ladite pièce pour éviter un grippage eu contact abrasif des- 10 dites surfaces et prévenir la formation de particules pulvérulentes de céramique qui pourraient sinon s'engager et se loger entre les contacts portés par lesdites pièces. • 2. Une pièce en céramique selon la revendication 1 caractérisée par le fait qu'elle a la forme d'un disque de rotor, 15 ladite surface se trouvant dans la partie périphérique extérieure. 3. Une pièce en céramique Selon la revendication 1 caractérisée par le fait que le lubrifiant pelliculaire. sec est fixé par la chaleur sur ladite.surface. 20 4. Une pièce en céramique selon la revendication 1 carac térisée par le fait que le lubrifiant pelliculaire sec comprend du tétrafluoroéthylène» 5. Une pièce en céramique selon la revendication 4 caractérisée par le fait que le lubrifiant pelliculaire sec comprend §5 une matière résineuse liante» 6. Une pièce en céramique selon la revendication 5 caractérisée par le fait que la matière résineuse liante est une résine phénolique. 7» Une pièce en céramique selon la revendication 5 carac- 30 térisée par le fait que la matière résineuse liante est une résine époxydée. 8. Une pièce en céramique selon la revendication 1 caractérisée par le fait que le lubrifiant pelliculaire sec comprend un disulfure métallique. 35 9» Interrupteur ou commutateur électrique comprenant deux pièces en matière céramique et des contacts électriques fixés sdr ces pièces et pouvant entrer en contact mutuel, ces pièces étant mobiles l'une par rapport à l'autre et présentant des surfaces pouvant entrer en contact et étroitement rapprochées, ca— 40 ractérisé par le fait qu'il comporte un lubrifiant pelliculaire 69 11778 n 2008344 sec électro-isolant fixé de manière permanente sur une desdites surfaces pour prévenir un grippage œoi contact abrasif desdites surfaces et éviter la formation de particules pulvérulentes de céramique qui pourraient, sinon s'engager et se loger 5 entre lesdits contacts électriques„ 10. Commutateur électrique selon la revendication 9j caractérisé en ce que lesdites pièces en céramiques sont sous forme de disques capables d'effectuer un mouvement de rotation relative et que les surfaces sont des parties de surfaces in- 10 térieures et extérieures de--dis que s généralement concentriques et se faisant face. 11. Dans un procédé de fabrication de pièces en céramique pour interrupteurs ou commutateurs électriques les opérations consistant à enduire une surface d'une pièce en céramique à 15 l'aide d'une matière lubrifiante liquide et à sécher ladite matière pour obtenir sur la surface un lubrifiant pelliculaire sec» 12» Un procédé de fabrication d'une pièce en céramique selon la revendication 11 caractérisé par le fait qu'on appli- 20 que de la chaleur pour coller ladite matière à ladite surface. 13« Un procédé de fabrication d'une pièce en céramique selon la revendication 11 caractérisé par le fait que l'opération d'enduisage de la surface consiste à d'abord empiler cette pièce avec plusieurs autres ayant chacune deux surfaces généra- 25 lement planes, opposées et parallèles et une surface latérale telle que chacune des surfaces planes de chacune des pièces soit disposée contre la surface plane d'une pièce contiguë pour en éviter l'exposition, puis que lesdites surfaces latérales reçoivent une pulvérisation de la matière lubrifiante liquide. 30 14. Un procédé selon la revendication 13 caractérisé par le fait que chacune desdites pièces est un disque de rotor ayant une ouverture centrale et lesdites pièces sont empilées sur une baguette passant par l'ouverture, lesdites surfaces latérales étant les surfaces périphériques desdites pièces. 35 15» Un procédé selon la revendication 14, caractérisé par le fait que lesdites pièces comportent initialement des bords périphériques biseautés. 16. Un procédé selon la revendication 11, caractérisé par le fait que la aatière lubrifiante liquide est une dispersion 11778 12 2008344 de tétrafluoroéthylène et d'un liant résineux, le durcissement de la matière lubrifiante étant effectué par chauffage à une température de l'ordre de 150°C ou plus. 17» Le procédé selon la'revendication 16, caractérisé par le fait que l'opération de chauffage est effectuée à une température de l'ordre de 260°C ou plus, suffisante pour décomposer au moins partiellement la matière résineuse»