Brevet FR2191331A1 — publié le 19740201

La présente invention concerne un dispositif commutateur pour une machine électrique, telle que, par exemple, un moteur ou une génératrice comportant un collecteur et, en particulier, un col.lecteur à disque, consistant en un disque en un matériau essentiellement non conducteur de l'électricité, le disque étant pourvu d'une pluralité de segments collecteurs en un matériau conducteur de ltélectricité séparés les uns des autres,auxquels sont relis les enroulements de l'induit de la machine. On connaît des dispositifs commutateurs de la technique antérieure, qui comportent un collecteur cylindrique ou en forme de disque, dont l'élément de base est constitué par un matériau non conducteur de l'électricité, par exemple, en un matériau synthétiqué, et sur lequel sont disposés, séparés les uns des aucres, des lamelles ou des segments de collecteur en un matériau conducteur de l'électricité. Les segments de collecteur peuvent être fixés sur l'élément de base du collecteur, par exemple, par électrolyse,par pacage ou métallisation, ou bien encore mécaniquement. Les collecteurs connus présentent l'inconvénient d'avoir des propriétés insuffisantes de frottement et d'usure, avec en particulier le fait que l'usure du matériau de l'élément de base du collecteur et celle du matériau des lamelles ou segments sont différentes. Il y a encore un autre problème soulevé par l'usure inégale des balais à plusieurs pôles frottant sur le collecteur à disque, ce qui entrain un allongement du court-circuit entre deux lamelles de collecteur. Un objet de l'invention consiste à surmonter ces inconvénients. Un autre objet de l'invention consiste à prévoir un dispositif commutateur tel que défini au début de l'exposé, dans lequel le frottement et l'usure du collecteur et, en particulier, des lamelles ou des segments du collecteur sont réduits le plus possible et rendus uniformes au maximum. De plus, on évite une usure inégale des balais et on améliore les propriétés électriques du dispositif commutateur. Suivant une autre caractéristique de l'invention, il est prévu un dispositif commutateur tel que mentionné ci-dessus, dans lequel les lamelles ou segments de collecteur sont en un matériau semi-conducteur, de préférence en silicium à basse résistance. En utilisant du silicium pour les segments de collecteurs, on obtient une réduction importante de l'usure aussi bien des segments que des balais, et on éliniine essentiellement une usure non uniforme. L'épaisseur des segments de collecteur peut être par exemple de 0,3 mm et ceux-ci peuvent être fixés sur le disque porteur, par exemple, au moyen d'une colle appropriée. Les intervalles entre les différents segments de collecteur sont conservés très faibles d'une manière appropriée et peuvent être remplis, jusqutà la hauteur de la surface supérieure des segments, par un matériau non conducteur de l'électricité, comme par exemple du quartz. On obtient ainsi une surface plane et particulièrement uniforme du collecteur à disque, sans solution de continuité, ni redent, si bien que l'usure des balais est très réduite. Pour obtenir une surface supérieure parfaitement lisse sans raccord sur laquelle glissent les balais avec une propriété d'usure optimale, il est proposé dans un autre exemple de réalisation de l'invention de réaliser le disque porteur lui-même en un matériau semi-conducteur à haute résistance, en particulier en silicium de haute résistivité et de former les segments du collecteur par diffusion d'atomes d'un matériau conducteur de l'électricité dans la surface du disque porteur. De cette façon, on obtient une portée parfaitement lisse sans raccord, ni redent pour les balais, dont l'usure, ainsi que celle du disque support et celle des segments de collecteur, est considérabelement réduite tandis que les propriétés électriques ainsi que la durée de vie du dispositif commutateur sont augmentées. On peut utiliser, comme matériau à diffuser, de préférérence de l'or, mais d'autres métaux sont également utilisables. La profondeur des segments diffusés peut aller jusqu'à quelques microns, soit par exemple de 5 à 10 microns environ. Les segments de collecteur sont avantageusement métallisés à l'une de leurs extrémités pour créer une connexion pour le fil de liaison vers l'enroulement d'induit. Le disque porteur en matériau semi-conducteur peut être métallisé également sur sa face postérieure et être brazé à un disque support. Mais il est également possible de fixer le disque porteur sur un disque support, par exemple en matière synthétique, en utilisant une colle appropriée. Du verre, un matériau synthétique ou une céramique conviennent également, comme disque porteur, pour y diffuser les segments de collecteur. Les balais d'amenée ou de collecte du courant sont de préférence positionnés au voisinage du point milieu du disqoeporteur pour maintenir faible la perte par frottement. D'autres caractéristiques de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante d'un exemple de réalisation, ladite description étant faite en relation avec les dessins joints, parmi lesquels: la Fig. 1 est une vue en coupe longitudinale représentant deux exemples de réalisation d'un moteur suivant l'invention, et la Fig. 2 est une vue de face du collecteur du moteur de la Fig.1. La présente invention sera décrite en se référant à un moteur miniature à courant continu, dont l'induit est sans fer. Toutefois, l'invention convient également pour des moteurs électriques d'une autre construction ou d'une autre dimension, ainsi que pour des génératrices, telles que par exemple des génératrices tachXmètriques. Le moteur 10 de la Fig. 1 comporte une enveloppe 12, à l'intérieur de laquelle est disposé un aimant permanent 14 qui est fixé à l'enveloppe 12 par un collet ou une bride 16 ou un moyen équivalent. Un arbre 18, monté sur des paliers 20 et 22 passe à travers l'enveloppe et l'aimant permanent. En fait, la Fig. 1 représente deux exemples de réalisation de collecteurs suivant l'invention, l'un étant montré au-dessous de la ligne médiane et étant repéré par les références numériques 26 et 30 tandis que l'autre est montré au-dessus de la ligne médiane et est repéré par les références numériques 27 et 31. On va tout d'abord décrire le premier exemple de réalisation, dans lequel un disque porteur 26 en matériau non conducteur de l'électricité est monté sur l'arbre 18, la manière convenable dont le disque 26 est fixé sur l'arbre 18 n'étant pas décrite plus en détail. Au disque porteur 26 est relié un induit, sans fer dans l'exemple décrit, qui coiffe l'aimant permanent 14 et qui peut tourner entre ce dernier et l'enveloppe 12. Sur la face droite du disque porteur 26, sont montés. des lamelles ou segments de collecteur 30, dont la forme apparat à la Fig. 2. Les segments sont séparés et placés à distance les uns des autres de manière à former entre eux des encoches 32, la distance entre les segments pouvant aller de bas en haut de 0,01 à 0,02 mm environ. Les segments 30 sont en un matériau semi-conducteur et de préférence en silicium à faible résistivité, chaque segment étant métallisé, par exemple au moyen d'or, à une de ses extrémités, soit par exemple à son bord extérieur, pour y former une borne 34 représentée très schématiquement sur le dessin. Les bornes 34 servent à relier électriquement les segments 30 à leurs enroulements correspondants à l'induit 28.Au lieu d'être placées à l'extérieur, les bornes 34 peuvent être formées à l'intérieur des segments, les fils de liaison vers les enroulements de l'induit 28 pouvant alors passer à travers le trou 38 du disque porteur 26. Les intervalles ou encoches 32 entre les segments de collecteur 30 peuvent être remplis, d'une manière appropriée, avec un matériau non conducteur de l'électricité, comme par exemple du quartz, pour obtenir une surface de contact lisse sans dénivellation pour les balais 42 et 44, qui sont fixés à la face intérieure d'un couvercle 40 monté sur l'enveloppe 12 et qui sont reliés électriquement avec les segments 30 correspondants. Les balais sont pourvus de connexions électriques appropriées 46 et 48 pour l'aller et le retour du courant. Au cours de la rotation de l'induit 28, les balais tratnent sur les segments 30 de collecteur d'une manière connue.Les segments 30, dont l'épaisseur dans l'exemple décrit peut autre à titre d'exemple de 0,3 à 0,4 mm (cette dimension n'étant pas limitative), sont fixés sur le disque porteur non conducteur 26 au moyen, par exemple, d'une colle en résine synthétique appropriée. Quand, en service, les balais glissent sur les segments 3P, ils subissent, comme les segments, un frottement et une usure, qui sont encore aggravées par les encoches 32 entre les différents segments 30 et les décrochages et dénivellations qu'elles présentent. Il s'est avéré maintenant que les matériaux semi-conducteurs, en particulier le silicium, présentent de très bonnes caractéristiques d'usure quand on les utilise comme segments de collecteur. L'usure et le frottement sont alors réduits à la fois pour les segments et pour les balais. Si, maintenant on remplit de plus jusqu'à la hauteur de la surface des segments, les encoches 32 entre les segments avec un matériau non conducteur, dont les caractéristiques d'usure correspondent à peu près à celles du matériau utilisé pour les segments, on réduit encore l'usure et, en particulier le frottement des segments et des balais qui devient uniforme. A titre d'exemple, le quartz convient bien comme matériau de remplissage des intervalles 32. Pour obtenir, pour les balais, une surface de frottement complètement lisse, absolument sans raccord et sans dénivellation, on a prévu, suivant une autre caractéristique de l'invention, de diffuser les segments 30 dans le disque porteur. Ce second exemple de réalisation est représenté, à la Fig.1, au-dessus de la ligne médiane. Il comporte un disque porteur 31 en un matériau semi-conducteur de haute résistivité et, de préférence, en silicium de haute résistivité. Dans la surface extérieure du disque porteur 31, sur laquelle frottent les balais 42 et 44, sont diffusés, dans la zone des segments de collecteur 30, des atomes d'un matériau conducteur de l'électricité, soit de préférence de l'or. On crée ainsi, au sein d'un disque porteur complètement lisse, sans raccord et homogène, des zones conductrices, qui forment les segments 30, ainsi que des zones non conductrices, qui forment les intervalles 32.Dans l'exemple de réalisation décrit, la profondeur. de la couche diffusée peut être de quelques microns, par exemple de 5 à 10 microns environ, alors que l'épaisseur du disque porteur 31 peut autre d'environ 0,5 mm. Le disque porteur 31 est métallisé sur son autre face, par exemple avec de l'or, de manière qu'il puisse etre soudé sur un disque support 27, qui, dans ce cas, est en un matériau que l'on peut souder et qui est fixé sur l'arbre 18 d'une manière appropriée qui ne sera pas décrite. Il est également possible de fixer le disque porteur 31 sur le disque support 27 au moyen d'une colle convenable. Les segments conducteurs diffusés dans le disque porteur 31 sont métallisés à l'une de leurs extrémités, par exemple avec de l'or, pour former des bornes auxquelles on peut souder les fils de liaison des enroulements d'induit. Ces bornes peuvent être forme du coté extérieur ou du coté intérieur des segments. Pour diffuser les atomes de métal dans la surface extérieure du disque porteur 31, on peut utiliser un procédé connu en soi. Il s'est avéré que les segments de collecteurs 30 peuvent être avantageusement constitués également par de l'oxyde de zinc (son02) ou de l'oxyde d'indium (In203). Les épaisseurs de couche peuvent alors être avantageusement de 4000 et de 8000 A environ. Les deux matériaux sont très transparents et peuvent être utilisés par exemple en liaison avec un disque porteur en verre, sur lequel l'oxyde de zinc ou l'oxyde d'indium sont vaporisés. Les deux materiaux ont une bonne conductivité électrique et, vu leurs duretés, des propriétés de surface remarquables. L'invention permet de réduire, en particulier dans les collecteurs à disque, le frottement et l'usure des balais et des segments de collecteur et de les maintenir uniformes. En réalisant les segments par diffusion d'un métal dans la surface externe du disque porteur, on peut obtenir une surface de contact entièrement lisse, sans raccord et à faible coefficient de frottement, si bien que l'usure des segments, du disque porteur et des balais peut être réduite et maintenue uniforme, ce qui permet d'améliorer les propriétés électriques- du collecteur et de prolonger sa durée de vie. Outre les collecteurs à disque, l'invention s'applique également aux collecteurs cylindriques et aux bagues collectrices. Bien que les principes de la présente invention aient été décrits ci-dessus en relation avec des exemples spécifiques de réalisation, il faut comprendre que ladite description n'a été faite qu'à titre d'exemple et ne limite pas la portée de l'invention. REVENDICATIONS 1. Dispositif commutateur pour machines électriques, tels que par exemple des moteurs ou des génératrices, comportant un collecteur, en particulier un collecteur à disque comprenant un disque porteur en nn matériau essentiellement non conducteur de l'électricité, qui est pourvu d'une pluralité de segments collecteurs en un matériau conducteur de l'électricité séparés les uns des autres, auxquels sont reliés les enroulement de l'induit de la machine, caractérisé en ce que les segments de collecteur sont en un matériau semi-conducteur. 2. Dispositif commutateur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les segments de collecteur sont en silicium de faible résistivité. 3. Dispositif commutateur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les segments de collecteur sont en oxyde de zinc. 4. Dispositif cemmutateur suivant la revendication 1, caractérisé les segments de collecteur sont en oxyde d'indium. 5. Dispositif commutateur suivant l'une des revendications 1 à 4, dans lequel entre les segments de collecteur, sont prévus des intervalles, caractérisé en ce que les intervalles entre les différents segments sont rempl.is avec un matériau non conducteur de l'électricité, en particulier du quartz, jusqu'à la hauteur de la surface supérieure des segments. 6. Dispositif commutateur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le disque porteur est en un matériau semiconducteur de forte résistivité, en particulier en silicium de forte résistivité, et en ce que les segments de collecteur sont formés par diffusion d'atomes d'un matériau conducteur de l'électricité, en particulier de l'or, à travers la surface du disque porteur. 7. Dispositif commutateur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le.disque porteur est en verre, en matériau synthétique ou en céramique et en ce que les segments de collecteur sont obtenus par diffusion d'atomes d'un matériau conducteur de l'électricité, de préférence de l'or, dans la surface du disque porteur. 8. Dispositif commutateur suivant la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce que la profondeur de la couche diffusée est environ de 5 à 10 microns.