Brevet FR2220895A1 — publié le 19741004

L'invention concerne les halais employés pour réaliser un contact électrique glissant, par exemple dans des machines électriques. Le perfectionnement de ces balais électriques se ramène essentiellement aux problèmes suivants - diminution de la résistance ohmique des balaiset du contact assuré par ceux-ci; - augmentation de la résistance à l'usure des éléments glissants; - réduction des pertes dues au frottement et obtention d'un faible coefficient de frottement; - obtention d'une bonne stabilité de contact électrique} tant au glissement en fonctionnement que pendant les périodes de longue immobilisation; - obtention d'une bonne résistance mécanique de la structure et de la matière du balai sous de grandes accélérations, des fortes vibrations et des chocs. Ces problèmes prennent une acuité particulière dans la conception des dispositifs automatiques et des systèmes de commande à distance mettant en oeuvre des micromoteurs électriques. Dans ce cas, ltobtention d'un démarrage fiable en ambiance variable suscite des difficultés supplémentaires. On connait divers balais électriques à base de graphite, contenant des additifs électroconducteura et antifriction, par exemple des métaux et sulfures finement divisés. Ces balais ont une résistance à l'usure satisfaisante et un faible coefficient de frottement, mais cependant n'assurent pas un démarrage fiable du moteur après un séJour prolongé du dispositif dans une ambiance humide et ne peuvent entre utilisés sous vide poussé. -Ces problèmes ne peuvent davantage etre résolus par l'emploi de balais métalliques, du fait de leur usure intensive et du grippage as frottement des surfaces glissantes. Un certain progrès peut être réalisé dans ce domaine en utilisant des structuraes métalliques imprégnées, dans lesquelles le balai est constitué par un rouleau plat (paquet) de tissu à haute conductance électrique, imprégné d'additifs antifriction, par exemple du bisulfure de molybdène et des huiles non acides. La particularité de cette réalisation réside dans le contact entre balai et collecteur de machine électrique, qui est effectué dans un plan parallèle à I'axe central du rouleau plat. Parmi les inconvénients notables de tels balais figurent la modification de la surface- réelle du contact balai-collecteur, et, par conséquent, de la conductivité électrique, et l'instalbilité de la résistance électrique de contact, due à l'usure couche par couche d'un produit hétérogène. I1 convient aussi de noter que l'utilisation de matériaux tissés pour la fabrication des balais entratne l'éventualité de séparation par usure de grosses particules du balai, constituées de morceaux de fil, qui sont susceptibles de perturber le fonctionnement du système balai-collecteur ou d'encrasser les paliers. Ces inconvénfents affectent également d'autres conceptions connues de balais, dans lesquelles on utilise des treillis ou des tissus métalliques. L'invention supprime les principaux inconvénients de ces balais connus et permet d'obtenir un ensemble de nouvelles qualités qui permettent d'accrottre la fiabilité et la longévité du couple d'éléments en contact électrique glissant. Dans ce nouveau balai, particulièrement pour machines électriques, formé d'une structure multicouche selon l'invention, les couches de la structure sont constituées par des feuilles, ou papiers métalliques, liées mutuellement par un adhésif à base de polymère. Cet adhésif peut contenir un liant polymère electroconduc- teur, chargé par exemple de particules de métal à l'état colloïdal. I1 est avantageux d'utiliser en tant que liant polymère des résines polymères thermodurcissables, par exemple le polyvinylfurfural. Il est également avantageux d'ajouter à l'adhésif des additifs antifriction pouvant être choisis parmi les substances ci-après poudre de polytétrafluoréthylèe, graphite, bisulfure de molybdène ou combinaisons de ces substances. Il est préférable, afin d'améliorer la transmission du courant, de réaliser une partie des couches de papier métallique de façon à avoir des lamelles dépassant au-delà de la surface du balai et constituant l'élément d'amenée de courant. Une telle réalisation du balai électrique lui assure une haute résistance à l'usure et une grande stabilité du contact en ambiance à humidité élevée et sous vide. D'autres objets et avantages de l'invention seront mieux compris à l'aide de la description détaillée qui va suivre d'exemples préférés de réalisation et des dessins annexés sur lesquels: - la ffgure 1 est une vue en perspective d'un balai électrique conforme à ltinvention, coopérant avec un collecteur formé par exemple d'un cylindre sectionné; et - la figure 2 est une vue en perspective d'une variante du balai électrique formé d'un enroulement et comportant des éléments d'amenée de courant d'un circuit électrique. Comme on le voit sur la figure 1, le nouveau balai électrique forme une structure multicouche dont les couches sont constituées par du papier ou feuille métallique I à haute conductivité électrique. Ces couches de papier métallique 1 sont liées entre elles par un adhésif polymère 2. Les couches de feuille ou papier métallique 1 sont mises en paquets et liées entre elles de préférence pour que le collecteur A soit au contact des tranches du papier métallique 1. Une telle réalisation du balai lui assure une grande résistance mécanique une bonne conductivité électrique et des propriétés stables suivant l'axe de symétrie parallèle aux plans des couches de papier métallique. Le papier métallique peut être en divers métaux à haute conductivité électrique, tels que cuivre, argent, aluminium, etc. et leurs alliages, selon les prescriptions imposées au système balai-collecteur. L'emploi d'un adhésif à base de polymère confère le monolitisme nécessaire à ce balai, empêche le grippage par diffusion des métaux du balai et du collecteur et permet, par modification de la composition et de la structure du balai, dans de larges limites, de déterminer ses caractéristiques mécaniques, de frottement et électriques. L'utilisation d'un liant polymère pur est efficace, mais > dans certains casa pour des conditions déterminées de service du système balai-collecteur, par exemple aux vitesses de glissement élevées le produit ne peut réaliser au contact balai-collecteur une résistance de contact persistante, par suite du transfert partiel du liant polymère sur la surface du col- lecteur et de la formation sur celle-ci d'un film très mince à haute résistance électrique. Cet inconvénient est supprimé, conformément à l'invention, en employant un liant polymère électroconduùteur. La conductivité électrique de ce liant à base de polymère peut étre obtenue en lui ajoutant divers éléments électroconducteurs, par exemple des particules métalliques finement divisées et réparties de façon déterminée dans la matrice polymère. Les recherches effectuées ont fait apparaître que l'addition électroconductrice la plus avantageuse pour les balais électriques est un métal à l'état collotdal. La teneur du liant en métal collotdal peut varier dans différentes limites. Les particules colloidales de métal peuvent titre formées dans l'adhésif à la mise en forme du balai par décomposition thermique de com ses métalliques déterminés. introduits au préaIable dans ltadhesif, de préf éren- ce des métaux-carbonyles et des oxalates métalliques.Les particules de métal formées par décomposition de ces composés, coopèrent activement avec l'adhésif et le papier métallique, et confèrent au balai une haute conductivité électrique, une stabilité thermique élevée et assurent une forte réduction et la constance de la résistance électrique du contact balai-collecteur, par la faculté de former un vernis que possède le liant polymère électro-conducteur. Cette faculté de former un vernis apparaît au frottement du balai sur le collecteur, un film mince électroconducteur étant formé sur les surfaces actives du balai et du collecteur par des particules collotdales de métal en contact à l'état quasi liquide. La présence de cette couche de vernis améliore non seulement et stabilise le contact électrique, mais de plus accrott fortement la résistance à l'usure du balai quand le système balai collecteur fonctionne en ambiance d'humidité élevée, ainsi que sous vide. Compte tenu du fait que les balais travaillent dans des conditions thermodynamiques dures (hautes températures locales et grandes vitesses de glissement), il est avantageux de charger le liant au maximum avec du métal colloSdal, en proportion pouvant-atteindre 80% en poids et meme plus. Les polymères convenant le mieux dans ce cas sont les résines polymères thermodurcissables à base de groupes époxy, phénol-formaldéhyde, furaniques, etc. I1 convient de noter qu'à la solidification du balai électrique la matrice du liant polymère doit présenter un grand nombre de liaisons fonctionnelles. Notamment, de bons résultats ont été obtenus en utilisant le polyvinylfurfural en tant que liant polymère. Ainsi, l'utilisation de balais en feuilles d'argent et adhésif à base de polyvinylfurfural, contenant de 85 à 90% d'argent collotdal > a permis d'abaisser la résistance de contact balai-collecteur à 3,1 ohms dans le cas d'un collecteur court-circuité revêtu de palladium, la section utile du balai étant de 2x2,5mm. La résistance du contact reste faible après 10 jours de séjour du système balai-collecteur en ambiance à haute humidité (98%) et à 40?C. La stabilité de la résistance de contact a aussi été confirmée au fonctionnement de ces balais dans des micromoteurs à courant continu, sur collecteur en cuivre.Lors du fonctionnement de tels moteurs on a noté la formation d'un film de vernis blanc métallisé, qui est conservé pendant un temps long,en ambiance à l'humidité et température élevées et variables. Ce film permet le démarrage stable du moteur sous la tension minimale. La résistance à l'usure du nouveau balai et du système balai-collecteur entier est encore augmentée par addition dans l'adhésif d'additifs antifriction, sous forme de poudres de lubrifiants solides, notam ment polytétrafluoréthylène, bisulfure de molybdène, graphite ou substances analogues. La proportion d'additifs antifriction peut atteindre 30% du poids de l'adhésif, selon les conditions de travail des couples de frottement. Un seul constituant lubrifiant est suffisants mais on peut aussi ajouter des combinaisons de plusieurs constituants lubrifiants.Notamment, pour les balais destinés au service sous vide poussé, le plus avantageux est d'ajouter du bisulfure de molybdène ou du biséléniure de niobium, ou ces deux substances simultanément, alors que lorsque le système balai-collecteur est utilisé à l'atmosphèra libre, l'addition de graphite finement divisé est suffisamment efficace. Les balais électriques de l'invention ont des propriétés de contact amélioréesss tant au contact glissant qu'à la connexion aux circuits électriques. Les éléments d'amenée du courant aux balais peuvent etre soudés de façon sûre, à basse ou haute température, aux proportions de feuilles métalliques ou du paquet non revetues d'adhésif. Un procédé efficace consiste à utiliser en tant qu'éléments d'amenée de courant des lamelles 3 (figure 2) de feuilles ou papier métalliquesl, dépassant sur la surface du balai et constituant un prolongement de certaines couches métalliques du balai. L'invention peut etre appliquée non seulement dans les dispositifs balai-collecteur des machines électriques, mais aussi dans d'autres dispositifiX- quand il faut obtenir un contact électrique glissant fiable et très stable, par exemple dans les potentiomètres de mesure, les appareils de démarrage et réglage, etc. L'invention permet d'améliorer les caractéristiques druti- lisation des balais électriques, d'accroître le rendement des machines électriques, d'augmenter la fiabilité et la longévité des systèmes balai-collecteur et, par cela même, dtobtenir une économie notable dans leur utilisation. R E V E N D I C A T I O N S 1. Balai de contact électrique, notamment pour machines électriques, formé d'une structure multicouche et caractérisé en ce que les couches sont réalisées en papier ou feuilles métalliques liées entre elles par un adhésif à base de polymère. 2. Balai selon la revendication 1, caractérisé en ce que ltadhé- sif contient un liant polymère électroconducteur. 3. Balai selon la revendication 2, caractérisé en ce que le liant polymère électroconducteur contient des particules de métaux à l'état collotdal. 4. Balai selon la revendication 1 ou 2 , caractérisé en ce que le liant polymère est une résine polymère thermodurcissable. 5. Balai selon la revendication 4, caractêrisé en ce que la résine polymère thermodurcissable est le polyvinylfurfural. 6. Balai selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'adhésif contient des additifs antifriction. 7. Balai sillon la revendication 6, caractris4 en ce que les additifs antifriction employés sont choisis parmi les substances suivantes poudre de polyt6trafluor6thylène, graphite, bisulfure de molybdène ou combinaisons de ces substances. 8. Balai selon la revendication 1, caract6ris6 en ce qu'une partie des couches de papier métallique est réaliser de façon qu'elles aient des lamelles repassant sur la surface du balai et constituant l'élément d'amenee du courant.