Brevet FR2225854A1 — publié le 19741108

L'invention concerne le domaine des constructions électriques, notamment les machines électriques à collecteur, et plus précisé- ment la construction d'un profilé bimétallique pour collecteur et un procédé de fabrication de ceprofilé. Actuellement, pour le développement des constructions électriques et, notamment pour la création de machines électriques à haute efficacité à collecteur, il est nécessaire d'augmenter la vitesse de rotation des parties tournantes, et en particulier du collecteur. Toutefois, aux grandes vitesses de rotation, dans les gros collecteurs, les lames de collecteur ne peuvent supporter les charges-apparaissant dans leur zone de fixation sous l'effet des forces centrifuges et se déforment. La déformation consiste en ce que la zone de fixation de la lame, c'est-à-dire la queue d'aronde, se rabat, et par suite les lames se déplacent l'une par rapport à l'autre. Le monolithisme du collecteur s'en trouve détruit, et dans la zone où s'effectue le contact glissant entre les lames du collecteur et les balais, certaines lames dépassent au-dessus des autres. Au cours de la rotation du collecteur, les lames saillantes viennent heurter las balais et détériorent la surface de glissement. I1 s'ensuit la production d'étincelles et de crachements périphériques sur le collecteur, ce qui provoque la mise hors d'usage de la machine. Afin d'élever la qualité et la fiabilité, et de mieux assurer un bon état de fonctionnement des machines électriques à collecteur, ainsi qu'en vue d'économiser du cuivre, il a été proposé diverses constructions de lames bimétalliques de collecteurs, dans lesquelles la zone de fixation, c'est-à-dire la queue d'aronde, est réalisée en acier pour augmenter la résistance mécanique et économiser du cuivre, et la partie conductrice est réalisée en cuivre. On connaît des lames bimétalliques de collecteurs, réalisées avec deux métaux différents : la partie conductrice supérieure en cuivre et la partie inférieure, c'est-à-dire la queue d'aronde, en acier. De telles lames peuvent être fabriquées, par exemple, par la méthode de la métallurgie des poudres, consistant en ce que des poudres de cuivre et de fer versées dans un moule à compression y sont comprimées sous une certaine pression, puis frittées à une température prédéterminée. Les lames obtenues par cette méthode ont des propriétés physico-mécaniques moins bonnes que les lames fabri quées à partir d'un demi-produit monométallique en cuivre par laminage et tréfilage. La partie conductrice d'une lame bimétallique de collecteur fabrique avec une poudre de cuivre a les caractéristiques suivantes densité 8,8 g/cm3 résistivité 0,020 J) m dureté Brinell 75 H B Une lame de collecteur monomdtallique en cuivre, obtenue par laminage et tréfilage, a les caractéristiques suivantes densité 8,9 g/c=3 résistivité 0,018 .mm .mn dureté Brinell 95 Hg La partie en queue d'aronde d'une lame bimétallique fabriquée par frittage d'une poudre de fer possède elle aussi des caracteris- tiques de résistance abaisses, car la température de frittage de la poudre de cuivre est inférieure à la température optimale de frittage de la poudre de fer. Une lame bimétallique de collecteur de telle constitution peut aussi être fabriquée par un procédé métallurgique dans lequel, une barre d'acier à section rectangulaire est introduite après traitement préliminaire dans une lingotière, dans laquelle, après chauffage, on coule du cuivre en fusion. Le demi-produit bimétallique obtenu est laminé à chaud et tréfilé. Lors du laminage d'un tel demi-produit, les cylindres du laminoir viennent simultanément au contact de la partie on cuivre et de la partie en acier, et, par suite des propriétés plastiques et des coefficients de frottement différents de ces parties, le demi-produit laminé s'incurve vers la partie en cuivre, ce qui complique le laminage à chaud. C'est pour cette raison que ce procédé n'a pas été appliqué dans l'industrie. Il a été proposé un autre procédé de fabrication des lames bimétalliques de collecteurs par la méthode de la métallurgie des poudres (voir le brevet des Etats-Unis d'Amérique NO 3 411 197, le brevet d'Angloterre NO 1 045 918 et le brevet de la R.F.A. NO 1 241 901). Les profilés pour collecteurs sont fabriques dans ce cas par un laminage, à partir de poudres d'acier et de cuivre, d'une bande à section rhomboidale, dont les bords sont en poudre d'acier et le milieu en poudre de cuivre, suivi d'un frittage de la bande avec serrage simultané à chaud sous atmosphère protectrice. Les lames sont ensuite découpées dans la bande obtenue Le procédé de fabrication comprend trois opérations principales : un laminage à partir de poudres de cuivre et d'acier d'une bande bimétallique à section rhomboidale, un frittage avec serrage simultané par laminage à chaud dans un four électrique à action continue sous atmosphère protectrice, et un découpage à la presse des lames de collecteurs. L'inconvénient commun aux constructions énumérées ci-dessus consiste en ce que les parties constitutives du profilé bimétallique pour collecteurs ont des coefficients de dilatation différents. C'est pourquoi, en utilisation, quand le collecteur s'echauffe, il se déforme et perd son monolithisme. En outre, dans les constructions mentionnées, les deux parties constitutives sont découvertes; aussi, sous l'action du milieu ambiant, ont-elles tendance à former un couple galvanique cuivreacier, ce qui provoque la destruction de leur jonction. La stabilité de forme du collecteur en utilisation est une condition indispensable pour assurer une bonne commutation. C'est pourquoi on a tenté de remplacer le cuivre du collecteur par d'autres métaux, entièrement ou partiellement, afin de diminuer la charge apparaissant pendant l'utilisation dans la zone de fixation des lames du collecteur sous l'effet des forces centrifuges. On connais une construction de profilé bimétallique trapézol- dal pour collecteurs, représentée à la Fig. 4 du dessin annexé. L'inconvénient d'une telle construction réside dans la complexité du procédé de fabrication assurant l'obtention d'un tel profilé et une jonction robuste des parties constitutives susceptible de conférer la résistance mécanique nécessaire à la queue d'aronde et la dureté voulue à la partie conductrice du profilé. Le but de l'invention est de supprimer les inconvénients indiqués, en fournissant une construction de profilé bimétallique pour collecteurs de machines électriques, assurant la résistance mécanique nécessaire tout en conservant une haute conductivité électrique. A cet effet, l'invention a pour objet un profilé bimétallique trapézofdal pour collecteurs de machines électriques, du type comprenant une couche extérieure, en métal à haute conouctivité électrique, par exemple en cuivre ou en un alliage à base de cuivre, se présentant sous forme d'une gaine continue, et une partie intérieure en un métal de plus grande résistance mécanique, par exemple en acier, et décalée suivant l'axe de symétrie de la section trapézoi- dale vers la petite base de cette section, caractérise en ce que la partie intérieure présente une section piriforme plus large du côté de la grande base du trapèze, ou bien une section à peu près elliptique, une couche de diffusion étant formée sur toute la surface de contact de la couche extérieure avec la partie intérieure. Il est avantageux de choisir l'aire de la section transversale de la partie intérieure du profilé bimétallique en partant des dimensions de la zone de fixation des lames bimétalliques, sa valeur devant être un peu plus grande que celle de l'aire de la section des queues d'aronde. Un procédé de fabrication du profilé bimétallique pour collecteurs de machines électriques selon l'invention, consiste à prendre une lingotière dont la section droite est constituée par un rectangle et un demi-cercle dont le diamètre est égal à la longueur du rectangle, à placer dans cette lingotière un noyau d'acier désoxydé et dégraissé à section arrondie, de telle façon qu'il soit décalé suivant l'axe de symétrie de la lingotière vers la demi-circonférence, en laissant par rapport à la paroi de la lingotière un écartement d'au moins 2 mm, à couler dans la lingotière du cuivre en fusion en l'absence d'atmosphère oxydante et à maintenir à une température un peu plus haute que la température de fusion du cuivre pendant cinq à douze minutes afin de former une couche de diffusion, puis à extraire le lingot de la lingotière et à le façonner par dé- formation à chaud et à froid jusqu'à obtention d'un profilé bimétallique ayant une section aux dimensions voulues. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparat- tront au cours de la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple non limitatif et en regard des dessins annexés, sur les quels - la Fig. 1 représente un profilé bimétallique trapézoldal pour collecteur de machines électriques conforme à ltinvention; - la Fig. 2 est une vue de ce profilé prise en coupe suivant la ligne II-II de la Fig. 1; - la Fig. 3 représente en coupe transversale un lingot à partir duquel on obtient ce profilé; - la Fig. 4 représente un profilé bimétallique trapézoidal de type connu pour collecteurs de machines électriques. Le profilé représenté aux Fig. 1 et 2 a la forme d'un trapèze (Fig. 2). La couche extérieure 1 est une gaine continue en cuivre ou en alliage à base de cuivre, et la partie intérieure ou noyau 2 est en un matériau de plus grande résistance mécanique, par exemple en acier. Le noyau 2 a une section piriforme plus large du côté de la grande base du trapèze, cette section pouvant être également à peu près elliptique. Ce noyau est décalé vers la petite base, c'està-dire qu'il se trouve dans la zone de fixation de la lame dans le collecteur. Une telle construction présente les avantages suivants comparativement aux constitutions connues, par exemple à celle représentée à la Fig. 4. La gaine continue préserve le noyau du contact avec le milieu ambiant, en excluant ainsi la possibilité de formation d'un couple galvanique actif et de destruction de la jonction des parties constitutives. Au cours de la fabrication d'un profilé ainsi conçu par déformation (laminage et tréfilage), l'outil formant (cylindres lamineurs et filière) ne vient au contact que de l'une des parties constitutives, aussi le processus se déroule-t-il normalement, c'est-à-dire que l'incurvation de la bande due aux coefficients de frottement différents des parties constitutives est supprimé. Lors de l'échauffement du collecteur pendant la marche de la machine électrique, les lames découpées dans un tel profilé ne peuvent s'incurver par suite des coefficients de dilatation différents des parties constitutives, car le noyau est enfermé dans une gaine continue. En outre, comme le coefficient de dilatation du noyau est plus petit, les contraintes résiduelles après déformation plastique y sont plus faibles. La section piriforme ou elliptique du noyau augmente la surface de contact entre les parties constitutives et améliore le schéma d'action des forces apparaissant dans cette zone pendant la rotation du collecteur sous l'effet des forces centrifuges; la résistance mécanique de ladite zone devient plus grande. Le procédé de fabrication du profilé bimétallique pour collecteur décrit plus haut consiste en ce qui suit On prend une lingotière dont la section droite est constituée par un rectangle et un demi-cercle dont le diamètre est égal à la longueur du rectangle. On prend un noyau désoxydé et dégraissé, ayant une section droite arrondie, et on le place dans la lingotière de telle façon qu'il soit décalé suivant l'axe de symétrie de la lingotière vers la demi-circonférence, en laissant un écartement d'au moins 2 mm entre la paroi de la lingotière et la surface du noyau. On coule dans la lingotière du cuivre ou un alliage à base de cuivre en fusion. Afin de prévenir l'oxydation du noyau, on exécute la coulée du métal en l'absence d'atmosphère oxydante, par exemple dans une atmosphère de gaz carbonique que l'on obtient en faisant brûleur du charbon de bois. La forme de la lingotière et la disposition du noyau dans sa cavité assurent l'obtention d'un produit fini dans lequel le noyau est décalé vers la petite base de la section trapézodale. En outre, dans un lingot ayant un côté arrondi, il est aisé de déterminer la situation du noyau et de lui imposer une position correcte au cours du laminage. La formation d'une couche de diffusion, nécessaire pour la forte adhérence des parties constitutives, est obtenue en maintenant une température un peu plus haute que la température de fusion du cuivre ou de l'alliage de cuivre, pendant environ cinq à douze minutes, car la formation de la couche de diffusion a lieu par suite de la dissolution de la couche superficielle du noyau et de la diffusion du cuivre ou de l'alliage à base de cuivre liquide dans le noyau. La forte adhérence des parties constitutives est assurée par une couche de diffusion d'épaisseur au moins égale à 15 microns, dont la formation nécessite environ cinq minutes. Un séjour sup4- rieur à douze minutes provoquerait la pollution du cuivre ou de l'- alliage à base de cuivre par le matériau du noyau et l'altération de ses propriétés électriques. De la sorte on obtient un lingot, représenté à la Fig. 3, dont les dimensions sont déterminées par les relations R c h R 2R, O,5R C r R étant le rayon du demi-cercle; r le rayon initial du noyau; h la hauteur de la partie rectangulaire. Le lingot bimétallique obtenu est façonné par déformation à chaud et à froid, de telle façon que la pression principale soit appliquée perpendiculairement à l'axe de symétrie de sa section droite, puis on découpe dans la bande obtenue les lames de collecteurs. Les relations sus-indiquées pour les dimensions de la section droite du lingot, limitée d'un côté par une demi-circonférence, et la forme arrondie du noyau décalé vers cette demi-circonférence, assurent, quand on applique le mode de façonnage par déformation indiqué, l'obtention dans le produit fini d'un décalage maximal du noyau vers la zone de fixation de la lame dans le collecteur. On obtient ainsi une résistance mécanique maximale de cette zone et une économie maximale de matériau conducteur. La forme arrondie du noyau permet de lui assurer avec une précision suffisante une position symétrique, aussi bien dans le lingot que dans le produit fini. La forme du noyau exclut les changements de direction brusques dans l'écoulement du matériau des parties constitutives au cours du fa çonnage par déformation et crée des conditions plus favorables pour l'obtention d'une jonction robuste entre elles. Le profilé bimétallique trapézoldalpour collecteurs de machines électriques assure une rigidité et un monolithisme maximal du collecteur, aussi devient-il possible de créer des machines électriques hautement efficaces; le procédé de fabrication et la forme du lingot permettent d'obtenir le profilé indiqué avec les caractéristiques voulues. - REVENDICATIONS. 1 - Profilé bimétallique trapézoldal pour collecteur de machine électrique, du type comprenant une couche extérieure, en un métal à haute conductivité électrique, par exemple en cuivre ou en un alliage à base de cuivre, se présentant sous forme d'une gaine continue, et une partie intérieure en un métal de plus grande résistance mécanique, par exemple en acier, et décalée suivant l'axe de symétrie de la section trapézoidale vers la petite base de cette section, caractérisé en ce que la partie intérieure présente une section piriforme plus large du côté de la grande base du trapèze, ou bien une section à peu près elliptique, une couche de diffusion étant formée sur toute la surface de contact de la couche extérieure avec la partie intérieure. 2 - Profilé bimétallique selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'aire minimale de la section de ladite partie intérieure est définie à partir des dimensions d'une zone en forme de queue d'aronde par laquelle les lames découpées dans ce profilé sont fi xées sur le collecteur, la valeur de cette aire étant un peu plus grande que celle de la section de cette queue d'aronde. 3 - Procédé de fabrication d'un profilé bimétallique selon 1'une quelconque des revendications 1 et 2, consistant à prendre une lingotière dont la section droite est constituée par un rectangle et un demi-cercle dont le diamètre est égal à la longueur du rectangle, à placer dans cette lingotière un noyau d'acier désoxydé et dégraissé à section arrondie de façon qu'il soit décalé suivant 1'axe de symétrie de la lingotière vers la demi-circonférence, en laissant par rapport à la paroi de la lingotière un écartement d'au moins 2 mm, à couler dans la lingotière du cuivre en fusion en 1'absence d'atmosphère oxydante et à maintenir une température un peu plus haute que la température de fusion du cuivre pendant cinq à douze minutes afin de former une couche de diffusion, puis à ex- traire le lingot de la lingotière et à le façonner par déformation à chaud et à froid jusqu'à obtention d'un profilé bimétallique ayant une section de dimensions voulues.