Brevet FR2297504A1 — publié le 19760806

La présente invention concerne un dispositif de contact électrique glissant, notamment pour des machines opérant avec des courants de très forte intensité. On se réfères par la suite essentiellement à des machines tournantes comprenant un rotor qui porte un collecteur cylindrique uni sur lequel est appuyé le dispositif de contact considéré. Mais il doit être entendu que l'invention peut s'appliquer également à divers autres genres de contacts glissants, par exemple pour la propulsion d'un véhicule électrique prélevant le courant sur un rail conducteur ou sur une plaque, ou encore pour l'alimentation d'une tourelle radar ou d'une centrale à inertie dont le socle porte des conducteurs annulaires fixes associés à des contacts montés sur la partie tournante. Dans le cas des systèmes tournants, l'invention s'applique en particulier aux machines à courant continu du type homopolaire ou-unipolaire, opérant avec des différences de potentiel assez faibles, mais avec des intensités très élevées. On connaît divers dispositifs de contact utilisant par exemple des balais compacts en graphite ou à base d'un mélange de graphite et de métal. L'emploi de tels balais sur des tachines à forte intensité du genre précité conduit à un encoibrement prohibitif, car on dat respecter un taux maximum d'intensité1 par unité de surface de contact, pour limiter l'échauffement et l'usure des balais et des collecteurs. Ce taux est de l'ordre de 30 amp./cm pour les meilleurs balais connus. Pour chercher à résoudre cette difficulté liée à l'échauffement et à l'usure des collecteurs et des contacts glissants sous forte intensité, on a proposé des balais constitués de faisceaux de fibres conductrices. Nais leur réalisation est difficile, et les résultats obtenus sont irréguliers. On a également proposé des dispositifs de contact utilisant un métal ou alliage métallique liquide à la température ambiante ou à une-température pen élevée, coele-iercure ou l'eutectique sodium-potassium. Mais ce système de contact métallique liquide présente des inconvénients pratiques sérieux, du fait notamment de la toxicité des métaux liquides, de leurs vapeurs, ou de certains composés produits par le -fonctionnement du contact. En outre, les métaux alcalins sont très sensibles à l'humidité, et présentent des risques d'explosion au contact de l'eau. les contacts métalliques liquides posent également des problèmes de corrosion de leurs supports et des collecteurs sur lesquels ils sont appliqués. les contacts au mercure produisent un dépit d'oxyde noir très gênant pour la propreté et l'endurance des contacts et des collecteurs. le but de l'invention est de remédier aux limitations et inconvénients précités, en permettant de réaliser un contact électrique glissant relativement peu encombrant, de bonne endurance, et pouvant fonctionner à un taux d'intensité relativement élevé par surface unitaire de contact. Le dispositif de contact glissant pour machines électriques pourvues d'un collecteur mobile transversalement par rapport à ce dispositif, comporte une partie conductrice appliquée au collecteur et reliée à un circuit fixé à la machine, la partie conductrice étant contenue dans une enveloppe située en regard du collecteur Selon l'invention, le dispositif de contact précité est caractérisé en ce que la partie conductrice comporte des grains électriquement conducteurs ; des moyens d'appui sont associés à l'enveloppe pour maintenir les grains en contact mutuel et avec le collecteur, tout en permettant aux grains de se déplacer les uns par rapport aux autres, ainsi que par rapport au collecteur et à l'enveloppe. le tassement des grains libres soumis aux moyens dappai assure des plages de contact suffisantes entre les grains, et avec le collecteur. La mobilité des grains limite leur échauffement et leur usure, en particulier au contact du collecteur, la8me pour un taux d'intensité relativement élevé. Suivant un mode de'réalisation préféré de l'invention, le dispositif précité comporte des moyens de circulation pour déplacer et renouveler les grains de la partie conductrice l'enveloppe comporte un orifice de sortie pour l'évacuation des grains à renouveler, et un orifice- d'entrée pour l'introduction de nouveaux grains ; un circuit de refroidissement des grains contenus dans l'enveloppe permet de faire passer un fluide à travers les interstices des grains ; des moyens de régénération, combinés avec les moyens de circulation des grains, sont prévis pour remettre en état les grains évacués hors de l'enveloppe. De préférence, les grains conducteurs sont alors calibrés. Comme on l'expose ci-après, ces dispositions améliorent l'efficacité et l'endurance du dispositif de contact. D'autres particularités et avantages de l'invention ressortiront encore de la description de quelques modes de réalisation de l'invention, présentés ci-après à titre d'exeipies non limitatifs, en référence aux dessins annexés dans lesquels : la figure 1 est une coupe axiale sonématique d'une machine à induit tournant, comportant deux groupes de dispositifs de contact conformes à l'invention; la figure 2 est une coupe transversale sehsatique suivant II-II de l'un des groupes de dispositifs de contact de la Mehifle de la figure 1 ;; la figure 3 est une vue agrandie en élévation d'un mode de réalisation particulier d'un dispositif de contact, en coupe suivant 'Il-III de la figure 2 ; la figure 4 représente la partie inférieure de la figure 3, en coupe suivant IV-IV ; la figure 5 est une coupe transversale de la partie inférieure du dispositif de la figure 4, suivant V-V ; la figure 6 est un schéma d'un circuit de remouvellement et de régénération des grains du dispositif de la figure 5. Dans le mode de réalisation des figures 1 et 2, le dispositif de contact 1 est appliqué à une tachine électrique tournante 2,comportant un inducteur fixe 3 et un induit monté 4 sur un arbre/yant un axe de rotation 11-12. Pour le passage du courant nécessaire au fonctionnement, la zone cohorte par exemple deux collecteurs cylindriques unis 5, pontés sur l'arbre 4 de l'induit. la machine électrique 2 est par exemple une achine unipolaire ou homopolaire de forte paissance, fonctionnant sous une différence de potentiel assez faible, Mis demandant par contre une intensité très élevée. Dans ce but, à chaque collecteur 5 se trouve associé (figure 2) un groupe de dispositifs de contact 1, comportant quatre unités disposées radialement et régulièrement réparties autour de la périphérie du collecteur 5. Chaque dispositif de contact 1 comporte une partie conductrice 6, reliée par un conducteur 7 à un circuit (non représenté) fixé à la machine 2. la partie conductrice 6 est contenue dans une enveloppe 8 sensiblement rigide, fixée à la machine 2 par une monture réglable 8a (figure 1). L'enveloppe 8, prismatique ou cylindrique, et d'axe transversal à l'axe x 2 de l'arbre 4, est disposée en regard du collecteur 5, de manière à permettre l'application de la partie conductrice 6 sur le collecteur, Conformément à l'invention (figures 1 et 2), la partie conductrice 6 comporte des grains 11 électriquement conducteurs des moyens d'appui sont associés à l'enveloppe 8 pour maintenir les grains 11 en contact mutuel, ainsi que par rapport à l'enveloppe 8 et au collecteur 5.Celui-ci peut Btre éventuellement lubrifié. les grains 11 peuvent etre de divers calibres et de structures variées. Ils peuvent être, par exemple, ronds ou en paillettes, pleins ou creux, compacts ou poreux. ils2 peuvent être réalisés par enrobage d'un noyau, revêtu d'un corps conducteur de nature différente. les grains il des diverses catégories précitées peuvent se présenter sous l'aspect d'une poudre en vrac, ou au contraire sous forme de grenaille plus ou moins régulièrement calibrée. les grains 11 peuvent être tous identiques, et constitués de la meme manière, ou réalisés à partir de matériaux différents. On peut ainsi mettre en oeuvre une seule catégorie de grains 11, de composition unitaire ou mixte, ou utiliser au contraire dans un même dispositif plusieurs catégories de grains. On peut notamment prévoir une catégorie particulière de grains, par exemple poreux ou fusibles, pour la lubrification du collecteur 5. Divers matériaux peuvent être utilisés paur réaliser les grains conducteurs 11, notamment des métaux tels que leur, l'argent, le cuivre ou 1' aluminium. On peut aussi recourir à des alliages variés, ou à des substances complexes, par exemple binaires ou ternaires, ayant un constituant métallique conducteur, et un ou plusieurs autres constituants à base de liants divers, tels que des élastomères ou des matières plastiques du genre polytétrafluoréthylène ou polyimide. On peut encore employer avantageusement des céramiques spéciales, connues sous le nom générique de "cermets". Dans le mode de réalisation qu'on décrit ici à titre d'exemple (figures 1 et 2), les moyens d'appui associés à l'enveloppe 8 comportent un piston conducteur 12, mobile dans l'enveloppe et soumis à un effort élastique par un ressort 13, monté entre le fond de l'enveloppe 8 et le piston, pour tasser les grains 11, et appliquer les grains conducteurs les uns contre les autres et contre le collecteur 5. On a représenté sur les figures 3 à 5 un mode de réalisation particulier du dispositif de contact 1 conforme à l'invention. Dans ce mode de réalisation, les grains lla sont de préférence calibrés et de forme sensiblement sphérique. Sn regard du collecteur 5, l'enveloppe 8 comporte une bordure 14 (figures 3, 4) dont le profil est ajusté à celui du collecteur, de manière à ménager un intervalle prédéterminé "" entre la bordure 14 et la surface du collecteur 5. De préférence, l'intervalle in est inférieur au diamètre des grains i la. Un joint déformable 15 est monté dans une gorge 16 de la bordure 14, pour arrêter les grains lia contenus dans l'enveloppe 8. De préférence, le joint 15 est constitué d'une matière électriquement isolante et à 1' éprexve de la chaleur. Par exemple, le joint 15 est en matière plastique fluorée, armée de fibres d'amiante ou analogues, offrant une bonne solidité alliée à un excellent coëfficient de frottement, et pouvant aussi se déformer pour épouser exactement le profil cylindrique du collecteur 5, sous l'effet de l'effort d'appui transmis à l'enveloppe rigide 8 par la monture 8a liée à la machine 2. De préférence le dispositif 1 comporte un circuit de refroidissement, pour réduire l'échauffement des grains lla contenus dans l'enveloppe 8.(figures 3 et 4). Dans le mode de réalisation décrit ici à titre d'exemple, le circuit de refroidissement précité comporte une chemine 21, entourant l'enveloppe 8 à hauteur de la partie conductrice 6 formée par les grains 11a. La chemise de refroidissement 21 comporte deux orifices d'entrée 22 (figure 4) diamétralement opposés et reliés à une source de fluide (non représentée), qui peut dtre par exemple une soufflante d'air sec ou d'hydrogène.Des passages 23 sont ménagés dans la paroi de l'enveloppe 8 entourée par la chemise 21, pour faire passer le fluide de refroidissement à l'intérieur de l'enveloppe 8, et le faire circuler à travers les interstices des grains Ila. L'échappement du fluide de refroidissement s'effectue notamment par des orifices de sortie 24, ménagés à travers le piston 12 et dans le fond de l'enveloppe 8. Les passages 25 de l'enveloppe 8 et les orifices de sortie 24 du piston 12 sont protégés par des grillages de calibre approprié, pour arrêter les grains 1 la sans geler le passage du fluide de refroidissement. Celui-ci peut également 8'échapper à hauteur du joint 15 au niveau du collecteur 5, comme on l'expose ci-aprè8. D'une manière avantageuse, des moyens de circulation sont prévus, pour déplacer et renouveler les grains tla de la partie conductrice 6. Dans ce but (figures 4, 5, 6), l'enveloppe 8 comporte un orifice de sortie 27, pour ltévacuation des grains lla à renouveler, et un orifice d'entrée 28 pour l'introduction de nouveaux grains lita. Les orifices 27, 28 sont réalisés chacun dans une échancrure de la bordure 14 correspondant à une interruption du joint 15, pour le passage de9 grains lla au niveau du collecteur 5. Les orifices 27, 28, permettent également la sortie du fluide de refroidissement provenant de la chemine 21, pour limiter la température des grains 1 la au niveau du collecteur 5, où 11 échauffement est particulièrement sensible. De préférence, les orifices 27, 28 sont diamétralement opposés et alignés l'un par rapport à l'autre suivant le sens du déplacement du collecteur 5 (figure 5). L'orifice d'entrée 28 est disposé du côté amont. Ceci permet de profiter de l'effet a'entraînement communiqué aux grains 11a par le collecteur 5, pour faciliter leur introduction par l'orifice 28 et leur sortie par l'orifice 27. le profil interne de l'enveloppe 8 est arrondi, sans angles vifs, pour faciliter la circulation régulière des grains lita, qui roulent les uns contre les autres, contre la surface du collecteur 5 et contre la partie interne de la bordure 14 de l'enveloppe 8. Comme on l'a schématisé sur les figures 5 et 6, les orifices 27, 28 sont chacun en communication avec une canalisation 31, 32, pour l'évacuation et l'introduction des grains tata. La canalisation 31 aboutit par exemple à une pompe d'évacuation 33, à vis ou à godets ; et la canalisation 32 est alimentée en grains nouveaux par un système dtinJection 34, à vis ou à pistons, associé à une trémie en charge (35). Suivant les caractéristiques des grains 1 la, et suivant la vitesse tangentielle du collecteur 5 au niveau des orifices 27, 28, on règle la circulation des grains lia, afin d'obtenir un débit suffisant pour leur renouvellement correct. Dans ce but, on peut modifier la tension du ressort 13 (figure 3) par exemple en choisissant pour celui-ci des spires de calibre plus ou moins fort, ou en agissant sur un moyen de réglage mécanique (non représenté). De même, on peut modifier la section utile des orifices 27, 28, par exemple au moyen de vannes réglables 36, 37, schématisées sur la figure 4. Pour des machines électriques du genre indiqué, le collecteur 5 peut atteindre une vitesse tangentielle de l'ordre de 25 mètres par seconde, dans le cas de certaines machines à hautes performances. Dans de telles conditions, le. dispositif. de contact 1 conforme à l'invention permet d'atteindre un taux d'intensité d'au moins 50 ampères par centimètre carré de surface de contact, en régime continu et prolongé. les dispositifs connus à balais compacts formés de graphite ou d'un mélange de graphite et de métal, ne permettent pas de dépasser un taux de 30 amp/cm2 dans les mêmes conditions. Le bon fonctionnement du dispositif qu'on vient de décrire dépend principalement du renouvellement régulier des grains lita, au contact du collecteur 5 ou au voisinage de celui-ci. Ces grains se trouvent en effet dans les conditions les plus sévères de température et d'usure. Comme on l'a vu, le renouvellement régulier des grains est assuré à la fois par l'entrainement dû au mouvement du collecteur 5, facilité par le profil interne arrondi de la bordure 14 de l'enveloppe 8, et par l'effet des moyens externes de circulation. Ces derniers sont constitués par le système d'injection 34 , et par la pompe d'évacuation 33. Leur débit est réglable, notamment au moyen des vannes 36, 37 pour pouvoir être ajusté à la demande. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation qu'on vient de décrire à titre d'exemples, et on peut y apporter de nombreuses variantes sans sortir du domaine de l'invention. Ainsi pour des dispositifs de contact destinés à un fonctionnement prolongé dans des conditions sévères d'échauffement et d'usure des grains 11a, on peut avantageusement prévoir pour ceux-ci une circulation en circuit fermé (figure 6), avec des moyens de régénération 36, disposés par exemple entre la pompe d'évacuation 33 et la trémie 35 du système d'injection 34. Les moyens de régénération 36, tels que schématisés sur la figure 6 comportent par exemple un dispositif de dépoussiérage et de lavage des grains 11a et un crible pour éliminer les débris et les grains de calibre insuffisant. Ces déchets sont évacués par une canalisation 37, et le complément nécessaire de grains neufs est introduit par une goulotte 38. Les grains Il rénovés, meulés aux grains neufs, sont amenés à la trémie 35 du système d'injection, pour un nouveau cycle d'utilisation. D'une manière avantageuse, on peut utiliser aussi des contacts glissants conformes à l'invention, pour certains équipements délicats où il est important d'ávoir le minimum de perturbations électriques. Tel est le cas déjà mentionné des centrales à inertie ou des tourelles de radar. Le socle de ces équipements porte des conducteurs annulaires, associés à des contacts d'alimentation ou d'exploitation montés sur la partie tournante. On peut augmenter au maximum la surface de portage de chaque contact glissant, en réalisant pour les grains conducteurs une enveloppe également annulaire, couvrant tout le pourtour du conducteur fixe. Par exemple, cette enveloppe peut avoir un profil en coupe axiale sensiblement snalogue à celui de la figure 3. Dans le cas d'un contact appliqué à plat, dans le sens de l'axe de la partie tournante, les moyens d'appui assurant le tassement des grains conducteurs peuvent comporter une pièce annulaire rigide, mobile dans l'enveloppe dans le sens de l'axe précité. Dans le cas d'un conducteur cylindrique, la pièce d'appui peut être un collier déformable, parexemple en deux parties coulissant l'une sur l'autre, pour exercer un serrage radial sur la masse des grains. RSYENDICAUIONS 1. Dispositif de contact glissant pour machines électriques pourvues d'un collecteur mobile transversalement par rapport à ce dispositif, lequel comporte une partie conductrice appliquée au collecteur et reliée à un circuit fixé à la machine, la partie conductrice étant contenue dans une enveloppe située en regard du collecteur, caractérisé en ce que la partie conductrice comporte des grains électriquement conducteurs, des moyens d'appui étant associés à l'enveloppe pour maintenir les grains en contact mutuel et avec le co31ecteurs tout en permettant aux grains de se déplacer les uns par rapport aux autres, ainsi que par rapport au collecteur et à l'enveloppe. 2. Dispositif conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que la partie conductrice comporte des grains se présentant sous forme de poudre en vrac. 3. Dispositif conforme à l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la partie conductrice comporte des grains calibrés. 4. Dispositif conforme à ltune des revendications 1 à 3, et comportant une enveloppe prismatique sensiblement rigide pour contenir les grains, caractérisé en ce que les moyens d'appui associés à l'enveloppe comportent un piston conducteur mobile dans l'enveloppe et soumis à un effort d'appui élastique. 5. Dispositif conforme à ltune des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comporte un circuit de refroidissement des grains contenus dans l'enveloppe, pour faire passer un fluide à travers les interstices des grains. 6. Dispositif conforme à la revendication 5, caractérisé en ce que le circuit de refroidissement des grains comporte une chemise entourant I'enveloppe à hauteur de la partie conductrice formée par les grains, la chemise précitée comportant au moins un orifice d'entrée reliée à une source de fluide sous pression, des passages pour le fluide étant ménagés .dans la paroi de l'enveloppe entouree par la chemise. 7. Dispositif conforme à l'une des revendications t à 6, caractérisé en ce qu'un intervalle prédéterminé est ménagé entre le collecteur et une bordure de l'enveloppe en regard de celui-ci, un joint déformable étant disposé dans l'intervalle précité, pour arrêter les grains contenus dans l'enveloppe. 8. Dispositif conforme à la revendication 7, caractérisé en ce que le joint est constitué d'une substance isolante électriquement, et à l'épreuve de la chaleur. 9. Dispositif conforme à l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de circulation pour déplacer et renouveler les grains de la partie conductrice, l'enveloppe comportant un orifice de sortie pour ltévacuation des grains à renouveler, et un orifice d'entrée pour l'introduction de nouveaux grains. 10. Dispositif conforme à la revendication 9, caractérisé en ce que 1' orifice d'entrée et l'orifice de sortie des grains sont réalisés chacun dans une échancrure de la bordure de l'enveloppe, en regard du collecteur, le joint de la bordure de l'enveloppe étant interrompu à l'endroit de chacune des écrancrures précitées. 11. Dispositif conforme à la revendication 10, caractérisé en ce que l'orifice d'entrée et l'orifice de sortie sont diamétralement opposés par rapport à l'enveloppe et alignés dans le sens du mouvement du collecteur, l'orifice d'entrée étant disposé du côté de l'amont, et en ce que la partie interne de l'enveloppe en regard du collecteur présente un profil arrondi. 12. Dispositif conforme à l'une des revendications 9 à 11, caractérisé en ce qu'il comporte, en combinaison avec les moyens de circulation des grains, des moyens de régénération pour remettre en état les grains évacués hors de l'enveloppe. 15. Dispositif conforme à la revendication 12, caractérisé en ce que les moyens de régénération des grains comportent un dispositif de dépoussiérage et de lavage des grains, et un crible pour éliminer les débris et les grains de calibre insuffisant.