Brevet FR2503468A1 — publié le 19821008

" Balais à lames pour petits moteurs électriques " La présente invention concerne de façon générale les balais à lames pour les petits moteurs électriques, et elle porte plus particulièrement sur des balais à lames pour de petits moteurs électriques qui sont conçus de fa- çon à réduire les variations dans la rotation du moteur. Au cours des dernières années, un nombre crois- sant de petits moteurs électriques ont été utilisés dans les équipements sonores, les instruments de précision et divers autres équipements. La figure 1 représente schéma- tiquement les éléments tournants et le mécanisme de balai d'un petit moteur électrique caractéristique de ce type. Un rotor 1 portant des enroulements de fil autour de son noyau en fer et un collecteur 2 sont ajustés de manière fixe sur un arbre 3. Cet ensemble comprenant le rotor 1, le collecteur 2 et l'arbre 3 est placé dans un carter de moteur (non représenté) qui loge un aimant de stator. Le rotor 1 et le collecteur 2 sont supportés de façon tour- nante dans le carter de moteur, et une extrémité de J'ar- bre 3, qui traverse la face d'extrémité ouverte du carter du moteur, est supportée par un palier monté sur le carter du moteur, tandis que l'autre extrémité de l'arbre est supportée par un palier monté sur un couvercle de carter du moteur (non représenté), destiné à fermer la partie d'extrémité ouverte du carter du moteur. La référence 4 désigne un balai à lame qui est formé par découpage dans une matière élastique et conductrice de l'électricité, et dans lequel une partie de base 5, une partie de balai 6 et une partie de borne 7 sont formées par pliage au niveau d'une partie coudée 8. La partie de base 5 est fixée au couvercle du carter du moteur de telle manière que la par- tie de borne 7 sorte par un trou formé dans le couvercle du carter du moteur, tandis que la partie de balai 6 vient en contact avec le collecteur 2 sous l'effet de son élasti- cité. Bien que ceci ne soit pas représenté sur la figure, un autre balai à lame ayant la même structure est évide.mrer.t monté face au balai à lame 4 sur la figure. Lorsqu'on utilise ce type de moteur dans du maté- riel sonore, comme un magnétophone, ou dans des instruments de précision, il doit fonctionner de manière stable avec peu de variations dans sa rotation. Pour satisfaire cette exigence, on utilise souvent des moyens de régulation de vitesse employant des circuits électroniques. On désire cependant que le moteur lui-même ait une vitesse de rotation aussi stable que possible, même en l'absence de tels moyens de régulation de vitesse. A cet égard, les performances du collecteur et des balais affectent fortement les variations de la vitesse de rotation d'un moteur. De cet fait, divers moyens ont été proposés jusqu'à présent pour améliorer les performances du collecteur et des balais, et ces moyens comprennent: le polissage de la surface du collecteur sur laquelle glissent les balais, pour donner une surface ayant un poli miroir, par usinage avec une fraise diamantée, afin d'améliorer le contact entre le collecteur et les balais et de réduire l'abrasion et la résistance de contact; ou l'uti- lisation pour le collecteur d'une matière ayant une excellen- te conductivité et une excellente résistance à l'abrasion ou la formation d'un placage sur la surface du collecteur ou le revêtement de la surface des balais qui frotte sur le collecteur avec un film d'étain ou de platine; ou la protec- tion par un film de métal précieux de la surface des balais qui frotte sur le collecteur. Cependant, aucun de ces moyens ne s'est avéré satisfaisant, à cause de divers inconvénients, tels que des performances insuffisantes dans l'élimination des variations de la rotation et des coûts de fabrication élevés. Les efforts faits jusqu'à présent visaient essen- tiellement à améliorer l'uniformité des surfaces de contact, du fait qu'on pensait généralement que les surfaces de contact du collecteur comme des balais devaient faire l'ob- jet d'une finition donnant le meilleur poli possible et qu'un contact étendu devait être établi entre les surfaces polies pour minimiser la friction de contact entre elles. Cependant, l'inventeur a découvert que ceci ne conduit qu 'à un fort dép8t de produits d'abrasion et de contaniiints sur les surfaces de contact, ce qui entraîne la formstion d'étincelles et une mauvaise conductivité, conduisant ain- si à des variations dans la rotation du moteur. L'inventeur s'est écarté radicalement de la pra- tique ancienne consistant à polir les surfaces de contact du collecteur et des balais, en leur donnant une finition qui forme des surfaces assez rugueuses, au lieu de surfa- ces ayant un poli miroir,et il est parvenu à réduire con- sidérablement les variations dans la rotation du moteur, en comparaison avec les balais à lames classiques ayant des surfaces de contact lisses. L'invention a essentiellement pour but de réali- ser des balais à lames pour de petits moteurs électriques qui conviennent à l'obtention de moteurs présentant de moindres variations de la vitesse de rotation. L'invention a également pour but de réaliser des balais à lames pour de petits moteurs électriques, dans lesquels un grand nombre d'arêtes fines sont formées à fai- ble distance les unes des autres sur les surfaces des ba- lais qui frottent sur le collecteur. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre de modes de réalisation, don- nées à titre non limitatif. La suite de la description se réfère aux dessins annexés sur lesquels: La figure 1 est une vue en perspective de la partie tournante et d'un balai d'un petit moteur électri - que. La figure 2 est une représentation schématique de la structure d'un balai à lame conforme à l'invention. La figure 3A est une représentation développée d'un balai à lame classique, et les figures 3B - 3F mon- trent les parties essentielles d'un balai à lame conforme à l'invention. La figure 4 représente un autre rode de réalioa- tion de l'invention. La figure 5 est un graphique qui facilite l'ex- plication des effets de l'invention. La figure 6 est un autre graphique facilitant l'explication des effets de l'invention. Sur les figures 2 à 6, les 6lJments identiques sont toujours désignés par les me.moes ntuaéros de ré:'rence que sur la figure 1. La référence 9 d6signe une surface plaquée ou revêtue et la référence 10 dsigne des arêtes fines. Conformément à l'invention, un nrnd noiL-re d'arêtes fines 10 sont formées à faible iistance les unez des autres sur la surface du balai à lame 6 qui vient en contact glissant avec le collecteur 2, col.:.le;:.ontre la figure 2. On a vérifié que cette structure réduit considé- rablement les variations de la rotation du rroteur. La raison pour laquelle le balai à lae de l'in- vention, comportant un grand nombre d'arêtes fines 10 zur sa surface qui frotte sur le collecteur, est capable de réduire les variations dans la rotation du moteur n'a Mas encore été déterminée avec certitude, mais on peut l'expli- quer par le raisonnement suivant. Du fait qu'un grand nombre d'arêtes finec form:es à faible distance les unes des autres sur la surface des balais qui frotte sur le collecteur viennent en contact avec la surface du collecteur, les produits d'abraion, la poussière et les contaminants qui sont générés entre le collecteur et les balais sont séparés et s'accumulent dans un grand nombre de cavités formées à faible distance les unes des autres sur la surface des balais qui frotte sur le collecteur. Ceci peut produire un effet d'auto-nettoyare qui maintient dans un état propre la surface du collecteur et un grand nombre d'arêtes sur les surfaces des b:tl:iv. On considère également que le contact entre la surface du. collecteur et un grand nombre d'arêtes aiguës formées sur les surfaces des balais produit un effet de coiup-aue 'uLr film d'huile ou d'oxyde présent sur la surface du collec- teur, ce qui donne un bon contact électrique entre lac balais et le collecteur. La figure 3A est une représentation à l'état développé d'un balai à lame 4 de type Uclusique, av'nt le pliage au niveau de la partie coudée 8, et cett-e repr.e:: - tation est faite dans le but de faciliter la co:u:!: ison avec les balais à lames ccnformes à l'invention. Les figu- res 3B - 3F représentent des modes de réalisation de l'in- vention dans lesquels un grand nombre d'arêtes fines sont formées à faible distance les unes des autres sur la sur- face de la partie de balai d'un balai à lame qui frotte sur le collecteur. Les arêtes 10 sont formées dans la direction lon- gitudinale sur la figure 3B, dans la direction transversale sur la figure 3C, dans une direction oblique sur la figure 3D, et dans des directions obliques croisées sur la figure 3E. Dans le mode de réalisation représenté sur la figure 3F, un grand nombre d'arêtes fines 10 sont formées sur la surface 9 qui est elle-même formée par placage, revêtement ou un autre traitement approprié sur la partie du balai à lame qui frotte sur le collecteur. Bien entendu, on peut former les arêtes 10 non seulement dans la direction longi- tudinale qui est représentée sur la figure, mais également dans des directions similaires à celles représentées sur les figures 3B à 3E. La figure 4 représente un autre mode de réalisa- tion de l'invention dans lequel on a donné une forme en fourche à la partie de balai d'un balai à lame, et des arêtes fines 10 sont formées à faible distance les unes des autres sur la surface de la partie de balai en forme de fourche qui frotte sur le collecteur. Bien entendu, la direction des arêtes 10 n'est pas limitée à la direction longitudinale représentée sur la figure. Dans chaque mode de réalisation mentionné ci- dessus, on peut former un grand nombre d'arêtes fines 10 en utilisant un papier revêtu d'abrasif ou une bande à roder, ou en employant une presse ou un cylindre, ou d'au- tres moyens appropriés, en tenant compte du coût et d'au- tres facteurs. En général, on forme au préalable les arg- tes fines dans une ébauche en tôle, avant de la découper pour lui donner une forme de balai, représentée sur la figure 3A. La figure 5 est un graphique facilitant l'ex- plication des effets de l'invention. Cette figure montre les résultats de tests dans lesquels on a fait fonctionner à vide, à une vitesse de 2400 t/mn, par l'application d'une tension continue de 6 V, trois petits moteurs électriques, ayant différentes configurations des surfaces des balais à lames qui frottent sur le collecteur, ces moteurs étant pratiquement identiques à tous autres égards. On a porté sur la figure les taux de variation de la vitesse de rota- tion de chaque moteur, en fonction du temps. L'abscisse représente le temps (avec une graduation en minutes), et l'ordonnéereprésente le taux de variation de la vitesse de rotation, Ln/n, exprimé en pourcentage. La courbe A de la figure montre les résultats du test pour un moteur ayant des balais à lames dont les surfaces de frottement sur le collecteur portent un grand nombre d'arêtes fines d'une hauteur moyenne de 12 pm, formées à faible distance les unes des autres dans la direction longitudinale, comme le montre la figure 3B. La courbe indique que le taux de va- riation de la vitesse de rotation est inférieur à 0,1 i, ce qui fait apparaître une rotation stable. La courbe B représente les résultats pour un moteur ayant des balais à lames dont la surface de frottement sur le collecteur porte des arêtes fines d'une hauteur moyenne de 12 pIm, formées à faible distance les unes des autres dans la di- rection transversale, comme le montre la figure 30. Ce moteur a un taux de variation de la vitesse de rotation qui est inférieur à 0,3 %, ce qui indique une rotation relativement stable. La courbe C correspond aux résultats pour un moteur ayant des balais à lames classiques, corne ceux représentés sur la figure 3A, avec des surfaces de frottement sur le collecteur lisses. Ce moteur a un taux de variation de la vitesse de rotation d'une valeur maxi- male de 2,2 % et il présente de grandes variations dans la rotation. Ces courbes montrent que les moteurs équipes des balais à lames de l'invention (courbes A et B) présen- tent des variations de rotation beaucoup plus faibles que les moteurs équipés des balais à lames classiques (courbe C). Les courbes révèlent également que, zême uvec les balais à lames correspondant à l'invention, les salais dont les surfaces de frottement sur le collecteur cozpor- tent des arêtes fines dans la direction longitudinale présentent de meilleurs résultats que ceux ayant des arg- tes fines dans la direction transversale. La figure 6 est un autre graphique facilitant l'explication des effets de l'invention. Cette figure mon- tre les résultats de tests dans lesquels on a fait fonc- tionner dans les mêmes conditions un certain nombre de moteurs ayant la même configuration des surfaces des ba- lais à lames qui frottent sur le collecteur, de façon à déterminer la fréquence d'apparition de moteurs présentant un taux de variation de la vitesse de rotation supérieur à 0,5 %. On a effectué les tests pour plusieurs groupes de moteurs avec diverses configurations des surfaces des ba- lais à lames qui frottent sur le collecteur (sans changer les autres conditions de test). Sur la figure, la fréquence d'apparition de moteurs présentant un taux de variation de la vitesse de rotation supérieur à 0,5 % dans chaque condi- tion de test est exprimée sous la forme d'un histogramme, dans lequel l'abscisse représente différentes configurations des surfaces des balais à lames qui frottent sur le collec- teur, et l'ordonnée représente la fréquence d'appari- tion, en pourcentage, de moteurs présentant un taux de va- riation de la vitesse de rotation supérieur à 0,5 % (ce qu'on appellera ci-après pour abréger "fréquence d'appari- tion"). Sur la figure, la référence A désigne la fréquence d'apparition pour des moteurs ayant des balais à lames classiques avec des surfaces de frottement sur le collecteur lisses. Les références B, C, D, E et F désignent des moteurs dont les surfaces des balais à lames qui frottent sur le collecteur portent un grand nombre d'arêtes fines ayant des hauteurs moyennes respectives de 3 pm, 12 pm, 30 pii, Fxm et 60 pm. En outre, les valeurs portées à gauche re- présentent la fréquence d'apparition pour des moteurs dont les surfaces des balais à lames qui frottent sur le collec- teur portent des arêtes fines orientées dans la direction longitudinale, de la manière représentée sur la figure 3B, et les valeurs portées à droite rer-jsenten.t lu fre-!'eence d'apparition pour des aoteur: corrportnt 'eu aere? fine formées dans la direction trunsver le, co:::.e il e. re- présenté sur la figure 3C. La fi;úure:nontre de fa:o3 Jvi- dente que, dans les cas B à F, d(ns lûszu les balais à lamines de l'inverntion, la..,:'-;ce d ri- tion est très inférieure à celle du cas A dans lequel on utilise les balais à lames lisses classirue. Ceci: re que les balais à lames conformes à l'invention sont lus efficaces pour réduire les variations de la vitesse de ro- tation des moteurs, en comparaiso.n ac l.- bll is!:: classiques ayant des surfaces de frottenont:ur le colec- teur lisses. la figure indique également que, pr'. i e modes de réalisation de l'invention, les bal-i. co: uro:.:.t des arêtes fines formées dans la direction lon-ituinhale présentent en ce qui concerne la réduction de vrîlti' c::n, de la vitesse de rotation des moteurs, un effet su:érieur à ceux ayant des arêtes fines formées dans la direct4ion transversale, et que l'effet augmente lorsque le inauceo'u des argtes augmente. Conformément à la description prêc:dente, lin.- vention permet de réduire les variations dans la rotation des moteurs par l'utilisation d'un moyen siraple et co:.o- mique consistant à former un grand nombre d'arêtes.i:ecc à faible distance les unes des autres sur les sJrfacez ie balais à lames qui frottent sur le collecteur. Il va de soi que de nombreuses-, modi.fication peuvent 9tre apportées au dispositif décrit et r'.t..-.-' sans sortir du cadre de l'invention. RETVYNLIIC TIONS 1. Balais à lames pour petits moteurs électriques ayant des surfaces de frottement sur le collecteur desti- nées à établir un contact avec le collecteur d'un moteur, caractérisés en ce qu'un grand nombre d'arêtes fines(2l)oent formées à faible distance les unes des autres sur ces sur- faces de frottement sur le collecteur. 2. Balais à lames selon la revendication 1, ca- ractérisés en ce que la surface de frottement sur le col- lecteur de chaque élément des balais à lames est constituée par une bande de métal (6). 3. Balais à lames selon la revendication 2, ca- ractérisés en ce que la surface de frottement sur le ccl- lecteur est constituée par une bande de métal dont la sur- face a reçu un placage (9). 4. Balais à lames selon la revendication 1, ca- ractérisés en ce que la surface de frottement sur le ccl- lecteur est constituée par une bande de métal sur la sur- face de laquelle est appliquée une matière de revêtement(9). 5. Balais à lames selon l'une quelconque des re- vendications 2 ou 3, caractérisés en ce que la surface de frottement sur le collecteur est formée sur la partie de balai de chaque élément de balai à lame, en divisant cette partie en plusieurs branches, pour lui donner une forme en fourche. 6. Balais à lames selon l'une quelconque des re- vendications 1 à 5, caractérisés en ce que les arêtes fines (10) sont formées dans une direction pratiquement parallèle à la direction dans laquelle ces balais établissent un contact glissant avec le collecteur. 7. Balais à lames selon l'une quelconque des re- vendications 1 à 5, caractérisés en ce que les ardtes fines sont formées dans une direction croisée par rapport à la direction dans laquelle les balais établissent un contact glissant avec le collecteur. 8. Balais à lames selon l'une quelconque des re- vendications 1 à 5, caractérisés en ce que des arêtes fi- nes qui se coupent en formant un quadrillage sont formées sur la surface de frottement contre le collecteur.