Brevet FR2498831A1 — publié le 19820730

Balai en fibres pour dynamo électrique et son procédé de fabrication. La présente invention concerne un balai en fibres pour une dynamo électrique et elle a trait, en particulier, à des balais électriques à brins dont chaque brin est revêtu d'une matière isolante et dont les brins sont reliés les uns aux autres à l'aide d'une matière susceptible d'abrasion. Les balais électriques sont utilisés dans les machines électriques pour transférer un courant entre des parties mobiles de la machine et des parties fixes de celles-ci et sont normalement réalisés sous forme de plaquettes monoli- thiques en carbone ou en un composite de carbone et de métaux fortement conducteurs. Au début du développement des machines électriques, on groupait des brins de fils métalliques en faisceaux qui ressemblaient à un pinceau et on les utilisait pour transférer le courant entre les pièces fixes et mobiles de la machine électrique; c'est pourquoi on leur a donné le nom de 'balais", un nom qui continue à être utilisé bien que la structure à brins du balai soit devenue un structure mono- lithique. Le rendement des machines à courant continu fonctionnant sous forte intensité et faible tension dépend dans une grande mesure des qualités des systèmes de balais qui transfèrent le courant des parties mobiles aux parties fixes des machines. Pour réduire les pertes ohmiques et pour améliorer les rende- ments globaux de ces systèmes, on a remplacé les balais en carbone et en graphite artificiel classiques pour des balais en graphite métallique fritté contenant 50 à 75% d'argent ou de cuivre. Ces balais ont une résistance correspondant à peu près au dixième de celle du balai classique en carbone; tou- tefois, la faible résistance conjointement avec l'inductance de perte aux lamelles soulève un problème de commutation à l'extrémité arrière du balai o cesse le contact avec les lamelles du rotor. Ce problème est connu sous la dénomination d'appauvrissement de métal, phénomène qui se produit en raison de l'accroissement considérable de la température à la surface d'interface o le balai quitte la lamelle, l'accroissement de température étant suffisant pour faire fondre le métal de la structure de balai en composite métal-graphite. L'appauvris- sement se produit tout d'abord au bord arrière du balai o la densité en énergie atteint un maximum puis se déplace du brin arrière vers la région non appauvrie. Le bord arrière élec- trique du balai s'éloigne donc en fait du bord arrière phy- sique jusqu'à la face du balai. Ce déplacement continue à se produire jusqu'à ce que l'énergie dissipée à l'intérieur de la zone d'appauvrissement à résistance élevée représente une fraction notable de l'énergie totale dissipée pendant l'inter- valle de commutation. A ce stade, la zone d'appauvrissement se stabilise à une distance déterminée du bord arrière du balai. Selon la présente invention, la demanderesse a créé un balai en fibres pour dynamo électrique, ce balai en fibres comprenant une pluralité de fibres conductrices revêtues d'une matière isolante de l'électricité, lesdites fibres étant disposées côte à côte sous la forme d'un paquet ou faisceau sensiblement plat dans lequel les fibres adjacentes sont collées les unes aux autres par une matière adhésive, une des extrémités desdites fibres étant dénudée, c'est-à-dire étant dégarnie d'isolant, lesdites extrémités desdites fibres étant réunies sous forme d'une masse conductrice, une lamelle con- ductrice étant reliée électriquement et mécaniquement à ladite masse conductrice et une pluralité desdits paquets et lamelles étant disposés côte à côte avec des couches isolantes dispo- sées entre les paquets adjacents et une matière isolante étant disposée de manière à séparer électriquement les lamelles conductrices adjacentes pour former un balai présentant des dimensions de section droite précise. Avantageusement, une lamelle conductrice est reliée électriquement et mécaniquement à la masse conductrice et une pluralité des paquets et lamelles sont disposés côte à côte, des couches isolantes susceptibles d'abrasion étant disposées entre les paquets adjacents. Une matière isolante est égale- ment disposée de manière à séparer électriquement les lamelles conductrices adjacentes pour former un balai en fibres ayant des dimensions de section droite stables. On va maintenant décrire la présente invention à titre d'exemple en se référant aux dessins annexés, sur lesquels: la fig. 1 est une vue isométrique d'un balai; la fig. 2 est une vue en coupe partielle d'un segment du balai; la fig. 3 est une vue en coupe partielle d'un segment du balai; la fig. 4 est une vue en coupe partielle du balai; la fig. 5 est une vue isométrique d'un gabarit utilisé pour former les segments de balai; les fig. 6 à 9 sont des vues en coupe partielles du gabarit montrant des phases utilisées pour fabriquer un seg- ment de balai; et la fig. 10 est une vue isométrique d'un autre gabarit. La fig. 1 montre un balai 1 en fibres pour une dynamo électrique (non représentée). Le balai 1 comprend une plura- lité de segments 3 isolés électriquement les uns des autres mais réunis sous la forme d'un balai monobloc. Comme on peut le voir sur les fig. 2 et 3, les segments 3 comprennent une pluralité de fibres 5 conductrices et isolées individuellement ou de fils de cuivre revêtus d'une matière isolante de l'électricité, ces fibres étant disposées côte à côte sous la forme d'un paquet ou faisceau sensiblement plat dans lequel les fibres adjacentes sont collées les unes aux autres par une matière adhésive. Une des extrémités des fibres est dénudée, c'est-à-dire dégarnie d'isolant, et ces extré- mités sont réunies par soudage en une masse conductrice. Les segments 3 comprennent également une lamelle conductrice 7 en forme de T comportant une barre 9 et une tige 11. La barre 9 de la lamelle 7 en forme de T comporte un épaulement 12 adja- cent à sa partie marginale extérieure, et l'extrémité dénudée du paquet aplati de fibres conductrices 5 est reliée mécani- quement et électriquement à cet épaulement par soudure. La tige 11 de la lamelle 7 en forme de T comporte à sa base une pluralité de trous 13 logeant des fils métalliques résistifs 15 qui sont formés par une matière présentant une forte résistance électrique, comme par exemple du nichrome Nichrome", et qui sont maintenus en place en étant soudés à l'argent de manière que l'on obtienne une bonne jonction mécanique et électrique résistante aux températures relati- vement élevées éventuelles à cette jonction. Chaque paquet ou faisceau aplati de fibres conductrices 5 et de lamelles 6 et 7 en forme de T est isolé électriquement ou isolé du paquet plat adjacent et de la lamelle en forme de T par du papier isolant 17 ou par toute autre matière isolante susceptible d'abrasion. Chaque barre 9 des lamelles 7 en forme de T comporte une multiplicité de trous 19 dans leurs extré- mités libres en vue de recevoir des goupilles d'assemblage 21 en wMicartan ou autre matière isolante de l'électricité. Les lamelles 7 en forme de T et les paquets aplatis 5 de fibres comportent des papiers isolés 17 disposés entre les paquets adjacents et la périphérie des paquets est entourée par un papier isolant 23 tandis que la périphérie des barres en forme de T est entourée par un ruban isolant 25, comme par exemple du lKaptonu, l'ensemble formant un balai monobloc présentant une dimension de section droite réglée. Un siège élastique 26 est disposé de chaque côté des tiges 11 sur les barres 9. Le siège élastique 26 est de pré- férence en graphite et est isolé électriquement de la lamelle 7 en forme de T par une feuille 27 de matière élastomère isolante. La longueur des fils 15 en 'Nichrome" peut être modifiée pour que l'on obtienne la résistance voulue à chaque segment de balai de manière à réduire à un minium l'appauvrissement à l'extrémité arrière du balai. Le balai 1 est un balai en fibres isolées dont la section droite a des dimensions réglées et qui s'use comme un balai massif monobloc grace à la combinaison d'une matière isolante susceptible d'abrasion avec des liants et cela tout en présen- tant les caractéristiques électriques d'un balai à brins isolés. La fig. 5 montre un gabarit 31 comportant une pluralité de parties 33 en forme de conduit rectangulaire disposées de de manière que le fil isolé 5 enroulé autour du gabarit 31 et maintenu en place par des plaques-couvercles 35 puisse être coupé pour former les paquets aplatis de fils isolés utilisés pour former les segments 3 de balai. Le procédé de fabrication du balai 1 est illustré par les fig. 6, 7, 8 et 9 et consiste: à placer une matière isolante susceptible d'abrasion, comme le papier 17, au fond des con- duits 33 (fig. 6); à disposer une bande de gaze 37 sur les parois latérales du conduit 33 de manière qu'elle s'étende sur une courte distance au-dessus et en dessous des parois laté- rales (fig. 7); à disposer un nombre prédéterminé de spires de fil isolé 5 autour du gabarit 31 en remplissant les conduits 33 et à ajouter une matière adhésive au fil isolé 5 au fur et à mesure qu'il est déposé dans les conduits 33 (fig. 8); à plier la gaze 37 sur les spires de fil isolé 5 et à ajouter un papier isolant 17 sur le dessus des enroulements (fig. 9); à placer la plaque-couvercle 35 sur les conduits 33 du gabarit 31 en expulsant par compression la matière adhésive en excès et en fixant d'une façon générale les dimensions de section droite de l'enroulement; à placer l'ensemble dans un four à la température ambiante et à augmenter la température d'environ 3 C par minute jusqu'à ce qu'elle atteigne 1901C puis à main- tenir cet ensemble à cette température pendant à peu près 2 heures, après quoi on le laisse refroidir jusqu'à la tempéra- ture ambiante; à découper les fils isolés 5 de manière à former des paquets ou faisceaux plats de fils que l'on enlève du gabarit 31 et que l'on rogne en laissant environ 13 mm de fil 5 s'étendant à partir d'une des extrémités des paquets aplatis; à tremper le fil exposé dans une matière caustique maintenue à environ 3850C pour enlever tout l'isolant à cette extrémité du fil 5; à rincer soigneusement cette extrémité du fil 5 avec de l'eau pour enlever toute la matière caustique; à tremper l'extrémité dénudée des fils 5 dans un flux puis à plonger les extrémités des fils dans une soudure à 60/40 de manière à les étamer et à former une masse conductrice à une des extrémités du paquet plat; à rogner les extrémités soudées pour qu'elles présentent une longueur d'environ 6,4 mm et à s'assurer par une vérification que la soudure a bien pénétré dans le paquet; à étamer les épaulements 12 des barres 9 des lamelles 7 en forme de T en utilisant un flux d'une soudure à /40; à souder les extrémités étamées du paquet plat de fibres aux épaulements 12 des barres 9 des lamelles 7 en forme de barre de manière à former une jonction mécanique et élec- trique; à enlever la soudure en excès; à appliquer un isolant à la partie soudée des paquets de fibres et des lamelles en forme de T de manière à former les segments isolés 3 de balai; à empiler les segments isolés 3 de balai et à en assembler un nombre prédéterminé en utilisant des goupilles isolées 21 que l'on enfonce dans les trous traversant 19 des barres 9 des lamelles 7 en forme de T; à entourer le nombre prédéterminé de segments de balais assemblés 3 avec un papier isolant 23 et une matière adhésive en les plaçant dans un gabarit 41, comme représenté sur la fig. 10, qui expulse par compression la matière adhésive en excès et fixe les dimensions de section droite du balai 1; à placer le gabarit 41 et le balai 1 dans un four et à procéder à une cuisson de la manière mentionnée précédemment en augmentant la température à une allure de 3-OC par minute jusqu'à ce que cette température atteigne 1900C puis à la maintenir à cette valeur pendant environ 2 heures et enlever ensuite le balai du gabarit 41; et insérer des fils 15 en wNichromeu dans les trous 13 se trouvant à la base de la tige 11 des lamelles 7 en forme de T; à fixer les fils 15 à la tige 11 par une soudure à l'argent; et finalement à entourer les lamelles 7 en forme de T avec un ruban 25 de Kaptonn pour compléter le balai. Il est bien entendu que la description qui précède n'a été donnée qu'à titre purement illustratif et non limitatif et que des variantes ou des modifications peuvent y être appor- tées dans le cadre de la présente invention. REVENDICATIONS 1. Balai en fibres pour dynamo électrique, caractérisé par le fait qu'il comprend une pluralité de fibres conduc- trices revêtues d'une matière isolante de l'électricité, lesdites fibres étant disposées côte à côte sous la forme d'un paquet ou faisceau sensiblement plat dans lequel les fibres adjacentes sont collées les unes aux autres par une matière adhésive, une des extrémités desdites fibres étant dégarnie d'isolant, lesdites extrémités dégarnies desdites fibres étant assemblées sous la forme d'une masse conductrice, une lamelle conductrice étant reliée électriquement et mécaniquement à ladite masse conductrice, plusieurs desdits faisceaux et lamelles étant disposés côte à côte avec des couches isolantes disposées entre les paquets adjacents et une matière isolante disposée de manière à séparer électriquement les lamelles conductrices adjacentes pour former un balai ayant des dimen- sions de section droite précises. 2. Balai en fibres selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il comprend un élément d'enveloppement isolant et susceptible d'abrasion qui rend solidaire les paquets disposés côte à côte. 3. Balai en fibres suivant la revendication 2, caracté- risé par le fait qu'il comprend des éléments de fixation isolants pour assembler lesdites lamelles conductrices. 4. Balai en fibres suivant l'une quelconque des revendi- cations 1 à 3, caractérisé par le fait que chaque paquet plat comporte une couche isolante d'une matière susceptible d'abra- sion et disposée de part et d'autre de ce paquet. 5. Balai en fibres suivant l'une quelconque des revendi- cations l à 4, caractérisé par le fait que des fils métalli- ques résistants sont reliés électriquement à une pluralité desdites barres conductrices. 6. Balai en fibres suivant l'une quelconque des revendi- cations l à 5, caractérisé par le fait que les extrémités dégarnies d'isolants des fibres sont assemblées par soudage sous la forme d'une masse conductrice. 7. Balai en fibres suivant l'une quelconque des revendi- cations 1 à 6, caractérisé par le fait que la couche isolante susceptible d'abrasion est du papier. 8. Balai en fibres suivant l'une quelconque des revendi- cations 3 à 7, caractérisé par le fait que les éléments de fixation isolants sont des goupilles en 'Idicartau. 9. Balai en fibres suivant l'une quelconque des revendi- cations 1 à 8, caractérisé par le fait qu'il comprend des blocs disposés sur lesdites lamelles en vue de recevoir des forces qui sollicitent ledit balai en fibres de manière que celui-ci établisse un contact électrique. 10. Balai en fibres suivant la revendication 9, carac- térisé par le fait que les blocs sont formés de graphite et sont isolés électriquement desdites lamelles. 11. Procédé pour fabriquer un balai en fibres pour une dynamo électrique suivant l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé par le fait qu'il consiste: à enrouler un fil isolé fin autour d'un gabarit comportant au moins une partie formant un conduit à profil rectangulaire en vue de constituer un faisceau aplati de fil isolé à l'intérieur de cette partie, à ajouter un adhésif au fil à l'intérieur de la partie formant conduit, à bloquer les fils à l'intérieur de la partie formant conduit pour amener ces fils au voisinage immédiat les uns des autres et pour expulser par compression la matière adhésive en excès, à faire durcir l'adhésif, à couper les fils sur les deux côtés du conduit de manière à former un paquet aplati de fils ayant une longueur uniforme dans son ensemble et de section droite déterminée, à dénuder d'une des extrémités des fils formant le paquet aplati, à assembler sous la forme d'une masse conductrice les extrémités dénudées, à relier la masse conductrice à une lamelle conduc- trice à la fois mécaniquement et électriquement, à empiler une pluralité de paquets aplatis et de lamelles côte à cote, une couche de matière isolante susceptible d'abrasion étant dis- posée entre les paquets aplatis adjacents, et à entourer les paquets empilés d'une matière isolante susceptible d'abrasion pour former un balai en fibres ayant une section droite ré- glée. 12. Procédé suivant la revendication 11, caractérisé par le fait que l'on place une feuille d'une matière isolante susceptible d'abrasion au fond de la partie formant conduit. 13. Procédé suivant la revendication 12, caractérisé par le fait que l'on place, avant le blocage du fil, une feuille d'une matière isolante susceptible d'abrasion au-dessus du fil. 14. Procédé suivant les revendications 12 ou 13, carac- térisé par le fait que l'on fixe les lamelles conductrices les unes aux autres de manière telle qu'elles ne soient pas en contact électrique. 15. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 11 à 14, caractérisé par le fait que l'on relie des fils à forte résistance électrique aux lamelles conductrices.