Brevet FR2532789A1 — publié le 19840309

"Collecteur de machine électrique tournante, et son procé- dé de fabrication" La présente invention a pour objet un collecteur de machine électrique tournante, ce collecteur étant du type "tambour", c'est-à-dire à lames conductrices disposées sui vant les génératrices d'un cylindre de révolution 7 et com- portant une collerette. Une des solutions classiques pour la fabrication des collecteurs de ce type "tambour" utilise un nombre défini de lames de collecteur, assemblées côte à côte dans une configuration cylindrique, chaque lame étant une pie ce en métal ou en alliage bon conducteur électrique, generalement du cuivre électrolytique, pur ou allié à un métal noble, notamment de l'argent Les lames ont une section trapézoï- dale, de sorte que sont ménagés entre deux lames voisines des interstices d'épaisseur sensiblement constante, lesquels sont remplis généralement d'un matériau spécial izolant, à base de mica, ássurant l'isolément électrique entre chaque lame et les deux lames voisines.L'assemblage ainsi obtenu est solidarisé en injectant une matière plastique isolante, qui se loge entre les lames et un moyeu central métallique, lequel permettra le montage ultérieur de l'ensemble obtenu sur l'arbre du rotor de la machine électrique. Une lame de collecteur, utilisée dans la fabrication classique telle que rappelle ci-dessus, comprend trois parties ayant chacune une fonction bien distincte - Une partie principale, s'étendant dans la direction axiale du collecteur, constitue avec les parties similaires des autres lames la piste cylindrique sur laquelle viennent frotter les balais, lors de la rotation dudit collecteur. C'est donc la partie qui remplit la fonction essentielle du collecteur et qui impose la nature du matériau constitutif de la lame. Une partie en forme de patte ou d'ailette, rattachée à la partie principale et tournée vers par l'intermédiaire de laquelle est réalisé le raccordement électrique de la lame au bobinage du rotor. Dans cette partis est pratiquée une fente radiale qui reçoit les fils du bobinage. Cette deuxième partie constitue, avec les parties similaires des autres lames, la "collerette" du collecteur. - La troisième partie, située sous la première, assure la tenue mécanique de la lame, lui permettant notamment de résister aux sollicitations de la force centrifuge. Cette dernière partie peut comporter soit des encoches dont chacune coopère avec une frette de renforcement, traversant l'encoche, soit un profil en queue d'aronde permettant un ancrage dans la matière isolante moulée. Les lames de collecteurs ainsi constituees sont habituellement réalisées à partir d'un profilé de section tra pézoldale obtenu par étirage, aux tolérances d'exécution très serrées ce qui appelle les remarques suivantes - Les lames devant être assemblées côte à côte, pour former le tambour, avec entre deux lames voisines un interstice dSepaisseur constante recevant un matériau isolant, comme dejà indiqué plus haut, un tel assemblage impose un profilé (ainsi qu'un matériau intercalaire isolant) aux tolérances dimensionnelles très serre os, car un écart trop important sur les dimensions des bases de la section trapé- zoidale est multiplié par le nombre de lames que possède le collecteur, d'oû une variation importante du diamètre de ce dernier. - La partie principale des lames nécessite, au niveau de la piste cylindrique, un bon parallélisme des bords de lames sur une certaine hauteur, afin d'avoir entre les lames voisines un interstice dtisolement d'épaisseur constante au cours de l'usure de la piste ou lors d'une diminution du diamètre de la piste en cas de réusinage, à ltocca- sion des opérations d'entretien et de réparation. Or ce profilé de réalisation délicate, donc coûteuse, n'est pas utilisé rationnellement pour les raisons suivan tes - La partie correspondant à la collerette, destinée à recevoir les fils du bobinages ainsi que la partie ayant à assurer la tenue mécanique de la lame, sont réalisées dans deux parties de profilé dont les tolérances dimensionnelles très serrées ne se justifient pas pour ces fonctions. - Dans de nombreuses applications, par exemple pour les collecteurs de démarreurs de vehicules automobiles, l'usure de la piste est faible au cours de la vie utile de la machine électrique comportant le collecteur. La partie du profilé pour laquelle la section trapézoïdale doit être très précise n'est donc localisée que dans une zone très réduite. D'autre part, dans les cas où il y a faible usure de la piste, la partie principale de la lame peut autre de faible hauteur. Un conséquence - La lame, du fait de se faible masse, est relativement peu sollicitée par la force centrifuge. - La partie ayant pour rôle d'assurer une bonne tenue mécanique des autres parties de la lame, en coopérant pour cela avec des frettes ou en ayant un profil en queue d'a- ronde comme indiqué précédemment, possède compte tenu de ces dispositions une hauteur relativement importante, cor- respondant a' une masse de cuivre qui représente une frac- tion non négligeable de la masse totale de la lames Il résulte de ces deux remarques une contradiction, en ce sens que la partie destinée à assurer la tenue mécanique et notamment a s'opposer aux effets do la force centrifuge sur la lame, représente elle-même une masse de matière proportionnellement non négligeable qui, soumise elle aussi à la force centrifuge sollicite davantage les frettes ou le profil en queue d'aronde. Par ailleurs, on connaît déjà des collecteurs dont les lames possèdent, en section transversale, un profil en queue d'aronde pour leur ancrage dans une matière iso lante soudée e entre les lames et le moyeu, Cette technique reste cependant actuellement très limitez o dans ses appli- cations - D'une façon générale, les collecteurs possèdant de telles lames ne peuvent être réalisés avec une collerette. Leur application se limite donc aux petits moteurs électriques, du genre de ceux utilisés dans les domaines des appareils électro-ménagers, de l'outillage électrique portatif, des accessoires automobiles (essuie-glace, léve-vitre, etc...), avec un diamètre sous balais limité généralement à 25 ou 30 mm. - Les lames considérées sont réalisées à partir de bandes de cuivre roulées ou de tubes subissant des déformations, avant d'être divisés de manière à obtenir des lames sépa- rées. Ces solutions limitent l'épaisseur du cuivre des lames à une faible valeur. Or, des impératifs de passage d'intensité électrique importante impliquent une certaine section des lames, ce qui ne peut être réalisé avec ces solutions où les lames ne sont pas fabriques et assemblées unitairement. - Les procédés actuels de fabrication de ce genre de collecteurs rendent l'obtention des profils en queue d'aronde complexe et conteuse, et ne peuvent se concevoir que pour une épaisseur de cuivre réduite, dans le cas de collecteurs de diamètre limité ayant en outre un faible nombre de lames, généralement compris entre 8 et 12. L'invention pallie ltensemble des inconvénients exposés ci-dessus, en fournissant un collecteur réalisé avec une collerette et dont les lames, présentant une section adaptée, sont formées unitairement non pas a partir d'un profilé spécial do section trapézoïdale, mais à partir d'un matériau tel qu'une bande d'épaisseur constante. A cet effet, l'invention a essentiellement pour objet un collecteur de machine électrique tournante, du type "tambour" et avec collerette, comprenant une se rie de lames conductrices possèdant chacune une partie profilée an- crée dans une matière isolante solidaire d'un moyen, et une ailette tournée vers ltextérieur pour son raccordement élec- trique au bobinage du rotor de la machine électrique tournante, collecteur dans lequel chaque lame conductrice, rea lisée à partir d'une ébauche en forme de "L" d'épaisseur constante égale à la dimension transversale de l'ailette, a sa branche longitudinale divisée en une première partie de section trapézoïdale , avec deux faces latérales également incline os, et en une seconde partie située sous la première et étranglée de manière à présenter une section en queue d'aronde. Le collecteur ainsi conçu possède des lames réalisables économiquement à partir deux matériau d'épaisseur constante, donc pouvant être de section simplement rectangulaire, et non pas à partir d'un profilé special, ces lames pouvant avoir toute hauteur souhaitée et étant prolonge os par des ailettes dont les dimensions ne sont elles aussi pas limitées. ainsi, l'invention fournit un collecteur avec lames ancrees grâce à un profil en queue d'aronde qui s D applique sans difficulté non seulement à de petites machines électriques tournantes, mais aussi par exemple aux démarreurs de véhicules automobiles et aux gros moteurs électriques. Suivant une forme de réalisation particulière de ce collecteur, la partie étranglée de chaque lame conductrice est interrompue, de chaque côte', par au moins un bossage assurant la retenue longitudinale de la lame dans la matière isolante. Dans le cas où des conditions sévères de fonctionne- ment l?imposeraient, il est-possible d'améliorer encore l'ancrage des lames conductrices dans la matière isolante en aménageant, sous la partie étranglée de chaque lame, une partie supplémentaire de section trapézoïdale, comportant des évidements transversaux ayant des profils en queues d'aronde. L'invention a également pour objet un procédé de fabrication du collecteur défini ci-dessus, et notamment de for- mation des lames, chacune de ces lames e tant obtenue par découpage d'une ébauche d'épaisseur constante, en forme de "L", dans un matériau conducteur de section rectangulaire, découpage suivi d'une operation de matriçage réalisée sur l'une des branches de cette ébauche de manière à former les deux faces latérales inclinées ainsi que la partie étran- slee. Ce procédé permet donc d'obtenir très simplement et avec la precision voulue, la partie de section trapézoïda- le, avec deux côtés également inclines par rapport à l'axe de symétrie de la lame, ainsi que la partie ayant un profil en queue d'aronde, avec ses bossage éventuels, de ma nière @ donner à la lame sa forme definitive adaptée à ses diverses fonctions. Les ébauches de lames conductrices, ayant une forme en "L" avec un contour correspondant à celui des lames définitives, peuvent être notamment découpées dans un matériau en bande, d'épaisseur constante. Une fois formées, les lames conductrices sont disposées à L'intérieur d'une bague en étant maintenues rigoureusement équidistantes les unes des autres avec leurs ailettes tournées vers l'extérieur ; l'ensemble est placé à l'intérieur d'un moule recevant également le moyeu et une matière isolante est injectée entre lesdites lames et le moyeu de manière à les réunir en un bloc unique formant le collecteur. De toute façon, l'invention sera mieux comprise à l'aide de la description qui suit, en référence au dessin schématique amlexé representant, à titre d'exemple non limitatif, une forme d'exécution de ce collecteur de machine électrique tournante, et illustrant le procédé de fabrication de ce collecteur Figure 1 est une vue en coupe passant par l'axe d'un collecteur conforme a la présente invention Figure 2 est une vue en bout du collecteur de figure 1 ;; Figure 3 est une vue en perspective d'une lame de ce collecteur, avec indication d'une variante possible Figures 4 et 5 sont des vues en perspective d'une lame, telle que celle de figure 3 à deux étapes de sa formation Figures 6 et g sont des schémas illustrant deux modes de découpage des lames dans une bande Figure 8 est une vue en coupe d'un dispositif, constituant moule, utilisable pour la fabrication du collec- tour selon l'invention Comme le montrent les figures 1 et 2, l'invention se rapporte à un collecteur du type "tambour" comprenant, d'une manière générale, une série de lames conductrices (1) dis posées tout autour d'un moyeu central (2), , chaque lame (i) possedant une partie situez à l'air libre et une partie profilée ancrée dans une matière moulée isolante (3), qui entoure le moyeu (2) et est solidarisée avec ce dernier Chaque lame (1), réalisable notamment en cuivre, possède, vue de côté, une forme en "L" avec une branche principale (4) de direction axiale comprenant la partie noyée dans la matière isolante (3) et une ailette (5) tournée vers l'extérieur, l'ensemble des ailettes (5), toutes situées à la même extrémité du collecteur,formant la "collerette" de ce collecteur La conformation d'une lame (1) est représentée de façon détaillée sur la figure 3, à laquelle on se référera maintenant :: L'ailette (5) a rigoureusement la forme d'un parallé lépipède rectangle, sa dimension transversale (a) correspondant à l'épaisseur du matériau initial, dans lequel est découpée la lame (1) selon un procédé qui sera décrit plus loin. Les deux autres dimensions (b, hi) de l'aiglette (5) sont imposées par les caractéristiques du collecteur à réa- liser. Sur cette ailette (5) sont fixés les fils du bobinage, afin de réaliser le raccordement électrique du collectour au bobinage du rotor. La branche principale (4) de la lame (1) se subdivise en une partie supérieure et une partie inférieure La partie supérieure se définit comme un prisme à base trapézoïdale. Sa face extérieure longitudinale (6) constitue, avec les faces similaires des autres lames (1), la piste cylindrique du collecteur sur laquelle viennent frot- ter les balais, lors de la rotation du collecteur.Les deux faces latérales (7) sont inclinées d'un angle égal par rapport à l'axe ue symétrie (8) de la lame (1), ce qui permet d'avoir des lames adjac-:ntes à bords parallèles, donc une épaisseur constante de la matière isolante (3) entre deux lames, sur une hauteur (h2) qui aura une valeur minimale compatible avec les caractéristiques du collecteur concer tie La partie inférieure, qui a pour rôle d'assurer la tenue mécanique de la lame -(1), notamment pour résister a la force centrifuge, a une section en queue d'aronde de hauteur (h3), avec une partie étranglée (9) assurant l'ancrage de la lame dans la matière isolante (3). De chaque côté de la lame (i), la partie étranglée (9) est interrompue, par exemple au milieu de la longueur de la lame, par un bossage (10) d'une longueur déterminée, évitant tout déplacement de la lame dans le sens longitudinal. De chaque côté de la lame (i), le bossage (to) peut être éventuellement complété par un ou plusieurs bossages similaires ou de forme différente, qui assureront la même fonction si des conditions particulièrement sévères d'utilisation l'imposent, Si le collecteur doit pouvoir résister à de sévères sollicitations mécaniques, il pourra être aJouté, comme représenté en traits mixtes sur la figure t, une partie supplémentaire (il) située sous la partie étranglée (9). Cette partie supplémentaire (11), de hauteur (h4) et de section trapézoSdale, comporte plusieurs évidements transerseaux (12) ayant des profils en queues d'aronde, qui assureront un ancrage supplémentaire de la lame (i) dans la matière isolante (3) du collecteur. Pour l'obtention d'une lame (1) telle que décrite procédemment, on réalise d'abord, par découpage dans un maté- riau d'épaisseur (a), une ébauche en forme de '!L" dont le contour est celui de la lame définitive à obtenir, et dont l'épaisseur constante est égale à celle du matériau de départ (voir figure 4). Dans une deuxième phase, illustrée par la figure 5, on effectue sur l'ébauche de lame une opération de matriçage symétrique suivant les flèches (F1) et (F2), pour donner aux deux côtés de la lame leur forme définitive, c'est-à-dire pour former les deux faces latérales inclinées (7) ainsi que la partie étranglée (9), sauf au droit des régions qui deviendront les bossages (10). Dans le cas des fabrications en petites séries, et afin de limiter les investissements les opérations décri- tes précédemment pourront être exécutes successivement à l'aide de deux outils distincts le premier assurant le découpage de l'ébauche et le second assurant le matriçage. Pour les plus grandes séries, les lames pourront être obtenues à l'aide d'un seul outil combiné de matriçagedécoupage. Le procédé d'obtention sera, de façon générale, choisi en fonction des dimensions des lames (1) et des quantités a réaliser Les figures 6 et 7 montrent deux possibilités, evi- demment non limitatives, pour le découpage des ébauches des lames (1) dans une bande de cuivre d'épaisseur constante. Dans lexemple de la figure 6, les lames (1) sont decou- pées deux par deux avec une disposition "tête-bêche", l'un de leurs bords coïncidant avec un bord de la bande (13) de section rectangulaire Dans l'exemple de la figure 7, les découpes en "L" correspondant aux lames (1) sont toutes disposées dans le même sens et imbriquées, dans la zone médiane de la bande (14) D'une manière générale, on choisira la meilleure position relative des lames, afin de faciliter les opérations de fabrication et de limiter les rebuts. Les lames (i) obtenues comme décrit jusquici permet- tent de fabriquer l'ensemble du collecteur en utilisant le dispositif schématisé sur la figure 8. On dispose les lames (1) intérieurement, sur toute la circonférence d'une bague (15), les lames étant maintenues rigoureusement équi- distantes les unes des autres avec leurs ailettes tournées vers l'extérieur.L'ensemble est placé sur un socle (16) dont le noyau central (17) supporte le moyeu (2) du collec- tour. Le tout est recouvert par un couvercle (18) qui, avec le socle (16) ct la bague (15), constitue un moule a l'intérieur duquel est injectée, suivant les flèches (F), une matière plastique isolante (3) qui remplit le volume disponible entre les lames (1) et le moyeu (2). En se durcissant, la matière plastique isolante (3) réunit les lames (i) et le moyeu (2) en un bioc unique, formant le collecteur à réaliser. La conformation des lames (1) et le procédé de fabrication de ces lames et de l'ensemble du collecteur, décrits ci-dessus, permettent d'obtenir une réduction du prix de revient du collecteur grâce aux nombreux avantages énumérés ci-après - Les lames (1) sont réalisées à partir d'irne ébauche d'épaisseur constante, donc de section rectangulaire, plus facile à obtenir et admettant des tolérances plus larges que les profilés à section trapézoidale utilisés habituellement pour la fabrication des lames de collecteurs. - Les profilés habituellement utilisés, de par leur section trapézoldale, impliquent une seule possibilité de découpage des lames, à savoir dans le sens de la longueur du profilé. Au contraire, dans le cas de la présente invention, les faces latérales des lames (i) étant initialement parallèles, le sens et la position des découpes correspondant aux contours des lames peuvent être librement choisis, ce qui permet de retenir les positions relatives les plus avantageuses du point de vue de la facilité du découpage et de la limitation des rebuts (voir figurés 6 et 7). - La faible masse des lames (I) réalisées, résultant des hauteurs réduites (h2, h3) des parties respectives de section trapézoidale et de section en queue d'aronde, alliée a l'ancrage efficace assuré par la partie de section en queue d'aronde, rend inutile la présence des frettes de renforcement traditionnelles. - La technique de réalisation de l'ensemble du collecteur par la mise en place des lames (i) à l'intérieur d'une bague (15), comme représenté a la figure 8, permet à la ma tiere plastique injectée (3) de remplir les interstices mé- nagés entre les lames. Ceci permet de supprimer les isolants entre lames a à base de mica, prévus dans la technique conventionnelle - Cette technique de réalisation des collecteurs de machines électriques tournantes par logement des lames (1) dans une bague (15) se prote très bien a une automatisation de l'implantation desdites lames, sur un poste de travail appropr1e - REVENDICATIONS 1. - Collecteur de machine électrique tournante, du type "tambour" et --'--ec collerette, comprenant une série de lames conductrices (1) possédant chacune une partie profilée (4' a crée dans une matière isolante (3) solidaire d'un moyeu (2), et une ailette (5) tournée vers l'extérieur pour son raccordement électrique au bobinage du rotor de la machine électrique tournante, caractérisé en ce que chaque lame conductrice (1), réalIsée à partir d?une ébauche en forme de "L" d'épaisseur constante (a) égale à la dimension transversale de L'ailette (5), a sa branche longitudinale (4) divisée en une première partie de section trapézoïdale, avec deux faces latérales (7) également inclinées, et en une seconde partie (9) située sous la première et étranglée de manière à présenter une section en queue d'aronde. 2. - Collecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la partie étranglée (9) de chaque lame conductrice (1) est interrompue, de chaque côté de la lame, par au moins un bossage (10) assurant la retenue longitudinale de la lame (1) dans la matière isolante (3). 3. - Collecteur selon la revendication i ou 2, caractérisé en ce que chaque lame conductrice (1) possède, sous sa partie étranglée (9), une partie supplémentaire (11) de section trapézoïdale, comportant des évidements transversaux (12) ayant des profils en queues d'aronde. 4. - Procédé de fabrication d'un collecteur de machine électrique tournante selon l'une quelconque des revendications i à 3, caractérisé en ce que chacune des lames (1) est obtenue par découpage d'une ébauche d'épaisseur constante (a), en forme de "L", dans un matériau conducteur de section rectangulaire, découpage suivi d'une opération de matriçage réalisée sur l'une des branches (4) de cette ébauche de manicle à former les deux faces latérales inclinées (7) ainsi que la partie étranglée (9). 5. - Procédé selon la revendication 4, ca@@@@é@isé en ce que les opérations dc formation des lames conductrices (1! sont exécutées successivement à l'aide de deux outils distincts, le premier assurant le découpage de l'ébauche et le second assurant le matriçage. 6. - Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ee que les lames conductrices (1) sont obtenues à l'aide d'un seul outil combiné de matriçage-découpage. 7. - Procédé selon l'une quelconque des revendications 4 à 6, caractérisé on ce ce que les ébauches des lames conductrices (1) sont découpées dans tin un matériau en bande (13, 14), d'épaisseur constante (a). 8. - Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que les lames (a) sont découpées deux par deux avec une disposition "tête-bêche", l'un de leurs bords conïncidant avec un bord de la bande (13). 9. - Procédé selon la revendication 7, caractérise en ce que les découpes en "L" correspondant aux lames (a) sont toutes disposées dans le meAme sens et imbriquées dans la zone médiane de la bande (14). 10. - Procédé selon l'une quelconque des revendications 4 à 9, caractérisé en ce que les lames conductrices (1) sont disposées à l'intérieur d'une bague (15), on étant maintenues rigoureusement équidistantes les unes des autres avec leurs ailettes (5) tournées vers l'extérieur, l'ensemble étant placé à l'intérieur d'un moule (16, 17, 18) recevant également le moyeu (2) et une matière isolante (3) étant injectée entre lesdites lames (1) et le moyeu (2) de manière à les réunir en un bloc unique formant le collecteur.