Brevet FR2534745A1 — publié le 19840420

MATERIAU COMPOSITE POUR LA REALISATION DE CONTACTS ELECTRIQUES ENTRE DEUX SURFACES MOBILES L'UNE PAR RAPPORT A L'AUTRE La présente invention concerne la fabrication de pièces assurant le transfert du courant électrique entre 2 éléments de circuit mobiles l'un par rapport à l'autre. Le mode de fabrication proposé permet tout à la fois de maitriser la répartition du courant sur l'interface de contact, d'améliorer les conditions de frottement, donc 55 d'abaisser l'usure, les perturbations électriques et de réduire les coûts de fabrication. Les contacts électriques avec déplacement relatif des faces en présence sont parfois assurés par la mise en présence de surfaces métalliques balais à fils des anciennes machines électriques tournantes, patins de frottement des pantographes de locomotives électriques, curseurs de rhéostats, arrivées de courant des voitures tamponneuses (attraction foraine) ou de jouets électriques sur rails, ... Lorsque la vitesse de déplacement relatif dépasse quelques centimètres par seconde des problèmes d'usure apparaissent rapidement, surtout lorsque les faces en présence présentent des irrégularités, que la tension dépasse quelques volts, l'intensité quelques dixièmes d'ampère. Des étincelles importantes se produisent. Ces petits arcs électriques provoquent des microfusions sur les faces métalliques en contact. En accroissant les frottements, cela entraine une usure rapide. De plus les étincelles sont l'origine de perturbations radio-électriques. Une façon de tourner la difficulté consiste à utiliser des surfaces de sensibilité différente à l'usure en présence d'électricité, de façon à n'avoir à remplacer que la face de moindre valeur. La famille de matériaux la plus universellement utilisée pour cette fonction est celle des matériaux carbonés naturels, artificiels, graphités ou non graphités, seuls ou en mélangés entr'eux ou avec différents adjuvants selon les conditions d'utilisation (vitesse de déplacement, densité de courant, voltage, nature de la contre face, ...). Cependant la réalisation de pièces carbonées selon la technique actuelle est complexe. Elle repose sur des opérations nombreuses : tamisage, contrôle et mélange de poudres, introduction d'un liant, malaxage, compressinon, cuisson en dessous de I0000, graphitation vers 2500 , découpage, usinage, fixation de pièces de raccordement. Des opérations supplémentaires sont souvent nécessaires pour améliorer l'homogénéité des produits ( rebroyage, granulation, ...) ou pour améliorer les propriétés de frottement en présence du courant électrique (imprégnations diverses, introduction de broches par usinage, ...). Toutes ces opérations sont coûteuses. De plus , lorsque-l'on désire obtenir un gradient contrôlé de la densité de courant sur la face de contact, la solution actuellement utilisée consiste à accoler des -fragments de résistivité différente, ce qui constitue une complication pour la réalisation. Pour raccorder les contacts au circuit électrique, il est souvent nécessaire de sceller ou de riveter des cables ou des tresses sur les pièces, ce qui constitue une opération supplémentaire. Si l'on désire isoler ces pièces de raccordement, une opération de gainage est encore nécessaire. Enfin, la pression à appliquer pour que les surfaces mobiles l'une par rapport à l'åutre demeurent en contact est actuellement fournie par la mise sous pression d'un ressort, lequel constitue un accessoire supplémentaire. Quelques brevets se sont proposé de résoudre quelques uns des problèmes évoques. Dès I883 T.A. Edison maintenait les faisceaux de fils constituant ses balais en les réunissant par de la laque. D'aucuns ont proposé d'isoler des fibres et de les réunir, d'autres encpre de mettre à profit les propriétés de résistance à haute température des résines polyamide pour maintenir des structures conductrices plus ou moins complexes. Mais en l'état actuel de la technique, les contacts électriques glissants sont toujours réalisés dans leur ensemble à l'aide de pièces carbonées ou métalliques frittées contenant d'éventuels additifs divers. Face à la difficulté actuelle de réaliser des produits de caractéristiques électromécaniques reproductibles et constantes, la présente invention sépare, pour tous les types de contacts électriques glissants, la fonction conductibilité électrique et la fonction frottement mécanique en associant, pour remplir chacune de ces 2 fonctions, un type de constituant dont les caractéristiques et la technologie sont bien maîtrisés: Des fibres métalliques de diamètre et de résistivité connus et des polymères organiques, chargés ou non, de caractéristiques bien reproductibles. On obtient ainsi des matériaux composites faciles à réaliser dans des conditions définies et reproductibles. La variété des polymères existants est telle que les différents types de contacts glissants peuvent trouver une solution tant technique (résistance à l'usure, coefficient de frottement, tenue en température, aux vibrations, à la corrosion, au cheminement d'arc, ...) que technologique (pièces unitaires, petites, moyennes et très grandes séries). En plusse la possibilité de réaliser facilement et économiquement toute sorte de contact électrique glissant de catactéristiques bien définies et reproductibles, l'invention permet quelques simplifications de conception et de réalisations. Les exemples suivants sont donnés à titre d'illustration des possvi- bilités offertes par le type de matériaux proposé par l'invention. Exemple nOI (voir figure n I) Réalisation de frotteurs pour jouets (voitures de "circuit 24" marque Jouef) par trempé. Des tresses d'environ 20x4 mm constituées de fil de cuivre d'environ O,Imm de diamètre sont trempées sur une longueur d'environ 15 mm dans un bin d'aceto-butyrate de cellulose (par exemple Ténox-KP de la Société SoPRQS). en fusion, puis retirées et refroidies à la température ambiante. La partie frottant, a, est passée sur une toile abrasive fine de façon à faire apparaitre le-cuivre. Le raccordement se fait en b. Ces frotteurs ont une durée de service supérieuretde 3 fois au moins celle des frotteurs ordinaires. Exemple n02 (voir figure n02) Réalisation de frotteurs pour appareils électriques par injection ou par coulée. Le choix entre les deux techniques est déterminé par le. nombre de pièces à réaliser et les dimensions de ces pièces. Les fibres du composite sont constituées d'une tresse métallique3 de préférence du cuivre ou de l'aluminium ; les caractéristiques de cette tresse (nombre de brins, nombre de faisceaux, disposition, section des brins, ...) sont fonction de l'intensité maximale du courant à écouler. Pour des raisons de frottement et de bonne répartition des fils de section voisine de O,I mm sont généralement préférés. Le nombre de brins est alors défini de façon à avoir une section de passage totale qui corresponde aux normes pour un conducteur isolé. Le profil et la section de la ma-trice en polymère est fonction de la force d'appui désirée pourune déformation donnée, compte tenu du module en flexion du polymère choisi à la température de service. Dans le cas d'une réalisation par injection, on peut, par exemple, utiliser une polyamide II (marque Rilsan). Dans le cas d'une réalisation par coulée, on peut, par exemple, utiliser une nuance d'époxy à faible module telle Eccoseal WI9 (marque Emerson Cuming). On obtient ainsi en une seule piècé les fonctions de contact électrique et de force d'appui avec des conditions de frottement améliorées. Exemple n03 (voir figure n"3) Réalisation de patins de pantographe à l'aide de résine de coulée. Les fibres du composite sont mises en oeuvre sous forme de tresse repliée dans le moule selon la figure. Les caractéristiques de la tresse sont fonction du courant å faire passer. Le profil du patin est fonction des conditions d'utilisation. La résine utilisée pour la matrice est une résine de coulée de préférence de la famille des polyesters ou des époxydes, éventuellement chargée avec des composés favorisant le frottement à sec en présence de courant électrique. A titre d'illustration nous citerons la formule suivante Eccoseal WI9 d'Emerson Cuming 50 parties en poids Graphite artificiel 90-350 u 25 Graphite naturel 90-350 u 25 " " Lorsque la prise est terminée, il y a lieu de s'assurer que les fibres motalliques apparaissent bien sur la face frottante a ; l'action d'un abrasif peut être utilisé. L'extrêmité b peut servir au raccordement électrique. Exemple n 4 (figure n04) Réalisation de préformes pour le découpage de ba lais; par boudinage ou par coulée. Des fils conducteurs, par exemple en cuivre ou en aluminium, de diamètre unitaire voisin de O,I mm constituent l'armature conductrice du composite Le nombre de fils et leur répartition sont fonctions- des caractéristiques du courant passant dans le balai. En particulier la densité de courant au niveau du collecteur permet de définir le nombre de fils par unité de surface selon leur résistance électrique unitaire, elle-même fonction de la résistivité, du diamètre et de la longueur des fils. De même si l'on désire obtenir un gradient de densité de courant entre différentes parties de la surface de contact, il est possible de disposer les fils conducteurs en conséquence. Selon la taille des préformes désirées et surtout l'importance de la fabrication, la réalisation pourra se faire par coulée dans des moules (petites quantités) ou par extrusion sur une boudineuse. Dans le cas de plaques réalisées par coulée, on peut utiliser, par exemple, de préférence une résine polyester (Norsodyne 20I de C.D.F. Chimie) ou époxy (Eccoseal I266 de Emerson Cuming) pour constituer la matrice du composite. I1 est évident que selon les applications on peut introduire les charges connues les plus appropriees. Dans le cas de préformes réalisées par boudinage, le polymère de la matrice sera choisi en fonction du problème à résoudre : température de fonctionnement, pression de fonctionnement, tolérances dimensionnelles, usure, vitesse de rotation, cadence de fabrication, ... Les charges et les additifs connus peuvent faciliter la résolution des problèmes. Parmi les différents polymères envisageables, on peut citer l'éthy- lène polytétrafluoréthylène (marque Tefzel de Dupont de Nemours) pour des températures de fonctionnement de I30-I50 , faible coefficient de frottement, une usure faible, de faibles perturbations radio ; le polypropylène (marque Lacqtèue de Ato) pour des températures proches de I00" et un faible court de fabrication ; ainsi que les polyamides II (marque Rilsan de Ato), le polycarbonate (marque Makrolon de General Electric), le polyacétal (marque Kematal de Amcel), à titre d'exemple. La réalisation de préformes par extrusion permet la réalisation de profilés limitant l'importance de l'usinage pour obtenir les pièces désirées en très grande quantité en limitant le coût de l'outillage. Exemple n05 (figure N05) Réalisation de balais moulés par injection comportant à la fois les sorties de cable isolées, le dispositif fournissant la pression d'appui et le dispositif d'arrêt d'utilisation lorsque l'usure maximale admissible est atteinte. Des fils conducteurs fins de diamètre voisin de O,I mm, de préférence en cuivre ou en aluminium, constituent l'armature conductrice du composite. La matrice est en thermoplastique chargé ou non. Le profil des ressorts est fonction de la force d'appui désirée et du module en flexion à la température d'utilisation de la formule de. thermo- plastique choisi. A titre d'exemple cette formule peut être à base de polyamide II chargée de IO % de graphite naturel 90-350 u, IO % de graphite artificiel 90350 u et de 0,5 % de quartz â 60 Une partie dénudée b peut servir au raccordement électrique. Le dispositif d'arrêt d'utilisation c est un insert de moulage constitué par un manchon dans lequel coulisse un ressort d prenant appui d'un caté sur le fond de l'insert percé d'un évent e, et de l'autre caté sur un piston f. Seul l'intérieur du manchon reçoit un revêtement empêchant l'adhérence du ther mopsastique (par exemple une pulvérisation d'huile silicone). Les caractéristiques du ressort d sont choisies de façon à ce qu'il soit mis en compression par la pression d'injection et que cette compression soit capable, lorsqu'elle est libérée par l'usure à la cote h, de contrebalancer l'effet des ressorts d'appui. Exemple nb6 (figures 6 et 6 bis) Réalisation de balai moulé comportant un fusible de protection. Les fils conducteurs de la matrice sont reliés à un support conducteur c lui-même en contact avec un fusible d et son support f dont les faces b et c assurent la continuité du circuit électrique. Les fibres conductrices du composite ainsi que les pièces c et f peuvent constituer un seul insert ou des éléments séparés. De même la pièce f contenant le fusible d peut être amovible (figure 6 bis). Dans ce cas, au cours du moulage il n'y a comme insert que la pièce c. Le moulage du balai laisse une cavité dans laquelle on introduit un fusible monté. Les fils conducteurs ainsi que la formule de la matrice du composite sont fonction de l'utilisation. REVENDICATIONS I- Contacts électriques glissants caractérisés par le fait qu'ils sont réalisés en matériaux composites associant des fibres conductrices assurant la conti nu-ité électrique entre la partie fixe et la partie mobile d'un circuit et une matrice à base de polymère(s3.organique(s) permettant d'apporter toutes les autres propriétés nécessaires à un bon fonctionnement dans des conditions facilement reproductibles. 2- Contacts électriques selon I conçus pour être réalisés en utilisant les différentes technologies de mise en oeuvre des polymères : imprégnation par trempage, coulée de résine réticulable, injection ou boudinage de thermoplastiques, compression de thermodurcissables, ... 3- Contacts électriques selon I et 2 dans lesquels la matrice est constituée d'un ou de plusieurs polymères de nature thermoplastique, thermodurcissable ou réticulable à une température voisine de l'ambiante. 4- Contacts électriques selon I, 2 et 3 dans lesquels la matrice polymèrique peut être additionnée de charges améliorant les conditions de réalisation (facilité de mise en oeuvre, abaissement des coûts de fabrication) ou (et) les conditions de fonctionnement : frottement, stabilité dimensionnelle à chaud, résistance au vieillissement, conductibilité thermique, résilience, moduled'élasticité en flexion, nettoyage des parties frottantes, etc... 5- Contacts électriques selon I, 2, 3 et 4 caractérisés par le fait qu'ils intègrent en une seule pièce une ou plusieurs des fonctions suivantes : raccordement par cable isolé ou non production de la force d'application limiteur d'usure protection du circuit contre les surtensions 6- Contacts électriques selon I, 2, 3, 4 et 5 caractérisés par le fait qu'ils assurent la jonction électrique aussi bien en étant mobiles le long d'une surface fixe (fil, cable, rail, ...) qu'en étant fixes en appui sur une surface mobile (collecteur de moteur, bague de générateur, ...). 7- Contacts électriques selon I, 2, 3, 4, 5 et 6 caractérisés par le fait qu'ils peuvent être réalisés aussi bien directement par moulage valeur forme d'utilisation, qu'usinés partiellement à partir de préformes ou de profilés, ou totalement à partir de blocs.