Brevet FR2599903A1 — publié le 19871211

Procédé de réalisation d'un collecteur pour machine à courant continu et collecteur obtenu par ce procédé. La présente invention concerne un procédé de réalisation d'un collecteur pour machine à courant continu, devant fonctionner à des températures élevées, de l'ordre de 300 à 4000C, soit en régime permanent, soit en régime accidentel. Les collecteurs traditionnels, même avec isolation au mica et montage avec cône de serrage présentent après une certaine durée de fonctionnement à des températures telles qu'indiquées ci-dessus, des déformations des lames rendant le collecteur inutilisable en raison des défauts de commutation. Un but de l'invention est de réaliser un nouveau procédé de montage d'un collecteur, conduidant à un collecteur capable de fonctionner sans déformations. Une tentative pour résoudre ce problème a été décrite dans le brevet enropéen nO 127.801. Il décrit un procédé de fabrication d'un collecteur dans lequel on fait adhérer des lames individuelles en cuivre sur un cylindre, par le procédé de la liaison eutectique, également dénominé Direct Bonding", procédé connu et employé pour la fabrication de composants électroniques. Ce procédé constiste à mettre en contact du cuivre et de l'alumine, l'ensemble étant porté vers 10750C dans un four sous athmosphère neutre, contenant environ 0,05 à 0,5 % d'oxygène. Au-dessus de 10650C, il se forme une pellicule fluide, très adhérente à l'alumine. C'est l'eutectique Cuivre - Oxyde de Cuivre. Les difficultés surviennent quand il faut maintenir dans le four un positionnement correct entre les lames et un serrage approprié sur le cylindre d'alumine. A cette température les dilatations inégales des différents composants, y compris des outillages, amènent des jeux ou des contraintes qui rendent ce procédé difficilement applicable. Si les lames de cuivres ne sont pas parfaitement en contact avec le cylindre la liaison se fait mal, ou pas suffisamment et des décollements, ou même simplement des déformations peuvent survenir en marche. D'autre part la réalisation des outillages devant tenir à hante température, et assurant à la fois la pression correcte et l'intervalle rigoureux entre les lames, est cher et de plus aléatoire dans le temps. Enfin, la température élevée de traitement 10750C amène un recuit du cuivre très important risquant d'augmenter fortement l'usure en fonctionnement, en le rendant alors inapte à cette application. Un but de l'invention est de définir un procédé de réalisation d'un collecteur permettant l'obtention d'un collecteur ne présentant pas les inconvénients ci-dessus. L'invention a pour objet un procédé de réalisation a'un collecteur pour machine à courant continu caractérisé en ce qu'il comprend les opérations suivantes - on emboite l'une dans l'autre une première pièce en céramique telle que l'alumine, de révolution, ayant une surface extérieure conique au moins partiellement métallisée et une seconde pièce en cuivre, de révolution et ayant une surface intérieure conique de même conicité que la surface extérieure de la première pièce avec interposition entre les deux pièces d'une feuille de brasure, - on place cet assemblage de manière que l'axe commun des deux pièces soit vertical, avec la pointe virtuelle du cône de la pièce en céramique vers le haut, dans un four, - on porte le four à une température permettant d'obtenir la fusion de la feuille de brasure, - après refroidissement, on usine la pièce en cuivre de manière à obtenir des lames de collecteur orientées selon des plans radiaux. L'invention est précisée par la description ci-après de divers modes de réalisation de l'invention en référence aux dessins annexés dans lesquels - la figure 1 est une vue en coupe par un plan axial d'un assemblage de deux pièces utilisé dans un premier mode de réalisation de l'invention - la figure 2 est une vue en coupe par un plan transversal de l'assemblage de la figure 1, partiellement pendant l'opération de brasage et partiellement pendant l'opération de séparation des lames - la figure 3 est une vue en élévation d'une pièce en céramique métallisée selon des bandes et utilisée dans deux variantes de réalisation du procédé de l'invention - la figure 4 est une vue partielle en coupe selon la ligne IV-IV de la figure 3. - la figure 5 est une vue en élévation coupée selon les lignes V-O-V de la figure 6, d'un assemblage de deux pièces utilisé selon une première variante de réalisation du procédé de l'invention. - la figure 6 est une vue de dessus de l'assemblage de la figure 5. - la figure 7 est une vue en coupe par un plan axial d'un assemblage de deux pièces utilisé dans une seconde variante de réalisation de l'inventiori ; w - la figure 8 est une vue de dessus de l'assemblage de la figure 7 après l'opération de brasage, partiellement avant et partiellement après fraisage. Le procédé de fabrication d'un collecteur comprend d'abord, comme illustré, dans la figure 1, l'emboitement d'une pièce en céramique 1 et d'une pièce en cuivre 2, avec interposition d'une feuille de brasure 3. La pièce 1, de préférence en alumine, est tubulaire, de révolution autour d'un axe XX et comporte une surface extérieure 1A de forme conique. L'angle au somment du cône ne présente pas de valeur critique. On choisira par exemple un valeur de l'angle A de l'axe XX avec la génératrice du cône compris entre arctg 1/20 et arctg 1/50, par exemple arctg 1/30. La surface extérieure de la pièce 1 est, préalablement à l'emboitement avec la pièce de cuivre 2, revêtue d'une couche métallique 1A. Cette métallisation est réalisée de manière connue, par exemple par dépôt d'une pâte au molybdène-manganèse suivi d'une cuisson à 16000C sous hydrogène humidifié, puis dépôt électrolytique de 10 microns de cuivre ou de nickel et recuit de diffusion vers 900 à 10000C sous hydrogène sec. Pour la clarté du dessin, l'épaisseur de la couche métallique et celle de la feuille de brasure ont été fortement exagérées dans les figures. La pièce de cuivre 2 est une pièce de révolution ayant une surface interne 2A conique de même angle de conicité que la pièce 1. L'épaisseur de la pièce est choisie suffisante pour permettre d'y tailler, comme on le verra, des lames de collecteurs. Elle présente une collerette 2B à une extrémité. Entre la pièce en cuivre 2 et la pièce métallisée 1 est placée une feuille de brasure à l'argent 3, représentée en trait fort dans les figures 1 et 2. En pratique, l'épaisseur de la feuille de brasure est de l'ordre de 0,05 mm. L'ensemble constitué après emboitement à l'air libre des pièces 1 et 2, avec feuille de brasure interposée, est disposé de manière que l'axe commun de révolution soit vertical et que la pointe virtuelle du cône 1 soit vers le haut. Cet ensemble est placé dans un four sous vide ou atmosphèred'hy- drogène ou neutre. La température requise pour le brasage se situe vers 820 à 8500C, après un pallier à 700pu. Par suite des dilatations différentielles, la pièce en cuivre 2 en s'échauffant, descend progressivement tout en maintenant un contact intime entre la feuille de brasure, le cuivre 2 et l'alumine 1. Arrivé à la température de fusion de la brasure, les deux pièces 1 et 2 sont toujours en contact sur toute la surface considérée et le poids de-la pièce en cuivre, combiné avec la pente du cône assure la pression nécessaire au maintien du contact pour obtenir un bon brasage. L'ensemble est ensuite refroidi progressivement et par suite de la plasticité du cuivre, et de la température relativement basse, les contraintes de serrage à froid ne présentent pas de valeurs excessives. Le procédé qui vient d'être décrit permet de supprimer tout outillage de maintien dans le four. On réalise un bon positionnment des pièces pour un brasage correct. La température relativement basse, par rapport aux procédés antérieurs, réduit l'influence du recuit sur la qualité du cuivre. Le procédé de fabrication du collecteur comprend ensuite la constitution des lames, qui est une opération classique. Elle se fait par fraisage, usinage par scie à fils, électroérosion à fils, etc... La partie gauche de la figure 2 montre la disposition des pièces pendant le brasage. La partie de droite de la figure 2 montre les premières lames 21, 22 taillées dans le bloc 2, par des entailles effectuées selon des plans radiaux. Le collecteur est ensuite usiné aux côtés définitives. L'usinage de séparation des lames peut présenter certaines difficultés qui sont dues à la différence de nature des matériaux en présence. En effet, après usinage, les lames doivent être parfaitement isolées les unes des autres. Si on opère par fraisage, ce qui est le plus économique, il faut faire une saignée dans le cuivre, dont la profondeur s'arrête très près de l'alumine (quelques dixièmes de mm) avec une fraise dont la denture est adaptée à l'usinage du cuivre et terminer avec une fraise diamantée qui viendra araser l'alumine, voire entailler un très léger sillon dans celle-ci, de façon à éliminer avec certitude les liaisons entre lames occassionnées par la couche métallisée. Il faut deux fraises différentes, car la première serait émoussée par l'alumine, et la deuxième serait encrassée par le cuivre, si on utilisait une seule fraise pour l'opération complète. Une première variante de l'invention, pour la réalisation des lames de collecteur est décrite maintenant, en référence aux figures 3 à 6. Elle vise à éliminer l'inconvénient cité ci-dessus. Au lieu de métalliser toute la surface extérieure de la pièce conique 1 en alumine, celle-ci est métallisée (figure 3 et 4) selon des bandes telles que 11, 12, 13, parallèles aux génératrices du cône, en nombre égal à celui des lames du collecteur et d'une largeur égale ou légèrement inférieure à celles des lames du collecteur terminé. Bien entendu, dans la figure 4, l'épaisseur des bandes a été exagérée pour la clarté du dessin. Leur épaisseur réelle est de quelques millièmes de millimètre. Ces bandes métallisées sont donc isolées électriquement entre elles, et séparées par de l'alumine visible sur une largeur de 0,5 à 1 mm environ. Ce dépôt de métallisation en bandes peut très facilement s'exécuter par des moyens de sérigraphie connus. On utilise comme pièce de cuivre une pièce 30, plus longue que la pièce en céramique, tubulaire et à surface intérieure conique pour épouser la conicité de la pièce 1 en alumine. Cette pièce est usinée à la fraise, pour réaliser les lames de collecteurs, à leur longueur exacte. Les lames restent ainsi maintenue entre elles par les portions d'extrémités 30A et 30B de la pièce 30. La pièce en cuivre ainsi préparée est placée sur le cône 1 en alumine métallisé en bandes (figure 5) avec interposition d'une feuille de brasure, non représentée dans les figures 5 et 6, les lames du collecteur (21, 22, 23, etc...) étant positionnées en coincidence avec les bandes métallisées 11, 12, 13, etc-... Au cours de l'opération de brasage au four, la brasure fond et par capillarité vient se loger uniquement entre le cuivre et la bande métallisée correspondante, en dégageant ainsi les entre-lames et l'alumine qui assurera l'isolement électrique. Si par suite de contraintes diverses les lames avaient tendance à se déformer en n'assurant pas un contact suffisant avec le cône en alumine pendant le brasage, il serait possible de placer autour du collecteur ainsi pré-usiné, un fourreau en cuivre 40 ajusté sans serrage et qui serait enlevé ultérieurement. L'opération de brasage étant terminée, les portions 30A et 30B sont supprimées par usinage. La feuille de brasure peut être remplacée par des fils disposés entre les lames qui viendront par capillarité réaliser le brasage désiré. Dans une seconde variante de réalisation du procédé de l'invention (figures 7 et 8) la pièce en cuivre 2 à surface intérieure conique est usinée pour obtenir des saignées non débouchantes (51, 52, 53) réparties comme les futurs espaces entre lames, ces saignées ayant une largeur égale ou un peu supérieure à celle qui sépare les lames. Leur profondeur a peu d'importance (0,5 à 2 mm par exemple) car leur but est d'éviter qu'au cours du fraisage définitif des entre lames, la fraise ne vienne toucher l'alumine. La pièce de cuivre 2 est montée sur le cône 1, qui comme précédemment est métallisé en bandes, avec interposition d'une feuille de brasure, non représentée sur les figures 7 et 8. Après brasage et rassemblement du métal de brasure par capillarité en 61, 62, etc... au niveau des lames, celles-ci sont élaborées par fraisage comme montré dans la figure 8 où la fraise est référencée 70. Une seule fraise adaptée pour le cuivre est donc utilisée dans la fabrication du collecteur. Les saignées mentionnées plus haut peuvent être réalisées mécaniquement à l'étau limeur par exemple, ou bien gravées chimiquement par un produit approprié (acide nitrique, perchlorure de fer, etc...) après protection des parties à conserver par un système de masque suivant des techniques bien connues. L'avantage de cette solution est de disposer d'une pièce en cuivre plus homogène et plus robuste que la précédente, ce qui présente moins de risques de déformation pendant l'opération de brasage. Il est possible d'utiliser, au lieu d'une feuille de brasure disposée tout autour du cône, des fils de brasure glissés dans les saignées 51, 52, 53,... Ces fils après fusion, viendront par capillarité réaliser la fixation des lames. REVENDICATIONS 1/ Procédé de réalisation d'un collecteur pour machine à courant continu caractérisé en ce qu'il comprend les opérations suivantes - on emboite l'une dans l'autre une première pièce (1) en céramique telle que l'alumine, de révolution, ayant une surface extérieure conique au moins partiellement métallisée et une seconde pièce (2) en cuivre, de révolution et ayant une surface intérieure conique de même conicité que la surface extérieure de -la première pièce (1) avec mise en place d'un élément métallique de brasure (3), - on place cet assemblage de manière que l'axe commun des deux pièces soit vertical, avec la pointe virtuelle du cône de la pièce en céramique vers le haut, dans un four, - on porte le four à une température pour obtenir la fusion de la feuille de brasure, - après refroidissement, on usine la pièce en cuivre de manière à obtenir des lames de collecteurs selon des plans radiaux. 2/ Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que la métallisation de la surface extérieure de la pièce (1) en céramique est entière, l'élément de brasure étant une feuille interposée entre les deux pièces, l'usinage du cuivre étant réalisé au moyen d'une première fraise adaptée à l'usinage du cuivre et d'une seconde fraise diamantée pour entailler la céramique. 3/ Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la métallisation de la surface extérieure de la pièce (1) en céramique est réalisée selon des bandes parallèles aux génératrices du cône, en nombre égal à celui des lames du collecteur, d'une largeur au plus égale à celle des lames du collecteur terminé, la pièce en cuivre étant, préalablement à l'emboltage, muni à sa surface intérieure conique, de saignées (51, 52) parallèles aux génératrices du cône, de largeur au moins égale à celle de l'écart entre lames lorsque le collecteur est terminé, l'emboitage étant effectué de manière que les saignées soient disposées au droit des portions non métallisées de la pièce en céramique, le fraisage des lames étant effectué dans des plans radiaux passant par les saignées, l'élément de brasure étant une feuille interposée entre les deux pièces ou des fils glissés dans les rainures. 4/ Procédé de réalisation d'un collecteur pour machine à courant continu caractérisé en ce qu'il comprend les -opérations suivantes - on prépare une pièce (1) de révolution en céramique telle que l'alumine, ayant une surface extérieure conique, - on métallise cette surface selon des bandes parallèles (11, 12, 13) aux génératrices du cône, en nombre égal à celui des lames du collecteur terminé, - on prépare une pièce de cuivre (30) de révolution, de forme sensiblement tubulaire, dont la surface intérieure est conique de même conicité que la pièce de céramique, de longueur supérieure à celle des lames du collecteur terminé, - on usine les'lames du collecteur à leur longueur et largeur définitive, - on emboite la pièce en céramique et la pièce en cuivre l'une dans l'autre, les lames au droit des bandes métallisées, en interposant une feuille de brasure entre les pièces ou en glissants des fils de brasure entre les lames, - on place l'assemblage précité avec l'axe commun vertical et la pointe virtuelle du cône de la pièce en céramique vers le haut dans un four, - on porte le four à une température permettant la fusion de la feuille de brasure, - après refroidissement, on supprime par usinage les extrémités de la pièce en cuivre au delà des lames. 5/ Collecteur pour machine à courant continu caractérisé en ce qu'il est réalisé conformément à l'une des revendications 1.