Brevet FR2615049A1 — publié le 19881110

Collecteur pour machine électrique tournante et procédé de fabrication de ce collecteur. La présente invention concerne un collecteur pour machine électri- que tournante et un procédé de fabrication de ce collecteur. On a proposé de réaliser un collecteur d'un type comportant - un support en céramique présentant une surface latérale extérieure disposée suivant une première surface conique de révolution autour d'un axe, - et des lames métalliques disposées parallèlement audit axe, à côté l'une de l'autre, autour de la surface latérale extérieure du support, de manière que deux lames juxtaposés quelconques soient séparées par un espace, chaque lame étant fixée au support par une couche métallique reliant une surface de fixation de la lame à la surface latérale extérieure du support, les.surfaces de fixation des lames étant dispo- sées suivant une deuxième surface conique de révolution autour dudit axe, les génératrices de cette deuxième surface conique étant sensible- ment parallèle à celles de la première surface conique. Dans ce collecteur, le support peut être formé par une pièce en alumine sensiblement tubulaire et les lames métalliques sont généralement en cuivre, la couche métallique fixant les lames sur le support pouvant être soit un eutectique du cuivre et de l'oxyde de cuivre, soit un élément métallique de brasure. Un tel collecteur peut être réalisé par un procédé comprenant les opérations suivantes - un assemblage d'une bague métallique, présentant une surface intérieu- re conique de révolution autour d'un axe, avec un support en céramique, présentant une surface extérieure conique, de même conicité que celle de la surface intérieure de la bague, de manière à mettre en contact suivant ledit axe les surfaces coniques du support et de la bague, - une disposition de cet assemblage dans un four de manière que ledit axe soit vertical, la pointe virtuelle de la surface conique du support et de la bague étant vers le haut, le support étant immobilisé par rapport à la base du four, la bague reposant librement sur la surface extérieure du support, 2615 3 49 - 2 - -une élévation de la température du four à une valeur suffisante pour provoquer après refroidissement la fixation de la bague sur le support - et un usinage de la bague de manière à obtenir les lames du collecteur selon des plans radiaux. Dans ce procédé, la température du four peut être portée à une valeur de l'ordre de 1075 C de façon à former, entre la bague et le support, un eutectique du métal de la bague et d'un oxyde de ce métal, cet eutectique constituant, après refroidissement, une couche métallique de fixation de la bague sur le support. On peut aussi, avant l'assembla- ge, métalliser la surface extérieure du support et interposer entre le support et la bague une feuille métallique de brasure, l'élévation de température du four voisine de 850 C étant alors suffisante pour fondre cette feuille de brasure. Le collecteur ainsi réalisé peut résister à une température de fonctionnement élevée, de l'ordre de 200 à 300 degrés centigrades. Cependant on constate, dans certains cas, que ce collecteur présente une résistance mécanique insuffisante pour des vitesses de rotation élevées: dans ce cas, les lames de cuivre se détachent en emportant une pellicule de céramique. Ceci est dû essentiellement à une fragilisation de la couche superficielle du support en céramique, par suite des contraintes axiales produites pendant le refroidissement, en dessous de la température à laquelle s'effectue l'adhérence des matériaux en présence, et consécutives à la différence des coefficients de dilatation entre lesdits matériaux. Ces contraintes sont d'autant plus importantes que la longueur des génératrices en contact est élevée. La présente invention a pour but de pallier cet inconvénient et de réaliser un collecteur capable à la fois de fonctionner à des températures élevées et de résister mécaniquement à des grandes vitesses de rotation. La présente invention a pour objet un collecteur pour machine électrique tournante, du type mentionné plus haut, caractérisé en ce que le support comporte plusieurs pièces en céramique, disposées le long dudit axe, deux pièces Juxtaposées quelconques étant séparées l'une de - 3 - l'autre par un intervalle axial, de façon a réduire la longueur des génératrices en contact entre le support et la bague. Dans différents modes de réalisation, le collecteur selon l'inven- tion peut présenter en outre les caractéristiques suivantes: - pour chaque pièce en céramique, la hauteur de la surface conique en contact avec le métal des lames, comptée parallèlement audit axe, est inférieure à 60 mm, - l'une desdites deux pièces Juxtaposées comporte en outre une surface cylindrique extérieure de révolution autour dudit axe, l'autre desdites deux pièces Juxtaposées comporte en outre une surface cylindrique intérieure de révolution autour dudit axe, lesdites surfaces cylindri- ques extérieure et intérieure coopérant de façon à pouvoir glisser axialement l'une sur l'autre, - la couche métallique est un eutectique du métal des lames et d'un oxyde de ce métal, - la couche métallique est un élément métallique de brasure. La présente invention a aussi pour objet un procédé de fabrication d'un collecteur pour machine électrique tournante, caractérisé en ce qu'il comprend les opérations suivantes - un assemblage d'une bague métallique présentant une surface intérieure conique de révolution autour d'un axe, avec plusieurs pièces en cérami- que présentant chacune une surface extérieure conique de même conicité que celle de la surface intérieure de la bague,'de manière à mettre en contact les surfaces extérieures des pièces avec la surface conique intérieure de la bague, les pièces étant alors séparées entre elles par un intervalle axial, - une disposition de cet assemblage dans un four de manière que ledit axe soit vertical, la pointe virtuelle des surfaces coniques des pièces et de la bague étant vers le bas, la bague étant immobilisée par rapport à la base du four, lesdites pièces reposant librement sur la surface intérieure de la bague, - une élévation de la température du four à une valeur suffisante pour obtenir après refroidissement la fixation des pièces sur la bague - et un usinage de la bague de manière à obtenir des lames de collecteur selon des plans radiaux. 2615 049 -4- Dans ce procédé, la valeur de l'élévation de température du four peut être suffisante pour former entre les pièces en céramique et la bague une couche d'un eutectique du métal de la bague et d'un oxyde de ce métal. Dans un autre mode de mise en oeuvre de ce procédé, avant ledit assemblage, on dispose une couche de métallisation sur la surface exté- rieure conique des pièces en céramique et on interpose une feuille de brasure entre la couche de métallisation des pièces et la surface intérieure conique de la bague, la valeur de l'élévation de température du four étant suffisante pour faire fondre la feuille de brasure. Des formes particulières d'exécution de l'objet de la présente invention sont décrites ci-dessous, à titre d'exemple, en référence aux dessins annexés dans lesquels - la figure 1 montre, en coupe par un plan axial, un assemblage de deux pièces en céramique et d'une bague métallique, cet assemblage étant placé dans un four et utilisé dans un mode demise en oeuvre du procédé de l'invention, - la figure 2 est une vue, suivant une direction axiale, de l'assemblage de la figure 1, partiellement pendant l'opération de chauffage au four et partiellement pendant l'opération de séparation des lames du collecteur, - la figure 3 est une vue en coupe par un plan axial, d'un autre type d'assemblage, analogue à celui illustré par la figure 1, placé dans un four et utilisé dans un autre mode de mise en oeuvre du procédé de l'invention, - la figure 4 est une vue, partiellement en coupe par un plan axial, d'un assemblage analogue à celui de la figure 1, mais utilisant une variante de réalisation des pièces en céramique - et la figure 5 est une vue, partiellement en coupe par un plan axial, d'un assemblage utilisant trois pièces en céramique réalisées suivant un principe voisin de celui illustré par la figure 4. Le procédé de fabrication d'un collecteur comprend d'abord, comme illustré par la figure 1, l'assemblage de deux pièces en céramique 1 et 2 avec une bague métallique 3, de préférence en cuivre. La bague 3 est de révolution autour d'un axe 4 et présente une -5- surface intérieure conique 5. La valeur de l'angle au sommet du cône n'est pas critique. L'angle A de l'axe 4 avec lagénératrice du cône sera par exemple compris entre arctg 1/20 et arctg 1/50. La pièce en céramique 2, de préférence en alumine, présente une surface extérieure conique 6 de même angle de conicité A que celui de la surface intérieure conique 5 de la bague 3. Cette pièce 2, de révolu- tion, est disposée coaxialement à l'intérieur de la bague 3 de façon que la surface conique 6 de cette pièce soit en contact avec la surface 5 de la bague 3, sur une hauteur h2. La pièce en céramique 1, également en alumine, présente une surface extérieure conique 7 de même angle de conicité A que celui de la surface intérieure 5 de la bague 3. Cette pièce 1, également de révolution, est disposée coaxialement à l'intérieur de la bague 3 de façon que sa surface conique 7 soit en contact avec la surface conique 5 de la pièce 3, sur une hauteur h1. Les surfaces coniques 6 et 7 sont usinées de façon qu'après assem- blage dans la bague 3 les pièces 6 et 7 soient séparées entre elles par un intervalle axial 8, de l'ordre de 1 à 2 mm. L'assemblage est disposé dans un four 9 de façon que l'axe 4 soit vertical et que la bague 3 repose sur la base 10 du four 9 par l'intermédiaire d'un support cylindrique 11 par exemple en acier réfrac- taire. De plus, le sommet vertical du cône de contact entre les pièces 1, 2 et la bague 3 est situé vers le bas, en dessous de la bague 3. Les pièces 1 et 2 reposent ainsi sur la surface conique 5 de la bague 3. Dans un premier mode de réalisation, la bague 3, préalablement oxydée superficiellement, par exemple par chauffage à l'air à 400 C pendant 3 min, est assemblée comme ci-dessus indiqué, et placé dans un four contenant un gaz neutre avec une proportion de 0,05 à 0,5 % d'oxygène. On élève progressivement la température du four. Par suite de la différence de dilatation entre le cuivre et la céramique, les pièces 1 et 2 se déplacent par gravité légèrement vers le bas au cours du chauffage, la valeur de l'intervalle axial 8 étant sensi- blement conservée. Lorsque la température atteint 1065C, la couche d'oxyde de cuivre comprise entre la bague 3 et les pièces 1 et 2 se 2615 0 4 9 - 6 - transforme en pellicule liquide formée d'un eutectique cuivre-oxyde de cuivre, cette pellicule étant très adhérente sur la céramique. La température du four est élevée jusqu'à 1075 C puis abaissée progressivement de façon à solidifier la pellicule métallique et former deux couches métalliques 12 et 13 constituées dudit eutectique. Le refroidissement provoque un serrage de la bague 3 sur les pièces en céramique 1 et 2. Ce serrage entraîne une compression des couches métalliques 12 et 13, ce qui assure une bonne fixation de la bague 3 sur les pièces en alumine 1 et 2. Le procédé de fabrication du collecteur comprend ensuite un usina- ge de la bague 3 de manière à obtenir des lames de collecteur selon des plans radiaux. Cet usinage peut s'effectuer par tout moyen approprié, par exemple par fraisage, à l'aide d'une scie à fils ou par électroérosion à fils. La partie gauche de la figure 2 montre l'assemblage pendant l'opération de fixation de la bague sur les pièces en céramique. La partie droite de la figure 2 montre les premières lames 14 et 15 taillées dans la bague 3 par des entailles effectuées selon des plans radiaux. Le collecteur est ensuite usiné aux cotes définitives. Le collecteur réalisé par le procédé décrit ci-dessus, à l'aide de deux pièces en céramique séparées, assurant des liaisons de hauteurs axiales h1 et h2, présente l'avantage d'avoir, aux vitesses de rotation élevées, une résistance mécanique très supérieure à celle d'un collec- teur connu réalisé à l'aide d'une seule pièce en céramique assurant une liaison de hauteur axiale h1 + h2. On constate en effet que, l'effort d'arrachement des lames par unité de surface est trois fois plus important pour un collecteur selon l'invention, réalisé à l'aide de deux pièces en céramiques séparées, de 40 mm de hauteur, que pour un collec- teur réalisé avec une pièce en céramique de hauteur 80 mm selon l'art connu cité plus haut. Dans le procédé selon l'invention, pour chaque pièce en céramique, la hauteur axiale h1, h2 de la surface conique en contact avec le métal de la bague est inférieure de préférence à 60 mm. La résistance - mécanique accrue du collecteur selon l'invention peut s'expliquer par les considérations suivantes, la réduction de cette longueur axiale 2615 3 49 -7 permet de diminuer les contraintes longitudinales crées dans la bague au cours du refroidissement dans le four, ces contraintes étant transmises à la céramique par la couche métallique de fixation. La réduction de ces contraintes longitudinales provoque une augmentation de la résistance de la céramique à la centrifugation pour les grandes vitesses de rotation du collecteur. Dans un deuxième mode de réalisation, la figure 3 montre un assem- blage comprenant aussi deux pièces en céramique 1 et 2, ainsi qu'une bague métallique 3, analogues à celles de la figure 1, mais dans ce cas, la bague 3 n'est pas préalablement oxydée superficiellement. Avant l'assemblage, on dépose sur les surfaces cylindriques des deux pièces en céramique des couches de métallisation 16 et 17, et on interpose entre ces couches et la bague 3 une feuille de brasure 18. La métallisation est réalisée de manière connue, par exemple par dépôt d'une pâte au molybdène-manganèse,- suivi d'une cuisson à 1600 C sous hydrogène humidifié, puis dépôt électrolytique de 10 microns de cuivre ou de nickel et recuit de diffusion vers 900 à 1000 C sous hydrogène sec. Pour la clarté du dessin, l'épaisseur des couches de métallisation et de la feuille de brasure ont été fortement exagérées. Comme dans le cas de la figure 1, l'assemblage est placé dans un four 9, la bague 3 reposant sur un support 11 et le sommet du cône d'assemblage étant dirigé vers le bas. On élève la température du four de façon à obtenir la fusion de la feuille de brasure 18. Par suite des dilatations différentielles, les pièces 1 et 2 descendent progressive- ment tout en maintenant un bon contact entre les couches de métallisation et la feuille de brasure, la valeur de l'intervalle axial 8 entre les pièces 1 et 2 étant sensiblement conservée. On obtient, après refroidissement, une excellente fixation des pièces 1 et 2 sur la bague 3. Le procédé de fabrication du collecteur comprend enfin l'opération de séparation des lames, analogue à celle décrite pour l'assemblage de la figure 1. Les assemblages montrés sur les figures 4 et 5 sont utilisés dans des procédés de fabrication de collecteur analogues à celui illustré par 2615 3 49 -- 8 - la figure 1, mais qui en diffèrent par le nombre et la forme des pièces en céramique. L'assemblage montré sur la figure 4 comporte aussi deux pièces en céramique 19 et 20. Mais la pièce 20 comporte, en plus de sa surface conique, une surface cylindrique extérieure 22 de révolution autour de l'axe 4, et la pièce 19 comporte en plus de sa surface conique une surface cylindrique intérieure 21 de révolution autour de l'axe 4. Ces surfaces 21 et 22 coopèrent par glissement, de façon à autoriser un léger déplacement axial mutuel des deux pièces par exemple au cours de l'opération de chauffage dans le four, ce déplacement ne pouvant en aucun cas supprimer l'intervalle axial 8 entre les deux pièces. L'assemblage montré sur la figure 5 comporte trois pièces en céramique 23, 24 et 25. La pièce intermédiaire 24 comporte de part et d'autre de sa surface conique deux surfaces cylindriques extérieures 26 et 27 qui coopèrent respectivement avec deux surfaces cylindriques in- térieures des pièces 23 et 25 opposées aux surfaces coniques de ces deux pièces. Comme dans le cas des figures 1, 3 et 4, un intervalle axial tel que 28 et 29 est maintenu entre deux pièces voisines, cet intervalle pouvant être de l'ordre de 1 à 2 mm. De préférence, le nombre de pièces en céramique du collecteur est choisi de manière que, pour chaque pièce, la hauteur axiale en regard du métal de la bague soit inférieure à 60 mm. 26150a49 -9- REVENDICATIONS 1/ Collecteur pour machine électrique tournante, comportant - un support en céramique présentant une surface latérale extérieure disposée suivant une première surface conique de révolution autour d'un axe - et des lames métalliques disposées parallèlement audit axe, à côté l'une de l'autre, autour de la surface latérale extérieure du support, de manière que deux lames juxtaposées quelconques soient séparées par un espace, chaque lame étant fixée au support par une couche métallique reliant une surface de fixation de la lame à la surface latérale extérieure du support, les surfaces de fixation des lames étant dispo- sées suivant une deuxième surface conique de révolution autour dudit axe, cette deuxième surface conique étant sensiblement parallèle à la première surface conique, caractérisé en ce que le support comporte plusieurs pièces en céramique (1, 2) disposées le long dudit axe (4), deux pièces juxtaposées (1, 2) quelconques étant séparées l'une de l'autre par un intervalle axial (8). 2/ Collecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que pour cha- que pièce en céramique (1, 2) la hauteur (h1, h2) de la surface conique (7, 6) en contact avec le métal des lames, comptée parallèlement à l'axe (4), est inférieure à 60 mm. 3/ Collecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'une (20) desdites deux pièces juxtaposées (19, 20) comporte en outre une surface cylindrique extérieure (22) de révolution autour dudit axe (4) et que l'autre (19) desdites deux pièces Juxtaposées comporte en outre une sur- face cylindrique intérieure (21) de révolution autour dudit axe (4), lesdites surfaces cylindriques extérieure (22) et intérieure (21) coopérant à façon à pouvoir glisser axialement l'une sur l'autre. 4/ Collecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite couche métallique (12, 13) est un eutectique du métal des lames et d'un oxyde de ce métal. / Collecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite couche métallique est un élément métallique (16, 17, 18) de brasure. 6/ Procédé de fabrication d'un collecteur pour machine électrique 2615 0 4 9 - 10 - tournante, caractérisé en ce qu'il comporte les opérations suivantes - un assemblage d'une bague métallique (3) présentant une surface inté- rieure conique de révolution autour d'un axe (4), avec plusieurs pièces (1, 2) en céramique présentant chacune une surface extérieure conique de même conicité que celle de la surface intérieure de la bague, de manière à mettre en contact les surfaces extérieures des pièces avec la surface conique intérieure de la bague, les pièces étant alors séparées entre elles par un intervalle axial (8), - une disposition de cet assemblage dans un four (9) de manière que ledit axe (4) soit vertical, la pointe virtuelle des surfaces coniques des pièces (1, 2) et de la bague (3) étant vers le bas, la bague (3) étant immobilisée par rapport à la base (10) du four (9), lesdites pièces (1, 2) reposant librement sur la surface intérieure de la bague (3), - une élévation de la température du four (9) à une valeur suffisante pour obtenir après refroidissement la fixation des pièces (1, 2) sur la bague (3) - et un usinage de la bague (3) de manière à obtenir des lames (14, 15) de collecteur selon des plans radiaux. 7/ Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que la valeur de l'élévation de température du four est suffisante pour former entre les pièces en céramique et la bague une couche (12, 13) d'un eutectique du métal de la bague (3) et d'un oxyde de ce métal. 8/ Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que, avant ledit assemblage, on dépose une couche de métallisation (16, 17) sur la surface extérieure conique des pièces (1, 2) en céramique et on interpose une feuille de brasure (18) entre la couche de métallisation des pièces et la surface intérieure conique de la bague (3), la valeur de l'élévation de température du four étant suffisante pour faire fondre la feuille de brasure (18).