Brevet FR2690791A1 — publié le 19931105

BALAI POUR MOTEUR ELECTRIQUE A SENSIBILITE AUX VIBRATIONS ATTENUEE DOMAINE DE L'INVENTION L'invention concerne le domaine des balais de moteurs électriques, balais qui comprennent de manière générique une pièce d'usure en matériau conducteur électrique destiné à assurer le contact électrique avec les lamelles du collecteur, et un conducteur électrique, sous forme de fil, cable ou tresse, fixé à la pièce d'usure. PROBLEME POSE Dans de nombreuses situations, les moteurs électriques sont soumis à des vibrations, qui peuvent résulter du20 fonctionnement du moteur lui-même, ou qui peuvent venir de l'environnement du moteur, par exemple lorsque ce moteur est placé à bord d'un véhicule ou d'un engin lui-même soumis à de nombreuses vibrations. Lorsque le fonctionnement normal du moteur est accompagné de vibrations importantes en fréquence et intensité, il a été observé que la tresse pouvait se désolidariser de la pièce d'usure, occasionnant par là-même un arrêt du moteur pouvant avoir les conséquences les plus graves. Ceci a été observé en particulier avec les balais de conception simple, les plus économiques, obtenus par simple compression de poudre conductrice électrique et pour lesquels la tresse est fixée à la pièce d'usure simplement en noyant la35 tresse dans la poudre lors de la compression de la poudre conductrice. Par contre, des balais de conception plus élaborée, faisant typiquement appel à plusieurs étapes lors de leur fabrication et donc plus chers que les précédents, tels que par exemple des balais dont la tresse est brasée à la pièce d'usure, sont5 reconnus pour mieux supporter un régime vibratoire intense. ART ANTERIEUR Des tentatives ont déjà été faites pour résoudre le problème posé, c'est à dire obtenir des balais, à la fois économiques et résistants à un régime vibratoire intense. Ainsi, le brevet allemand 2 322 713 propose diverses solutions pour résoudre ce problème. Selon une solution proposée, un logement élastique est prévu à l'endroit de la connexion, logement qui peut se composer d'une pièce élastique. 20 Selon une autre solution, une masse supplémentaire est adjointe à la tresse à proximité de la connexion. Une autre solution consiste à injecter de la matière plastique dans la tresse.25 Enfin, ce brevet propose pour la connexion un logement s'élargissant au fur et à mesure que l'on s'approche de la surface du balai. La demanderesse a observé que certaines de ces solutions amélioraient certes la tenue de la connexion aux vibrations, en particulier celles faisant appel à l'adjonction d'une pièce plastique, mais l'adjonction d'une matière plastique, outre le surcoût de fabrication, peut poser dans un certain nombre de35 cas un problème de tenue thermique. OBJET DE L'INVENTION Comme solution au problème posé, la demanderesse a recherché à mettre au point un balai à la fois économique et de tenue aux5 vibrations améliorée par rapport à celle des balais économiques de l'art antérieur. Par balais économiques, on entend des balais dont la connexion "tresse pièce d'usure" est assurée par la compression de la poudre pour former la pièce d'usure, sans opération supplémentaire quelconque destinée à renforcer ou modifier cette connexion. Un autre objet de l'invention est un procédé pour obtenir un tel balai. DESCRIPTION DE L'INVENTION Selon l'invention, le balai pour moteurs électriques comprend une pièce d'usure en matériau conducteur électrique, un conducteur électrique, sous forme de fil, cable ou tresse, dont une extrémité pénètre et est noyé dans ladite pièce d'usure, balai obtenu par compression d'une poudre conductrice électrique contenant une extrémité dudit conducteur électrique de manière à assurer simultanément la formation de ladite pièce d'usure, la fixation mécanique et la connexion électrique dudit conducteur électrique et de ladite pièce d'usure, et est caractérisé en ce que la densité d'au moins une partie dudit matériau conducteur électrique en contact avec ladite extrémité noyée dans ladite pièce d'usure est supérieure à la densité moyenne dudit matériau conducteur électrique, de manière à former une zone surcomprimée autour de ladite extrémité noyée et à améliorer la solidité de ladite fixation mécanique lorsque ledit balai est soumis à des vibrations. Les études conduites par la demanderesse ont en effet montré le rôle essentiel du facteur "densité", sans que pour autant ce rôle soit clairement compris En effet, le domaine des phénomènes vibratoires étant fort complexe, rien ne permettait5 d'anticiper la relation entre une augmentation locale de la densité du matériau gaînant l'extrémité de la tresse et une amélioration de la solidité de la connexion "tresse-pièce d'usure" dans un balai soumis à un régime vibratoire élevé. DESCRIPTION DES FIGURES La figure la schématise, en coupe longitudinale, un moule ( 3) rempli de poudre conductrice électrique ( 1) noyant l'extrémité15 ( 2 e) d'un conducteur électrique ( 2) et muni de deux moyens de compression: un premier moyen de compression ( 4) permettant de densifier sensiblement la totalité de la poudre conductrice et un second moyen de compression ( 5) permettant de densifier localement, autour de l'extrémité ( 2) du conducteur, la poudre20 conductrice préalablement densifiée à l'aide du premier moyen de compression ( 4). La figure lb est analogue à la figure la, sauf en ce que le premier moyen de compression ( 4) a été actionné, ce qui a conduit à la formation d'un matériau (la) de densité sensiblement homogène, cette densité dl étant sensiblement inférieure à la densité moyenne df du balai final. La figure lc est analogue à la figure lb, sauf en ce que le second moyen de compression ( 5) a été actionné, de manière à former une gaine de matériau (lb) enrobant l'extrémité ( 2 e) du conducteur électrique ( 2), matériau (lb) de densité d 2 supérieure à dl. Les figures ld et le sont destinées à montrer la variété des formes de balais ( 6): balai à section rectangulaire pour la figure ld, à section trapézoïdale pour la figure le (sauf dans la zone de fixation de l'extrémité ( 2 e) du conducteur électrique ( 2)). La figure 2 schématise, en coupe longitudinale vue de face, un moule ( 3) équipé d'un seul premier moyen de compression ( 4), et de 5 seconds moyens de compression ( 5), de manière à obtenir un bloc qui, après sciage, conduira à la formation de 5 balais. Les figures 3, 4 et 5 sont analogues à la figure lb Les figures 3 a, 4 a et 5 a représentent en coupe les balais ( 6) obtenus avec les moyens correspondants représentés aux figures 3, 4 et 5 respectivement. Ces figures illustrent trois cas de figure qui se distinguent par la forme de la gaine de matériau (lb) et la position relative de cette gaine par rapport à la face ( 7) du balai ( 6) traversée par l'extrémité ( 2 e): dans le balai ( 6) de la figure 3 a, obtenu avec les moyens de la figure 3, la gaine de matériau dense (lb) dépasse extérieurement le plan ( 7) de référence constituant la face du balai ( 6) que traverse l'extrémité ( 2 e). dans le balai ( 6) de la figure 4 a, obtenu avec les moyens de la figure 4, la gaine de matériau dense (lb) est au niveau du plan ( 7) de référence constituant la face du balai ( 6) que traverse l'extrémité ( 2 e). dans le balai ( 6) de la figure 5 a, obtenu avec les moyens de la figure 5, la gaine de matériau dense (lb) est limitée extérieurement par une surface sensiblement en forme30 d'entonnoir se raccordant tangentiellement à l'extrémité ( 2 e). La figure 6 représente un moyen pour obtenir le balai ( 6) de la figure 6 a symétrique avec un gaine (lc) en matériau de très haute densité, grâce à l'utilisation de deux seconds moyens de35 compression ( 5) et ( 5 a) se faisant face selon un même axe. La figure 7 représente un moyen pour obtenir le balai ( 6) de la figure 7 a Selon cette modalité de l'invention, le premier moyen de compression ( 4) et le second moyen de compression ( 5) sont parallèles mais de sens opposé.5 La figure 8 représente un autre moyen pour obtenir un bloc de 4 balais représenté à la figure 8 a. Dans ce cas de figure, le premier moyen de compression ( 4) et les seconds moyens de compression ( 5) sont parallèles et de10 même sens. Les figures 9 a à 9 d représentent les différentes vues d'un balai à section trapézoïdale selon l'invention obtenu selon l'exemple de la demande (échelle: 2).15 Les figures 10 a à 10 d représentent les différentes vues d'un balai de l'art antérieur ayant les mêmes dimensions extérieures que le balai de la figure 9 (exemple comparatif). Les figures lia et llb schématisent le procédé de fabrication selon l'invention du balai selon la figure 11 c, balai analogue à celui des figures 9 a à 9 d. Dans ce procédé, on utilise une matrice ( 8) fixe équipée de deux poinçons mobiles, un poinçon inférieur ( 9) et un poinçon25 supérieur ( 10), portant le conducteur électrique ( 2), chacun dotés d'une partie en relief ( 11) se faisant face de manière à obtenir par rapprochement des poinçons une zone surcomprimée (lb) gainant l'extrémité ( 2 e) du conducteur électrique ( 2). DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION La demanderesse a observé qu'il était préférable que la densité de la totalité dudit matériau conducteur électrique en contact avec ladite extrémité noyée dans ladite pièce d'usure35 soit supérieure à la densité moyenne dudit matériau conducteur électrique. De manière surprenante, il a été trouvé qu'un effet très positif sur la fixation mécanique du conducteur électrique et de la pièce d'usure lorsque le balai est soumis à des vibrations, se manifestait même avec une surcompression locale5 relativement faible: il suffit que ladite densité supérieure de la zone surcomprimée soit supérieure d'au moins 5 % à ladite densité moyenne. Généralement, ledit matériau conducteur électrique de densité supérieure à la densité moyenne entoure ladite extrémité et forme donc une gaine de matériau surcomprimé. Cette gaine, qui débouche à l'extérieur, présente donc sa propre surface externe Celle-ci peut être, au moins en partie, soit dans le plan de la face (face désignée par ( 7)15 sur les figures) de ladite pièce d'usure traversée par ledit conducteur électrique, soit décalée par rapport au dit plan. Ainsi, des balais selon les figures ld, 6 a, 7 a, 9 b présentent une gaine de matériau surcomprimé dont la surface externe est en retrait, à l'intérieur, par rapport à la face de la pièce20 d'usure traversée par le conducteur électrique. Un balai selon la figure 4 a de l'invention présente une gaine de matériau surcomprimé dont la surface externe est dans le plan de la face de la pièce d'usure traversée par le25 conducteur électrique. Par contre, un balai selon la figure 3 a de l'invention présente une gaine de matériau surcomprimé dont la surface externe dépasse extérieurement la face de la pièce d'usure30 traversée par le conducteur électrique Mais ces deux dernières modalités (figures 3 a et 4 a) ne constituent que des modalités possibles mais non préférées de l'invention: de préférence, ladite surface externe est en retrait par rapport au dit plan, de manière à former une cavité du fond de35 laquelle émerge ledit conducteur. La surface externe de la gaine surcomprimée se caractérise aussi par sa forme géométrique propre. Elle forme un plan traversé par ledit conducteur électrique dans le cas des balais des figures ld, 3 a, 4 a, 7 a, 9 b.5 Elle peut former une surface, typiquement en forme d'entonnoir, s'écartant progressivement dudit conducteur au fur et à mesure que l'on s'éloigne vers l'extérieur du balai. Dans ce cas, comme représenté schématiquement à la figure 5 a, de préférence, ladite surface externe et la surface dudit10 conducteur se raccordent tangentiellement, la surface externe formant une cavité par rapport à la face de la pièce d'usure. La demanderesse a trouvé qu'un moyen commode pour former une gaine surcomprimée consistait à former un balai avec deux15 cavités symétriques par rapport à un plan du balai, le conducteur électrique émergeant du fond de l'une des deux cavités, comme représenté à la figure 6 a ou à la figure 9 b. Selon l'invention, ladite poudre conductrice servant à former la pièce d'usure par compression est choisie parmi une poudre de graphite, une poudre métallique, un mélange de graphite et de poudre métallique. De préférence, on utilise un mélange de poudre de graphite et de 50 à 80 * en poids de poudre métallique et dans lequel la25 densité du matériau constituant la zone surcomprimée est supérieure d'au moins 7 % à la densité moyenne du matériau de la pièce d'usure. Pour fabriquer le balai selon l'invention, il existe de nombreuses modalités: Selon une première modalité de l'invention, on introduit dans un moule ( 3), muni d'au moins deux moyens de compression ( 4, 5), ladite poudre ( 1) et dans ladite poudre ( 1), ladite extrémité ( 2 e) du conducteur électrique ( 2) solidaire d'un des moyens de compression, puis on comprime l'ensemble, à l'aide d'un premier moyen de compression ( 4), pour obtenir un matériau (la) conducteur électrique de densité sensiblement inférieure à ladite densité moyenne, et enfin on comprime au moins une partie de ce matériau conducteur électrique en contact avec ledit conducteur électrique, à l'aide d'un deuxième moyen de compression ( 5), de manière à obtenir au5 moins un gainage partiel dudit conducteur électrique avec un matériau (lb) de densité égale à ladite densité supérieure. Ce procédé est illustré, selon diverses variantes, par les figures la-1 c, 3, 4, 5, 6, 7, 8.10 Selon une seconde modalité de l'invention schématisée aux figures lia-b, on utilise une matrice ( 8) fixe équipée de deux poinçons mobiles, un poinçon inférieur ( 9) et un poinçon supérieur ( 10) portant le conducteur électrique ( 2), chacun15 doté d'une partie en relief ( 11) se faisant face de manière à obtenir par rapprochement des poinçons une zone surcomprimée (lb) gainant entièrement l'extrémité ( 2 e) du conducteur électrique ( 2). On obtient ainsi un balai comportant deux creux ou encoches symétriques, le conducteur électrique émergeant du fond d'une de ces deux encoches. EXEMPLE On a fabriqué le balai selon l'invention représenté selon différentes vues, à l'échelle 2, aux figures 9 a à 9 d. On a formé un mélange contenant 69 % de poudre métallique contenant un mélange de cuivre et de plomb, le reste étant une30 poudre de graphite. On l'a placé dans une enceinte formée par la matrice ( 8) et le poinçon inférieur ( 9) muni d'une partie en relief ( 11) et on l'a comprimé à l'aide du poinçon supérieur ( 10), muni également d'une partie en relief ( 11) à travers laquelle passe l'extrémité du conducteur ( 2), selon le procédé schématisé aux figures lla et llb. On a ainsi obtenu un balai selon l'invention qui présente une zone surcomprimée formant une gaine pour l'extrémité ( 2 e) du conducteur électrique ( 2) Extérieurement, ce balai présente deux encoches symétriques, le conducteur électrique sortant du5 fond de l'une d'elles. La partie non-surcomprimée (la) avait une densité de 4, alors que la zone surcomprimée (lb) avait une densité de allant de 4,32 à 4,4 soit une densité supérieure de 8 à 10 % à celle du matériau (la) non surcomprimé. Compte tenu des volumes respectifs de la partie surcomprimée et non surcomprimée, la partie surcomprimée ne représentant qu'une faible fraction de l'ensemble (typiquement 5 à 20 % en volume), la densité moyenne de la pièce d'usure est de 4,06.15 EXEMPLE COMPARATIF Dans l'exemple comparatif selon l'art antérieur, tout est identique à l'exemple selon l'invention, sauf en ce qu'il n'y20 a pas de surcompression, les matrices de compression n'ayant pas de partie en relief Le balai obtenu est celui représenté aux figures l Oa à l Od (échelle 2) Ce balai présente les mêmes dimensions extérieures que celui fabriqué selon l'invention et sa densité, homogène, est de 4. RESULTATS COMPARATIFS On a testé les deux balais sur un banc vibrant et on a observé, une forte amélioration de la fixation mécanique de l'extrémité du conducteur électrique et de la pièce d'usure. La durée de vie du balai sous vibration est fortement augmentée avec le balai selon l'invention et est au moins doublée pour les fréquences habituellement rencontrées sur les35 moteurs. UTILISATION Les balais selon l'invention trouvent une application comme balais de démarreurs et plus particulièrement comme balais de5 démarreurs à collecteur plat, les démarreurs à collecteur plat vibrant relativement fortement dans le sens qui excite la vibration du conducteur électrique. Ainsi, l'invention permet l'utilisation de balais économiques là o, selon l'art antérieur, des balais relativement coûteux10 étaient requis. REVENDICATIONS 1 Balai pour moteurs électriques comprenant une pièce d'usure en matériau conducteur électrique, un conducteur électrique, sous forme de fil, cable ou tresse, dont une extrémité pénètre et est noyé dans ladite pièce d'usure, balai obtenu par compression d'une poudre conductrice électrique contenant une extrémité dudit conducteur électrique de manière à assurer simultanément la formation de ladite pièce d'usure, la fixation mécanique et la connexion électrique dudit conducteur électrique et de ladite pièce d'usure, caractérisé en ce que la densité d'au moins une partie dudit matériau conducteur électrique en contact avec ladite extrémité noyée dans ladite pièce d'usure est supérieure à la densité moyenne15 dudit matériau conducteur électrique, de manière à former une zone surcomprimée autour de ladite extrémité noyée et à améliorer la solidité de ladite fixation mécanique lorsque ledit balai est soumis à des vibrations. 2 Balai selon la revendication 1 dans lequel la densité de la totalité dudit matériau conducteur électrique en contact avec ladite extrémité noyée dans ladite pièce d'usure est supérieure à la densité moyenne dudit matériau conducteur électrique. 3 Balai selon une quelconque des revendications 1 et 2 dans lequel ladite densité supérieure est supérieure d'au moins 5 % à ladite densité moyenne. 4 Balai selon une quelconque des revendications 1 à 3 dans lequel ledit matériau conducteur électrique de densité supérieure à la densité moyenne entourant ladite extrémité forme une gaine de matériau dont la propre surface externe est soit dans le plan de la face ( 7) de ladite pièce d'usure35 traversée par ledit conducteur électrique, soit décalée par rapport au dit plan. Balai selon la revendication 4 dans lequel ladite surface externe est de préférence en retrait par rapport au dit plan, de manière à former une cavité du fond de laquelle emerge ledit conducteur.5 6 Balai selon une quelconque des revendications 4 et 5 dans lequel ladite surface externe de ladite gaine de matériau forme un plan traversé par ledit conducteur. 7 Balai selon une quelconque des revendications 4 et 5 dans lequel ladite surface externe forme une surface, typiquement en forme d'entonnoir, s'écartant progressivement dudit conducteur au fur et à mesure que l'on s'éloigne vers l'extérieur du balai.15 8 Balai selon la revendication 7 dans lequel ladite surface externe et la surface dudit conducteur électrique se raccordent tangentiellement. 9 Balai selon la revendication 5 dont ladite pièce d'usure présente une symétrie par rapport à un plan et comprend deux dites cavités symétriques par rapport au dit plan, ledit conducteur électrique émergeant du fond de l'une des deux cavités.* 25 Balai selon une quleconque des revendications 1 à 9 dans lequel ladite poudre conductrice est choisie parmi une poudre de graphite, une poudre métallique, un mélange de graphite et de poudre métallique.30 11 Balai selon la revendication 10 dans lequel ladite poudre conductrice est un mélange de poudre de graphite et de 50 à 80 % en poids de poudre métallique et dans lequel la densité du matériau constituant la zone surcomprimée est supérieure d'au moins 7 % à la densité moyenne du matériau de la pièce d'usure. 12 Procédé de fabrication d'un balai selon une quelconque des revendications 1 à 11 dans lequel on introduit dans un moule ( 3) muni d'au moins deux moyens de compression ( 4, 5), ladite poudre ( 1) et dans ladite poudre ( 1), ladite extrémité5 ( 2 e) du conducteur électrique ( 2) solidaire d'un des moyens de compression, puis on comprime l'ensemble, à l'aide d'un premier moyen de compression ( 4), pour obtenir un matériau (la) conducteur électrique de densité sensiblement inférieur à ladite densité moyenne, et enfin on comprime au moins une partie de ce matériau conducteur électrique en contact avec ledit conducteur électrique, à l'aide d'un deuxième moyen de compression ( 5), de manière à obtenir au moins un gainage partiel dudit conducteur électrique avec un matériau (lb) de densité égale à ladite densité supérieure.15 13 Procédé de fabrication d'un balai selon une quelconque des revendications 1 à 11 dans lequel on on utilise une matrice ( 8) fixe équipée de deux poinçons mobiles, un poinçon inférieur ( 9) et un poinçon supérieur ( 10), portant le20 conducteur électrique ( 2), chacun doté d'une partie en relief ( 11) se faisant face de manière à obtenir par rapprochement des poinçons ( 9) et ( 10) un balai ( 6) présentant une zone surcomprimée (lb) gainant entièrement l'extrémité ( 2 e) du conducteur électrique ( 2).25