Brevet FR2715005A1 — publié le 19950713

COLLECTEUR ELECTRIQUE TOURNANT A BALAIS MULTIBRINS. DESCRIPTION L'invention concerne un collecteur électri- que tournant comportant une ou plusieurs bagues collec- trices et au moins un balai multibrin en appui latéral glissant contre chaque bague collectrice, de façon à permettre la transmission d'un ou plusieurs signaux électriques entre deux pièces aptes à être animées d'un mouvement de rotation relative. Les collecteurs électriques tournants sont des dispositifs qui permettent de transmettre un ou plusieurs signaux électriques entre une partie fixe ou stator, et une partie mobile ou rotor. De tels disposi- tifs sont utilisés dans de nombreux secteurs indus- triels parmi lesquels on citera, uniquement à titre d'exemples, les machines outils, les transports aériens, navals et terrestres,les radars, etc.. Le rotor d'un collecteur électrique tour- nant comprend un nombre de bagues électriquement conductrices égal au nombre de signaux électriques que doit transmettre le dispositif. Ces bagues électrique- ment conductrices sont disposées sur un axe électrique- ment isolant et séparées les unes des autres par un matériau électriquement isolant. Le stator des collecteurs électriques tour- nants comprend généralement, en face de chacune des bagues électriquement conductrices, au moins deux ba- lais constitués chacun, le plus souvent, par un brin unique électriquement conducteur frottant en permanence sur la bague correspondante. Des gorges peuvent être usinées sur les bagues électriquement conductrices pour assurer le guidage des balais. Lorsque les balais des collecteurs électri- ques tournants sont des balais monobrins, comme c'est habituellement le cas, les vibrations qui se produisent inévitablement lors du fonctionnement entraînent des variations dans le temps des surfaces de contact entre les balais et les bagues collectrices pouvant aller jusqu'à de brèves pertes de contact. Ces variations des surfaces de contact et ces brèves pertes de contact ont pour conséquence des variations sensibles de la résis- tance électrique dynamique dans les zones de contact glissants des collecteurs. Cela se traduit tout d'abord par l'appari- tion de bruits dans les signaux électriques transmis pas ces collecteurs. Cela se traduit aussi par une accélération de l'usure des balais, à la fois pour des raisons méca- niques et du fait de l'échauffement qui se produit par effet Joule lors de l'accroissement de la résistance électrique dynamique entraînée par les pertes de contact. Ces phénomènes sont d'autant plus sensibles que la vitesse de déplacement linéaire relative entre les bagues collectrices et les balais du collecteur est élevée. En résumé, les collecteurs électriques tournants à balais monobrins ont donc pour principaux inconvénients l'introduction de bruits électriques dans les signaux qu'ils transmettent, une durée de vie par- fois insuffisante et une vitesse linéaire relative entre les bagues collectrices et les balais qui ne peut excéder certaines limites. Comme l'indique notamment le document FR-A- 2 469 813, il est connu de doter un collecteur électri- que tournant de balais multibrins. Plus précisément, ce document propose de réaliser les balais d'un collecteur électrique tournant sous la forme d'un faisceau de brins constitué par l'assemblage d'un grand nombre de fils métalliques de très faible diamètre (10 pm à 300 pm). Dans un agencement de ce type, compte tenu du grand nombre de brins et de leur très faible diamè- tre, il se produit rapidement une usure qui conduit à la cassure de certains des brins. Il existe alors de forts risques de courts-circuits, ce qui constitue un inconvénient rédhibitoire rendant cette solution inac- ceptable dans la grande majorité des cas. De plus, la majorité des brins du faisceau formant un balai n'est pas directement en contact avec la bague collectrice. Par conséquent, la transmission des signaux électriques s'effectue de brins en brins jusqu'à la bague collectrice, ce qui n'est pas satis- faisant du point de vue de la variation de la résis- tance de contact. L'invention a précisément pour objet un collecteur électrique tournant dont les balais présen- tent une conception originale permettant de diminuer sensiblement les bruits électriques dus aux vibrations, par rapport aux balais monobrins, tout en autorisant une durée de vie et des vitesses linéaires supérieures à celles permises avec les balais monobrins, sans ris- que de création de courts-circuits par suite de cassu- res des brins du balai, et quel que soit le diamètre des bagues collectrices, c'est-à-dire notamment pour des collecteurs de très petites dimensions utilisés dans des applications gyroscopiques. Conformément à l'invention, ce résultat est obtenu au moyen d'un collecteur électrique tournant à balais multibrins, apte à être placé entre deux pièces susceptibles d'être animées d'un mouvement de rotation relative, ce collecteur comprenant au moins une bague collectrice réalisée en un matériau électriquement conducteur et portée par une première desdites pièces et au moins un balai multibrin réalisé en un matériau électriquement conducteur et porté par la deuxième pièce de façon à être en appui latéral glissant contre la bague collectrice, selon une force d'appui détermi- née, caractérisé par le fait que chaque balai multibrin comprend un faisceau de deux à cinq brins juxtaposés, reçu dans une gorge annulaire de la bague collectrice de façon telle que chacun d'entre eux soit simultané- ment en contact avec cette gorge. L'utilisation de balais multibrins présen- tant un nombre limité de brins disposés de façon à être tous en contact avec la gorge annulaire de la bague collectrice permet de diminuer sensiblement les varia- tions de résistance électrique dynamique aux surfaces de contact, notamment en procurant un auto- amortisse- ment des vibrations. Il en découle une diminution sen- sible des bruits électriques engendrés dans le collec- teur ainsi qu'une nette amélioration de la durée de vie et des vitesses linéaires susceptibles d'être attein- tes, par rapport aux collecteurs à balais monobrins. De plus, la limitation du nombre de brins constituant chaque balai à un nombre très faible permet de donner à ces brins un diamètre suffisant pour éviter tout risque de rupture susceptible de produire des courts-circuits inacceptables dans le collecteur. La forme de réalisation présentant le compromis le plus satisfaisant correspond au cas o chaque balai multibrin comprend trois brins juxtaposés. De préférence, chaque balai multibrin comprend de plus une embase comportant un réceptacle dans lequel est reçue une extrémité du faisceau et une tige de réglage de la force d'appui, portant le récep- tacle et apte à être fixée sur un bornier de la deuxième pièce. Cette tige est avantageusement une tige rectiligne pliée pour former un angle qui détermine la force d'appui. Dans une forme de réalisation préféren- tielle de l'invention, les brins sont soudés dans un trou borgne du réceptacle. Selon le cas, la gorge annulaire dans la- quelle est reçue chaque balai présente soit une section en forme de V, soit une section en forme de U. D'une manière en elle-même connue, deux balais sont de préférence en appui latéral glissant, en sens opposé, dans chacune des gorges annulaires. On décrira à présent, à titre d'exemple non limitatif, une forme de réalisation préférentielle de l'invention, en se référant aux dessins annexés, dans lesquels: - la figure 1 est une vue en perspective, avec arrachement partiel, représentant un collecteur électrique tournant réalisé conformément à l'inven- tion; - la figure 2 est une vue en coupe trans- versale du collecteur de la figure 1, passant par l'axe de l'un des balais de ce collecteur; - la figure 3 est une section selon la ligne III-III de la figure 2; et - la figure 4 est une section analogue à celle de la figure 3 illustrant une variante de réali- sation de l'invention. Le collecteur électrique tournant illustré schématiquement sur la figure 1 comprend un rotor 10 et un stator 12. Le rotor 10 comprend principalement un axe 14, réalisé en un matériau électriquement isolant, sur lequel sont montées des bagues collectrices 16, réali- sées en un matériau électriquement conducteur. Ces bagues collectrices 16 sont séparées les unes des autres par des bagues électriquement isolantes 18. Le nombre des bagues 16 et 18 peut être quelconque et dépend essentiellement du nombre de signaux à transmet- tre au travers du collecteur. Des conducteurs électriques 20 cheminent à l'intérieur de l'axe 14, de façon à relier chacune des bagues collectrices 16 à des systèmes susceptibles de recevoir ou d'émettre les signaux électriques cheminant par les bagues. L'axe 14 du rotor 10 est supporté par deux flasques 22 du stator 12, par l'intermédiaire de deux paliers 24. Le stator 12 du collecteur électrique tour- nant comprend de plus une pièce tubulaire 26 qui relie entre eux les deux flasques 22 coaxialement à l'axe 14, autour des bagues collectrices 16 et des bagues isolan- tes 18. La pièce tubulaire 26 porte un bornier 27 en un matériau électriquement isolant, supportant des lames conductrices. Ce bornier 27 supporte, dans un plan cou- pant radialement chacune des bagues collectrices 16, deux balais multibrins 28 qui sont disposés de façon à être en appui latéral glissant, en sens opposé, sur la bague collectrice 16 correspondante. Plus précisément, chaque paire de balais 28 prend appui dans une gorge de guidage 30 de la bague collectrice 16 correspondante, cette gorge 30 présentant avantageusement une section en forme de V (figure 3) ou de U (figure 4). La fixa- tion des deux balais 28 d'une même paire sur le bornier 27 est effectuée en deux emplacements voisins, de telle sorte que les balais 28 soient disposés symétriquement par rapport à un plan passant par l'axe géométrique de l'axe 14. La réalisation individuelle de chacun des balais multibrins 28 va à présent être décrite en détail en se référant aux figures 2 et 3. Conformément à l'invention, chacun des ba- lais multibrins 28 comprend un faisceau de n brins juxtaposés, n pouvant varier entre 2 et 5 et étant avantageusement égal à 3, comme l'illustrent les figu- res. Les brins 32 sont tous identiques et ils sont réalisés en un matériau électriquement conducteur, mécaniquement résistant et présentant une bonne élasti- cité. Ce matériau peut notamment être constitué par un alliage métallique tel qu'un alliage à base d'or. Le diamètre de chacun des brins 32 du balai 28 est avantageusement compris entre 0,15 mm et 0,25 mm. Cette dimension évite tout risque de cassure et, par conséquent, de court-circuit à l'intérieur du collecteur, sans pour autant accroître de façon sensi- ble l'encombrement des balais. Chacun des balais multibrins 28 comprend de plus une embase 34 par laquelle les brins 32 sont mon- tés sur le bornier 27 du stator. Cette embase 34 est réalisée en un matériau électriquement conducteur tel que du laiton. Une première extrémité du faisceau formé par les brins 32 est encastrée dans un trou borgne formé dans un réceptacle tubulaire 36 constituant une partie de l'embase 34. L'embase 34 comprend de plus une tige 38 qui est alignée avec les brins 32 lorsque ces derniers sont encastrés dans le réceptacle 36. Lors de la fabrication des balais 28, les trois brins 32 de chacun des balais sont encastrés dans le trou borgne du réceptacle 36 et ils y sont soudés par de la soudure 40. Cette soudure 40 peut être réali- sée électriquement. Les brins 32 sont alors rectilignes et alignés avec la tige 38 comme on l'a représenté en trait plein sur la figure 2. Lorsque le balai 28 est fixé sur le bornier 27 du stator 12, la tige 38 est introduite dans un perçage 40, de profondeur définie, formé dans un contact électriquement conducteur porté par le bornier 27. La fixation définitive est assurée par soudage comme on l'a représenté en 42. Afin que les brins 32 du balai 28 appuient ensuite avec une force d'appui prédéterminée contre la gorge 30 de la bague collectrice 16 correspondante, la tige 38 est pliée selon un angle déterminé, dans un plan perpendiculaire à l'axe géométrique de l'axe 14, comme on l'a représenté en traits mixtes sur la figure 2. Cet angle est tel que, lorsque le rotor est en place, les brins 32 du balai 28 sont en appui latéral glissant dans la gorge 30 de la bague 16 correspon- dante, en subissant une certaine flexion vers l'exté- rieur qui détermine la force d'appui. Comme on l'a représenté sur la figure 3, lorsque la gorge 30 présente en section la forme d'un V, l'un des brins 32 du balai 28 prend appui dans le fond de la gorge alors que les deux autres brins 32 prennent appui à la fois sur les flancs de la gorge et sur le premier brin. Les tests effectués à l'aide de balais réa- lisés de cette manière ont permis de montrer que les vibrations de chacun des brins 32 du balai sont auto-amortis par les autres brins, de telle sorte que les variations relatives des surfaces de contact entre les balais et les bagues collectrices sont sensiblement réduites par rapport à un collecteur équipé de balais monobrins. De plus, étant donné que chacun des brins 32 du balai est en contact directement avec la bague col- lectrice 16, les surfaces de contact sont accrues. En outre, la force d'appui élémentaire est réduite et répartie. Ces changements de caractéristiques ont pour conséquences des diminutions sensibles des bruits électriques, de la résistance de contact, de l'échauf- fement par effet Joule et de l'usure mécanique dues à une force d'appui élémentaire réduite et répartie. Cela se traduit concrètement par une augmentation notable de la durée de vie par rapport aux collecteurs électriques tournants à balais monobrins ainsi que la possibilité d'atteindre des vitesses de déplacement linéaire rela- tif entre les balais et les bagues sensiblement plus élevées qu'avec des balais monobrins. De plus, ces avantages sont obtenus pour un coût de fabrication très réduit et sans risquer d'en- traîner des courts-circuits dans le collecteur par suite de la cassure accidentelle de certains brins. Dans la variante de réalisation de la fi- gure 4, la gorge 30 à section en forme de V a été rem- placée par une gorge à section en forme de U. Cette caractéristique permet notamment d'améliorer la répar- tition entre les brins 32 des charges dues à la force d'appui avec laquelle le balai est appliqué contre la gorge, tout en préservant l'effet de guidage procuré par cette gorge. Bien que l'utilisation de trois brins dans chacun des balais 28 constitue le meilleur compromis, on peut toutefois envisager de n'utiliser que deux brins, notamment dans le cas d'une gorge à section en forme de U, ou au contraire d'utiliser quatre à cinq brins. Dans ce dernier cas, il est toutefois souhaita- ble de s'assurer que la fixation des brins sur le sta- tor soit réalisée de façon telle que chacun des brins soit directement en contact avec la gorge 30 usinée sur la bague collectrice 16. REVENDICATIONS 1. Collecteur électrique tournant à balais multibrins, apte à être placé entre deux pièces (10,12) susceptibles d'être animées d'un mouvement de rotation relative, ce collecteur comprenant au moins une bague collectrice (16) réalisée en un matériau électriquement conducteur et portée par une première desdites pièces et au moins un balai multibrin (28) réalisé en un maté- riau électriquement conducteur et porté par la deuxième pièce (12) de façon à être en appui latéral glissant contre la bague collectrice, selon une force d'appui déterminée, caractérisé par le fait que chaque balai multibrin (28) comprend un faisceau de deux à cinq brins juxtaposés (32), reçu dans une gorge annulaire (30) de la bague collectrice (16) de façon telle que chacun d'entre eux soit simultanément en contact avec cette gorge. 2. Collecteur électrique tournant, selon la revendication 1, caractérisé par le fait que chaque balai multibrin (28) comprend trois brins juxtaposés (32). 3. Collecteur électrique tournant selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait que chaque balai multibrin (28) comprend de plus une embase (34) comportant un réceptacle (36) dans lequel est reçue une extrémité du faisceau et une tige (38) de réglage de ladite force d'appui, portant le réceptacle et apte à être fixée sur un bornier (27) de la deuxième pièce (12). 4. Collecteur électrique tournant selon la revendication 3, caractérisé par le fait que la tige (38) est une tige rectiligne pliée pour former un angle qui détermine la force d'appui. 5. Collecteur électrique tournant selon l'une quelconque des revendications 2 et 3, caractérisé par le fait que les brins (32) sont soudés dans un trou borgne du réceptacle (36). 6. Collecteur électrique tournant selon l'une quelconque des revendications précédentes, carac- térisé par le fait que les brins (32) ont une même section circulaire, de diamètre compris entre environ 0,15 mm et environ 0,25 mm. 7. Collecteur électrique tournant selon l'une quelconque des revendications précédentes, carac- térisé par le fait que la gorge annulaire (30) présente une section en forme de U. 8. Collecteur électrique tournant selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que la gorge annulaire (30) présente une section en forme de V. 9. Collecteur électrique tournant selon l'une quelconque des revendications précédentes, carac- térisé par le fait que deux balais (28) sont en appui latéral glissant, en sens opposé, dans chacune des gorges annulaires (30).