Brevet FR2734669A1 — publié le 19961129

BAGUES D'ALTERNATEURS ET COLLECTEURS CYLINDRIQUES EN MATERIAU COMPOSITE CUPRO-GRAPHITIQUE FRITTE Domaine de l'invention La présente invention concerne les contacts électriques glissants des machines électriques, telles que des moteurs ou10 des alternateurs. L'invention concerne plus spécifiquement les pièces de contact rotatives desdits contacts électriques glissants, telles que les bagues d'alternateurs ou les collecteurs cylindriques de moteurs électriques. Lesdites pièces sont fixées à l'élément rotatif de la machine électrique, généralement à l'une de ses extrémités, et sont parcourues par un ou plusieurs balais, de manière à établir un contact électrique glissant, et à faire transiter du courant, entre les conducteurs électriques solidaires de l'élément20 rotatif et les conducteurs électriques immobiles. Les balais comprennent généralement une pièce d'usure à laquelle est fixée un conducteur électrique de raccordement. L'invention concerne tout particulièrement les pièces de contact rotatives en matériau composite cupro-graphitique destinées à être utilisées en combinaison avec des balais contenant des matériaux carbonés. Etat de la technique Selon l'art antérieur, la pièce de contact rotative, qui possède généralement une épaisseur usable nettement plus faible que la longueur usable de la pièce d'usure du balai, est constituée d'un matériau possédant une conductivité35 électrique élevée et des caractéristiques mécaniques suffisantes pour éviter notamment l'éclatement en rotation. La pièce d'usure du balai est le plus souvent constituée d'un matériau conducteur plus mou que la pièce de contact rotative et qui offre un comportement tribologique et des propriétés de contact électrique satisfaisants, de manière à éviter une5 usure rapide du contact glissant et à développer une faible chute de tension entre le balai et la pièce de contact rotative. Il est bien connu de réaliser les pièces de contact rotatives en alliage cuivreux, tel que du cuivre légèrement allié ou un bronze, et les pièces d'usure des balais en un matériau contenant un matériau carboné, tel que le carbone amorphe et les graphites naturels ou synthétiques. Les pièces de contact rotatives en alliage cuivreux sont le plus souvent obtenues par étirage ou emboutissage, et le durcissement causé par les déformations plastiques permet d'obtenir des caractéristiques mécaniques suffisantes sur le produit fini.20 On connaît aussi l'utilisation des pièces de contact rotatives en graphite pour la réalisation de moteurs destinés à fonctionner en immersion dans des milieux agressifs vis-à-vis du cuivre, tels que certaines essences de véhicules25 automobiles. De manière à obtenir une résistance mécanique de la pièce de contact rotative supérieure à celle d'une pièce de contact rotative en graphite, il est connu par le demande allemande DE30 32 30 298 de réaliser lesdites pièces en composite métallographitique, notamment à partir d'un mélange de poudres de bronze ou de cuivre et de graphite compacté par frittage. Cette approche n'a pas donné d'application connue aux contacts électriques glissants des machines électriques. Il est connu d'utiliser des balais dont la pièce d'usure est en composite métallographitique, généralement obtenue par frittage incomplet de la phase métallique ou par imprégnation, avec une proportion de cuivre le plus souvent inférieure à 85 %. Problème posé La fiabilité d'une machine électrique est un critère qui prend une importance croissante dans le choix d'une solution10 technique. Ce critère devient décisif lorsqu'une machine électrique est destinée à faire partie d'un ensemble, souvent complexe, tel qu'un appareillage ou un véhicule automobile, car la défaillance prématurée d'un des composants de l'ensemble réduit la fiabilité de tout l'ensemble et entraîne15 des coûts d'entretien supplémentaires. Le critère de fiabilité se traduit en particulier par une durée de vie qui correspond au temps de fonctionnement de la machine, sans entretien et sans surveillance, jusqu'à la20 première défaillance conduisant à un arrêt et nécessitant une intervention. Or la durée de vie des machines électriques est souvent limitée par l'usure des contacts électriques glissants. Dans25 les applications courantes basées sur l'utilisation des matériaux connus, les durées de vie connues sont au plus de l'ordre de 1500 heures. Cependant, quoique de telles durées de vie soient tout à fait satisfaisantes pour un grand nombre d'applications, certains domaines, tels que celui des véhicules automobiles, requièrent de plus en plus souvent des durées de vie nettement supérieures à 1500 heures. Objet de l'invention L'objet principal de la présente invention est une pièce de contact rotative en composite graphite-cuivre dont le taux d'usure en regard de balais contenant un matériau carboné conduit à des durées de vie nettement supérieures à 1500 heures.5 Description de l'invention Selon l'invention, la pièce de contact rotative, telle qu'une bague ou un collecteur cylindrique, destinée à l'élément10 rotatif d'une machine électrique, telle qu'un moteur ou un alternateur, est constituée d'un matériau composite cupro- graphitique fritté et est caractérisée en ce que ledit matériau composite comprend entre 90 et 98 % en poids de cuivre ou alliage de cuivre, en ce que la densité effective15 dudit matériau composite est comprise entre 6,5 et 8,5, et en ce que les paillettes de graphite sont fortement orientées par rapport à l'axe de symétrie de ladite pièce de contact rotative, c'est-à-dire que l'axe principal P de plus de 50% des paillettes de graphite est incliné de moins de 45 par20 rapport audit axe de symétrie, de telle manière que l'anisotropie de la résistivité électrique et de la résistance à la flexion est très prononcée, c'est-à-dire que le rapport Rho de résistivité électrique rho I I / rho 1 est supérieur à 1,2 et le rapport R de résistance à la flexion RI I / Rj est inférieur à 0,8, o | désigne la direction parallèle audit axe de symétrie et l la direction perpendiculaire. L'axe de symétrie de la pièce de contact rotative correspond à l'axe de rotation de l'élément rotatif de la machine30 électrique. L'axe principal P des paillettes de graphite, qui est sensiblement perpendiculaire au plan apparent des paillettes, correspond à l'orientation moyenne des axes35 cristallographiques c perpendiculaires aux plans basaux des particules de graphite des paillettes. De préférence, les particules des paillettes de graphite ont une dimension maximale inférieure à 200 pm et au moins 90% desdites particules ont une dimension maximale inférieure à 100 pm. Des particules de plus grandes dimensions entraînent un nombre de défauts trop élevé et des contraintes mécaniques internes trop importantes. La demanderesse a découvert avec surprise que, comme le montrent les exemples, la pièce de contact rotative selon10 l'invention entraîne des durées de vie du contact glissant nettement plus élevées que celles de l'art antérieur. Ce constat ne trouve pas d'explication connue et en fait va à l'encontre de l'enseignement habituel de l'état de l'art15 antérieur, notamment en ce qui concerne les caractéristiques mécaniques des matériaux. L'augmentation de la durée de vie pourrait être liée à une modification des mécanismes tribologiques sous courant électrique et des phénomènes électriques au contact. Les pièces de contact rotatives selon l'invention présentent l'avantage de se substituer aux pièces de l'art antérieur sans modification majeure des machines électriques et de produire des chutes de tension au contact plus faibles, moins de25 vibrations, un niveau sonore moins élevé et moins de parasites électromagnétiques, et de permettre des jonctions électriques aisées avec les conducteurs électriques selon des techniques connues, telles que la soudure ou le scellement. Le deuxième objet de la présente invention est un procédé de fabrication économique de la pièce de contact rotative du premier objet de l'invention. Le procédé de l'invention comprend les étapes suivantes: - préparation d'un mélange de poudre de graphite, de poudre de cuivre ou d'alliage de cuivre, et d'au moins un lubrifiant solide, - formation d'une pièce moulée crue par compression axiale à froid du mélange dans un moule, de telle manière que l'axe de compression coincide avec l'axe de symétrie de ladite pièce,5 - frittage de la pièce moulée crue sous atmosphère réductrice. De préférence, les particules des paillettes de graphite ont une dimension maximale inférieure à 200 pm et au moins 90% desdites particules ont une dimension maximale inférieure à10 100 pm. De préférence, la dimension maximale des particules de la poudre de cuivre est voisine de celle des particules de graphite et inférieure à 200 pm, et au moins 90% des particules de cuivre ont une dimension maximale inférieure à 100 pm. Des dimensions de particules de graphite et de cuivre trop différentes entraînent en particulier un abaissement des caractéristiques mécaniques et une plus grande porosité. Des particules de cuivre de trop grande taille conduisent à un nombre de défauts inacceptable et des contraintes mécaniques importantes.20 Les particules de ladite poudre à base de cuivre ont de préférence une morphologie de surface irrégulière, c'est-à- dire de structure dendritique ou similaire, telle que celle obtenue par voie électrolytique.25 Il peut être avantageux d'utiliser du cuivre d'origine électrolytique. Le ou les lubrifiant(s) solide(s) du mélange est (sont) choisi(s) parmi les lubrifiants solides connus, tels que les stéarates. La proportion de lubrifiant solide est de préférence inférieure à 5% en poids de manière à assurer une35 lubrification satisfaisante lors de la mise en forme sans toutefois laisser une porosité trop importante lors du frittage. La pression de compression est de préférence entre 150 et 350 MPa de manière à assurer une compression suffisante, sans5 nécessiter des conditions de compression difficiles. La température de frittage est de préférence entre 500 et 1050 C. Une température inférieure à 500 C donne un frittage incomplet et une température supérieure à 1050 C entraîne un ramollissement important des particules de cuivre, voire leur fusion, et conduit en particulier à des hétérogénéités dans la répartition des particules de graphite. Il est avantageux de réaliser l'opération de frittage à une température entre 700 et 900 C, pour des raisons de coût et de rapidité. Le temps de15 maintien à la température de frittage est choisi, de préférence entre 1 et 5 heures, de manière à assurer un frittage complet tout en évitant les recristallisations secondaires et l'apparition de défauts et de contraintes. Il peut être avantageux de sceller les conducteurs électriques dans la pièce de contact rotative lors de la phase de compression. Le procédé de fabrication de l'invention présente l'avantage de ne pas nécessiter l'adjonction de liants organiques ou de métaux. Le procédé selon l'invention présente également l'avantage de produire des pièces de contact rotatives aux cotes souhaitées ou ne nécessitant qu'un simple usinage complémentaire.30 Description des figures L'invention sera mieux comprise à l'aide des figures suivantes, qui sont données à titre indicatif et nullement35 limitatif. La figure 1 illustre de manière schématisée la configuration d'un contact électrique glissant de machine électrique, avec l'élément rotatif (1), au moins une pièce de contact rotative (2) et au moins un balai, dont n'est représenté que la pièce d'usure (3) sans le système de maintien. L'axe de rotation (4) de l'élément rotatif coïncide avec l'axe de symétrie de la pièce de contact rotative (2). Le sens de rotation indiqué est arbitraire. Les directions t, a et r correspondent respectivement à la direction tangentielle à la pièce de10 contact rotative, à la direction axiale parallèle à l'axe de rotation et à la direction radiale par rapport au même axe de rotation et par rapport au contact électrique glissant. La figure 2 a) illustre un contact électrique glissant de moteur électrique, comprenant un élément rotatif (1), tournant autour d'un axe de rotation (4), des balais, dont ne sont représentées que les pièces d'usure (3), et un collecteur cylindrique (5) comprenant plusieurs lames (6). La figure 2 b) illustre un contact électrique glissant d'alternateur,20 comprenant un élément rotatif (1), tournant autour d'un axe de rotation (4), des balais, dont ne sont représentées que les pièces d'usure (3), et des bagues (7). La figure 3 illustre de manière schématique une coupe axiale d'une pièce de contact rotative (2), qui comprend des paillettes (9), constituées de particules de graphite (8) et dont l'axe principal P est incliné d'un angle A par rapport à tout axe (40) parallèle à l'axe de symétrie. La figure 4 montre la micrographie d'une coupe axiale d'une pièce de contact rotative selon l'invention. Exemples EXEMPLE 1: Des bagues d'alternateur 12V ont été réalisées selon l'art antérieur et selon l'invention.5 Des bagues d'alternateur selon l'art antérieur ont été réalisées par usinage de profilés tubulaires en cuivre non- recuit. Des bagues selon l'invention ont été réalisées selon le procédé de l'invention à partir de poudre de cuivre électrolytique et de graphite naturel. Les dimensions maximales des particules de cuivre et de graphite étaient comparables et inférieures à 200 pm et au moins 90% des15 particules étaient de dimensions maximales inférieures à 100 Pm. Le lubrifiant solide était du stéarate de zinc (environ 0,4% en poids dans tous les cas).20 Les poudres de cuivre électrolytique et de graphite naturel et le stéarate de zinc ont été mélangés, dans différentes proportions, selon les techniques connues. Des pièces moulées crues ont été formées par compression axiale du mélange dans25 un moule sous une pression de 195 MPa. La densité des pièces crues était de 7,2 environ. Les pièces moulées crues ont été frittées à 850 C pendant 3 heures, après une montée en température à 50 C/h, sous une atmosphère réductrice comprenant environ 40% d'hydrogène et 60% d'azote. Une coupe30 micrographique d'une des pièces obtenues est montrée à la figure 4. La résistivité électrique a été mesurée selon la méthode en 4 points. La résistance à la flexion est mesurée selon la35 méthode à 3 points, avec des éprouvettes de 36mm x 20mm x 11,3 mm de dimensions, avec un espacement de 27 mm entre les deux points de contact inférieurs. Les tests de durée de vie ont été réalisées sur banc d'essai sous des conditions réelles d'utilisation. Dans tous les cas,5 l'intensité était de 3,5A, la température de 100 C, la vitesse de rotation de 10000 tours/min. Le fonctionnement de l'alternateur était continu durant l'essai. Les essais ont été conduits avec des balais métallographi- tiques de nuance LCL C7364 comprimés selon la direction radiale r. Les balais avaient une section de 4,6mm x 6,4mm et une longueur usable de lOmm. Les résultats obtenus sont regroupés dans le tableau 1. D correspond à la densité. %Cu et %C correspondent respectivement à la proportion de cuivre et de graphite naturel, en poids, de la pièce frittée. La durée de vie correspond au temps écoulé depuis le mise en route de l'alternateur et la première défaillance liée à l'usure20 complète de l'un des balais et/ou de l'une des bagues. Le cas 1 concerne les bagues d'alternateur réalisées selon l'état de l'art. Les cas 2 à 4 concernent des bagues réalisées par frittage selon le procédé de fabrication de l'invention,25 avec des proportions de cuivre et de graphite correspondant à l'invention dans le cas 3. Chaque cas correspond à 3 essais sur des alternateurs différents. TABLEAU 1 Cas %Cu %C Rho R D Durée de vie 1- 100 0 1,0 >1 8,9 1510 h 2- 100 0 1,0 0,9 8,6 1480 h 3- 95 5 2,1 0,4 7,7 3050 h 4- 85 15 2,1 0,4 6,5 1220 h ll Ces résultats montrent que la durée de vie est nettement supérieure à 1500 heures pour les bagues d'alternateur de l'invention. EXEMPLE 2: Des collecteurs cylindriques de moteur auxiliaire de 12V ont été réalisés selon l'art antérieur et selon l'invention. Les collecteurs selon l'art antérieur ont été réalisées par usinage de profilés tubulaires en cuivre non-recuit. Les collecteurs selon l'invention ont été réalisées à partir de poudre de cuivre électrolytique et de graphite naturel15 selon le procédé de fabrication de l'exemple 1, à l'exception des points suivants. La pression de compression était de 220 MPa. La température de frittage était de 700 C et le temps de frittage de 4 heures. L'orientation des paillettes de graphite était comparable à celle de l'exemple 1. Les tests de durée de vie ont été réalisées sur banc d'essai sous des conditions réelles d'utilisation. Dans tous les cas, l'intensité était de 23,0 A, la tension de 11,75 V et la vitesse de rotation de 2500 tours/min. Le fonctionnement du25 moteur était continu durant l'essai. Les essais ont été conduits avec des balais métallographi- tiques de nuance LCL C7273 comprimés selon la direction tangentielle t. Les balais avaient une section de 8 mm x 9 mm30 et une longueur usable de 10mm. Les résultats obtenus sont regroupés dans le tableau 2. La notation est la même que celle de l'exemple 1. La durée de vie correspond au temps écoulé depuis le mise en route du moteur35 et la première défaillance liée à l'usure complète de l'un des balais et/ou de l'un des collecteurs. Le cas 1 concerne les collecteurs réalisés selon l'état de l'art. Le cas 2 correspond à des collecteurs selon l'invention. Chaque cas correspond à 3 essais sur des moteurs différents.5 TABLEAU 2 Cas %Cu %C Rho R D Durée de vie 1- 100 0 1,0 >1 8,9 1490 h 2- 95 5 2,1 0,4 7,7 2760 h Ces résultats montrent que la durée de vie est nettement supérieure à 1500 heures pour les collecteurs selon15 l'invention. EXEMPLE 3: Des collecteurs cylindriques de moteur d'aspirateur 1000W à 230 V ont été réalisés selon l'art antérieur et selon l'invention. Les collecteurs selon l'art antérieur ont été réalisées par usinage de profilés tubulaires en cuivre non-recuit.25 Les collecteurs selon l'invention ont été réalisés à partir de poudre de cuivre électrolytique et de graphite naturel selon le procédé de fabrication de l'exemple 1, à l'exception des points suivants. La pression de compression était de 240 MPa.30 La température de frittage était de 900 C et le temps de frittage de 2,5 heures. L'orientation des paillettes de graphite était comparable à celle de l'exemple 1. Les tests de durée de vie ont été réalisés sur banc d'essai sous des conditions réelles d'utilisation. Dans tous les cas, l'intensité était de 5 A et la vitesse de rotation de 25000 tours/min. Le moteur était mis en fonctionnement de manière cyclique, soit 30 s d'arrêt et 30 s de fonctionnement durant tout l'essai. Les essais ont été conduits avec des balais carbo-graphitiques de nuance LCL A149 comprimés selon la direction tangentielle t. Les balais avaient une section de 6,3 mm x 11,3 mm et une longueur usable de 20 mm. Les résultats obtenus sont regroupés dans le tableau 3. La notation est la même que celle de l'exemple 1. La durée de vie correspond au temps écoulé depuis le mise en route du moteur et la première défaillance liée à l'usure complète de l'un des balais et/ou de l'un des collecteurs.15 Le cas 1 concerne les collecteurs réalisés selon l'état de l'art. Le cas 2 correspond aux collecteurs de l'invention. Chaque essai correspond à 3 essais sur des moteurs différents. TABLEAU 3 Cas %Cu %C Rho R D Durée de vie 1- 100 0 1,0 >1 8,9 1050 h 2- 95 5 2,1 0,4 7,7 2020 h On constate donc des augmentations relatives de la durée de vie dans les mêmes proportions que pour le moteur auxiliaire de l'exemple 2.30 REVENDICATIONS 1- Pièce de contact électrique rotative pour élément rotatif de machine électrique constituée d'un matériau composite cupro- graphitique fritté et caractérisée en ce que ledit matériau composite comprend entre 90 et 98 % en poids de cuivre ou d'alliage de cuivre, en ce que la densité effective dudit matériau composite est comprise entre 6,5 et 8,5, et en ce que les paillettes de graphite sont fortement orientées par rapport à l'axe de symétrie de ladite pièce de contact rotative, c'est-à-dire que l'axe principal P de plus de 50% des paillettes de graphite est incliné de moins de 45 par rapport à l'axe de symétrie de ladite pièce de contact rotative, de telle manière que l'anisotropie de la résistivité électrique et de la résistance à la flexion est très prononcée, c'est-à-dire que le rapport Rho de résistivité électrique rho Il / rho est supérieur à 1,2 et le rapport R de résistance à la flexion RI I / R1 est inférieur à 0,8, o | désigne la direction parallèle audit axe de symétrie et j la direction perpendiculaire. 2- Pièce de contact rotative selon la revendication 2, caractérisée en ce que le graphite est d'origine naturelle. 3- Pièce de contact rotative selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisée en ce que les particules des paillettes de graphite ont une dimension maximale inférieure à 200 pm et en ce qu'au moins 90% desdites particules ont une dimension maximale inférieure à 100 Pm. 4Procédé de fabrication de pièces de contact rotative selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes: - préparation d'un mélange de poudre de graphite, de poudre de cuivre ou d'alliage de cuivre, et d'au moins un lubrifiant solide, - formation d'une pièce moulée crue par compression axiale à froid du mélange dans un moule, de telles manière que l'axe de compression coincide avec l'axe de symétrie de ladite pièce, - frittage de la pièce moulée crue sous atmosphère réductrice. 5- Procédé de fabrication de pièces de contact rotatives selon la revendication 4, caractérisé en ce que les particules de ladite poudre de cuivre ou d'alliage de cuivre ont une morphologie de surface dendritique ou similaire. 6- Procédé de fabrication de pièces de contact rotatives selon l'une des revendications 4 et 5, caractérisé en ce que le cuivre est d'origine électrolytique. 7- Procédé de fabrication de pièces de contact rotatives selon l'une des revendications 4 à 7, caractérisé en ce que la dimension maximale des particules de la poudre de cuivre est voisine de celle des particules de graphite et inférieure à 200 pm, et en ce qu'au moins 90% des particules de cuivre ont une dimension maximale inférieure à 100pm. 8- Procédé de fabrication de pièces de contact rotatives selon l'une des revendications 4 à 7, caractérisé en ce que la proportion de lubrifiant solide est inférieure à % en poids. 9Procédé de fabrication de pièces de contact rotatives selon l'une des revendications 4 à 8, caractérisé en ce que le lubrifiant solide est un stéarate. - Procédé de fabrication de pièces de contact rotatives selon l'une des revendications 4 à 9, caractérisé en ce que la pression de compression est entre 150 et 350 MPa. 11- Procédé de fabrication de pièces de contact rotatives selon l'une des revendications 4 à 10, caractérisé en ce que la température de frittage est entre 500 et 1050 C. 12- Procédé de fabrication de pièces de contact rotatives selon l'une des revendications 4 à 11, caractérisé en ce que la température de frittage est entre 700 et 900 C. 13- Procédé de fabrication de pièces de contact rotatives selon l'une des revendications 4 à 12, caractérisé en ce que le temps de maintien à la température de frittage est entre 1 et 5 heures. 14- Procédé de fabrication de pièces de contact rotatives selon l'une des revendications 4 à 13, caractérisé en ce que les conducteurs électriques sont scellés dans la pièce de contact rotative lors de la phase de compression. - Machine électrique caractérisée en ce qu'elle comprend au moins une pièce de contact rotative selon l'une des revendications 1 à 3.