Brevet FR2743203A1 — publié le 19970704

Etat de la technique. L'invention concerne un balai de charbon pour mo- teurs électriques notamment pour des moteurs à courant continu, composé principalement de graphite naturel avec une teneur en5 cendres inférieure à 0,5 % en poids et d'autres composants d'agents de graissage et de nettoyage et des fibres de carbone fabriquées à base de polyacrylnitrile ou de poix. Dans les moteurs électriques à commutation, notam- ment des moteurs à courant continu, les opérations électrochi- miques électriques et mécaniques provoquent l'usure des balais de charbon et du commutateur et peuvent entraîner la dé- faillance du moteur à courant continu à commutation électrique. En particulier, dans le cas de machines fonctionnant à l'humidité, des effets électrochimiques accentués peuvent pro-15 voquer une augmentation des phénomènes d'usure au niveau des balais de charbon et du commutateur. Or, les exigences de plus en plus élevées concer- nant la durée de vie et la puissance des moteurs électriques et le fait que les balais de charbon et le commutateur constituent20 les éléments les plus fragiles, nécessitent le développement de balais de charbon satisfaisants aux exigences et résistant aux contraintes. Selon le document JP-218178/88, on connaît un balai de charbon pour des moteurs électriques qui est formé de gra- phite naturel ayant une teneur en cendres inférieure à 0,5 % en poids et une teneur de 0,3 % en poids de fibres de carbone, pour augmenter la résistance à l'usure par abrasion entre les balais de charbon et le commutateur. Le très grand degré de pureté du graphite naturel et l'utilisation de fibres de carbone obtenues par exemple à partir de fibres telles que du polyacrylnitrile ou du goudron, permettent de réduire la résistance par frottement. Pour fabriquer des balais de charbon, on utilise du graphite naturel ayant une teneur en cendres inférieure à 0,5 %, et qui est traité avec une matière composée formée de résines synthétiques comme par exemple une résine phénolique et des fibres de carbone ou encore une poudre métallique telle qu'une poudre de cuivre, du dioxyde de molybdène ou du nitrure de bore. Ce mélange est pressé dans un moule, est cuit à la forme des balais de charbon. L'utilisation de graphite naturel de très grande pureté, avec une teneur en cendres inférieure à 0,5 % permet d'améliorer la résistance à l'abrasion entre les balais de charbon et les commutateurs par rapport à des mélanges moins purs; toutefois, de tels balais de charbon ne satisfont pas aux exigences élevées et aux conditions de sécurité de qualité imposées aux moteurs électriques. Avantages de l'invention. La présente invention concerne un balai de charbon pour moteurs électriques correspondant au type défini ci- dessus, caractérisé en ce que les fibres de carbone présentent un revêtement métallique. Le balai de charbon selon l'invention, qui comporte des fibres de carbone à module d'élasticité élevé, offre une bonne conductivité électrique et une résistance à l'usure très améliorée par rapport à celle du graphite. En même temps, les fibres de carbone à revêtement métallique protègent le commuta- teur contre les attaques électrochimiques, mécaniques et élec- triques si bien que cette réduction de l'usure au niveau du commutateur protège également les balais de charbon contre l'usure. Cela diminue de manière significative l'usure des ba- lais de charbon et du commutateur. De plus, le balai de charbon avec des fibres de carbone revêtues, offre l'avantage que la puissance du moteur à courant continu est supérieure à celle de moteurs ayant des ba- lais de charbon sans fibres revêtues. Pendant le fonctionnement du moteur à courant con- tinu, il peut arriver du fait d'une butée plate d'un commuta- teur plan ou d'une butée circulaire pour un commutateur à tambour ou analogue, que les balais de charbon se soulèvent par rapport à la surface du commutateur et engendrent des arcs électriques entre les balais et la surface du commutateur. De plus au niveau de l'arête en aval on aura des arcs électriques de commutation. La résistance à l'usure des fibres de carbone intégrées dans une matrice de graphite améliore le comportement à l'usure des balais de charbon et du commutateur car les fi- bres de carbone agissent de façon à amortir la formation des arcs électriques. Selon un développement avantageux de l'invention, le revêtement métallique a une épaisseur de couche inférieure à 10 ym. Les fibres de carbone ont un diamètre en moyenne arith- métique de 14 gm 20 %. Pour bénéficier de l'influence avanta- geuse des fibres de carbone, il est prévu un revêtement qui est au moins inférieur au diamètre des fibres de carbone; de façon avantageuse, pour des fibres de carbone d'un diamètre par exem- ple de 14 m, on peut avoir un revêtement d'au moins 10 um pour la couche métallique. Selon un autre développement avantageux de l'invention, le revêtement métallique est formé à partir d'un métal de conductivité plus élevée que celle des fibres de car- bone. En outre, on peut prévoir avantageusement comme métal de revêtement, un métal moins rigide que les fibres de carbone re- vêtues. Pour les caractéristiques, on utilise des métaux de re- vêtement de fibres de carbone, ayant une conductivité électrique plus élevée et une rigidité moindre que celles des fibres revêtues. Un tel revêtement réduit la résistance élec- trique globale des balais de charbon et fait que l'échauffement des balais par le courant en cours de fonctionnement du moteur à combustion interne, reste à un niveau plus faible que celui des balais de charbon sans revêtement des fibres, ce qui réduit l'usure thermique. En outre, le courant peut passer par le re- vêtement. Cela limite la résistance interne et permet finale- ment de transmettre une puissance plus élevée par cet ensemble. Selon un autre développement avantageux de l'invention, les balais de charbon sont fabriqués séparément par une opération de compression et les fibres de carbone sont disposées axialement, radialement ou tangentiellement dans la direction de compression par rapport à l'arbre ou à l'axe d'un moteur électrique. L'opération de compression aligne les balais de charbon, c'est-à-dire qu'ils se trouvent dans un plan commun aligné de manière correspondante suivant la direction de com- pression. Dans le plan qui découle de la direction de com- pression, les fibres de carbone peuvent être distribuées et alignées de manière quelconque. On crée ainsi des surfaces de contact plus grandes entre les balais de charbon et le commuta- teur ce qui augmente la puissance électrique ou réciproquement permet de réduire la résistance électrique des balais de char- bon se traduisant par une augmentation de puissance du moteur à courant continu. De plus, l'alignement des fibres de carbone dans un plan tangent à l'axe du moteur électrique offre l'avantage qu'en ajoutant au mélange des composants supplémentaires et des liants, on arrive à une distribution homogène des fibres de carbone dans la matrice de graphite créant une surface de con- tact appropriée par rapport au commutateur donnant une grandeur électrique constante entre les balais de carbone et le commuta- teur. Selon un autre développement avantageux de l'invention, les fibres de carbone sont revêtues selon un pro- cédé par implantation. On peut utiliser cependant un procédé électrochimique de préférence un procédé par des courants de Foucault. Par un tel procédé par des courants de Foucault, on dépose la poussière métallique sur les fibres de carbone et on fait fondre pour revêtir ainsi les fibres d'une mince couche métallique. Selon un autre développement avantageux de l'invention, les métaux servant au revêtement sont par exemple le cuivre, l'argent, le molybdène, le chrome, le nickel, le tungstène, l'or, le zirconium ou des métaux analogues. Dessins. La présente invention sera décrite ci-après à l'aide d'un exemple de réalisation représenté schématiquement aux dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 est une coupe partielle schématique d'un moteur à courant continu à commutation électrique, - la figure 2 montre une variante de réalisation de la figure 1. Description de l'exemple de réalisation. Selon la figure 1, un axe 11 d'un moteur à courant continu non représenté, porte un commutateur 12. Deux balais de charbon 13 sont représentés par exemple disposés radialement par rapport au commutateur 12 avec lequel ils sont en contact. Le balai de charbon 13 est en graphite naturel d'un degré de pureté de 99,5 % en poids; 0,5 % en poids d'impuretés correspond à des cendres. D'autres composants tels que des agents lubrifiants solides comme par exemple du sulfure de mo- lybdène et de nitrure de bore y sont mélangés. De plus, on peut utiliser un agent de nettoyage comme par exemple SiC ou SiO2. En outre, il peut y avoir des liants tels que des résines phé- noliques ou des moyens analogues pour lier le mélange comprimé dans une matrice et former un balai 13 avant l'opération de carbonisation. Le balai de charbon 13 contient comme autre compo- sant, une fibre de carbone 14 graphitée à haute température sous du gaz inerte, et qui se fabrique à base de poix ou de po- lyacrylnitrile. Au cours d'une opération d'implantation consé- cutive, on revêt avec du métal les fibres de carbone 14 qui ont de préférence un diamètre de 14 Mm et une longueur avantageuse- ment inférieure à 3,5 mm. La durée de l'opération est réglée pour déposer une couche d'une épaisseur inférieure à 10 im sur les fibres de carbone 14. On utilise de préférence un procédé par courants de Foucault pour le revêtement métallique des fi- bres de carbone 14. Les fibres de carbone 14 intégrées au balai 13 sont alignées pendant l'opération de compression. On prévoit une direction de compression orientée axialement, radialement, tangentiellement par rapport à l'axe ou arbre 11 d'un moteur à courant continu pour que les fibres de carbone 14 se situent dans un plan commun pour s'aligner dans un plan suivant la di- rection de compression. L'alignement des fibres de carbone 14 permet de créer une surface de contact déterminée pour le com- mutateur donnant une grandeur électrique constante. Une telle fibre de carbone ainsi revêtue présente l'avantage que le balai 13 est plus résistant, même contre les effets d'arc électrique, le développement des étincelles, les milieux chimiques et notamment des liquides libérés pendant le fonctionnement du moteur tels que de l'essence ou des produits analogues ou encore des attaques électrochimiques; le revête- ment permet également le passage d'une puissance plus élevée. Le revêtement de fibres de carbone, graphitées à haute température, diminue la chute de tension entre le balai et le commutateur par rapport à un balai sans fibres revêtues. Un autre avantage est que la chute de tension reste constante en fonction du temps pour le système de commutation. La figure 2 montre une variante de réalisation par rapport à la figure 1 d'un moteur à courant continu. L'axe 11 porte un commutateur plan 12 en forme de plateau et le balai de charbon 13 parallèle à l'axe coopère avec ce plateau. Pour le reste, les mêmes explications que celles données ci-dessus s'appliquent. R E V E N D I C A T IONS 1 ) Balai de charbon pour moteurs électriques notamment pour des moteurs à courant continu, composé principalement de gra- phite naturel avec une teneur en cendres inférieure à 0,5 % en poids et d'autres composants d'agents de graissage et de net- toyage et des fibres de carbone (14) fabriquées à base de poly- acrylnitrile ou de poix, caractérisé en ce que les fibres de carbone (14) présentent un revêtement métallique. 2 ) Balai selon la revendication 1, caractérisé en ce que les fibres de carbone (14) ont un revêtement métallique d'une épaisseur inférieure à 10 Mm. 3 ) Balai selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le revêtement métallique est un métal plus conducteur que les fibres de carbone (14) qu'il revêt. 4 ) Balai selon l'une quelconque des revendications précéden- tes, caractérisé en ce que le revêtement métallique est réalisé avec un métal moins rigide que les fibres de carbone (14) qu'il revêt. ) Balai selon l'une quelconque des revendications précéden- tes, caractérisé en ce que le balai de carbone (13) est fabriqué par compression et les fibres de carbone (14) sont alignées dans la direction de com- pression, axialement, radialement ou tangentiellement par rap- port à l'axe (11) du moteur électrique. 6 ) Balai selon l'une quelconque des revendications précéden- tes, caractérisé en ce que le revêtement métallique des fibres de carbone (14) est réalisé par un procédé par implantation. 7 ) Balai selon la revendication 6, caractérisé en ce que le procédé par implantation est un procédé utilisant des cou- rants de Foucault. 8 ) Balai selon la revendication 1, caractérisé en ce que le métal réalisé pour le revêtement est choisi dans le groupe formé par le cuivre, l'argent, le molybdène, le chrome, le nickel, le tungstène, l'or et le zirconium.