Brevet FR2868614A1 — publié le 20051007

L'invention concerne un balai pour une machine électrique ainsi qu'une machine électrique comportant de tels balais. Les machines électriques telles des alternateurs ou des alternateurdémarreurs équipant des moteurs thermiques, notamment des moteurs thermiques des véhicules automobiles, ont besoin d'une variation de flux magnétique pour créer une force électromotrice dans le bobinage du stator de ces machines. Cette variation de flux est assurée d'une part par la mise en rotation du rotor de la machine électrique pour obtenir une alternance des pôles magnétiques nord et sud et d'autre part par le champ magnétique créé par l'alimentation en courant continu d'un bobinage placé sur le rotor. Le courant continu est amené par deux balais montés chacun dans un porte-balai ou dans un ensemble porte-balais monté, en tant qu'élément statique, sur un stator d'une machine électrique. Lors du fonctionnement de la machine électrique, il y a un déplacement relatif entre les balais et les surfaces périphériques des bagues de contact, sur lesquelles les balais prennent appui et qui sont montées, en tant qu'éléments rotatifs, sur un rotor de la machine électrique. Après avoir constaté que le courant de sortie des alternateurs variait parfois pour des raisons non évidentes au premier abord, il a été mis en évidence que les variations du courant de sortie étaient associées à des variations du courant d'excitation, sans que la tension d'excitation ne variait. Finalement, il a été trouvé que les variations du courant d'excitation étaient dues au fait que le contact entre les balais et les bagues de contact n'était par correctement assurée. Le but de l'invention est alors de proposer une solution qui permettrait de faire disparaître ces instabilités du courant d'excitation. Le but de l'invention est atteint avec un balai pour former un contact électrique entre un élément statique et un élément rotatif dans une machine électrique, où le balai a un corps réalisé en un matériau électriquement conducteur avec une face de contact, ce balai étant destiné à être maintenu en appui glissant sur une bague de contact, le balai et la bague de contact étant destinés à être compris l'un dans l'élément statique et l'autre dans l'élément rotatif de la machine électrique. Conformément à l'invention, la face de contact du balai, avant sa première utilisation, est conformée de façon qu'une partie seulement de celle-ci prenne appui sur la bague de contact. Cette conception de l'invention est fondée sur les observations et réflexions suivantes. Des machines électriques neuves sortant de la fabrication sont rodées durant une phase de test, qui consiste essentiellement en une première phase de rodage de l'ordre de 50 heures à un nombre de tours réduits, par exemple 5000 tours par minute, et de 2 paliers de l'ordre de 24 heures chacun à une vitesse élevée par exemple de l'ordre de 18000 tours par minute. A la fin de ces essais, une patine s'est formée sur la piste de contact des bagues de contact. Les balais étant en graphite et les bagues en cuivre, la patine est la résultante du frottement d'un balai sur une bague de contact, sous l'influence de la circulation de courant. Si les pistes de contact sont couverts très tôt d'une patine satisfaisante, la stabilité du passage du courant d'excitation des balais aux bagues de contact est assurée. La patine se forme sur la piste de contact des bagues de contact sous l'influence du courant, notamment en fonction de la densité de courant; mais la densité du courant d'excitation en fonctionnement normal de la machine électrique est apparemment insuffisante pour garantir la formation d'une couche satisfaisante de patine. Il fallait donc trouver un moyen simple qui 2868614 3 permettait d'augmenter provisoirement la densité du courant d'excitation. Cette augmentation temporaire ou provisoire de la densité du courant d'excitation est alors obtenue, sans augmentation du courant d'excitation, par une réduction temporaire de l'aire de contact de la face de contact du balai. Cette réduction temporaire de l'aire effective de la face de contact du balai, c'est-à-dire cette réduction provisoire de la surface de contact effectivement disponible pour le transfert du courant d'excitation du balai vers la bague, pendant les premières heures de fonctionnement de la machine électrique, est obtenue en donnant au balai, plus précisément à la face de contact de celui-ci, une forme grâce à laquelle une partie seulement de la face de contact prend appui sur la bague de contact. La face de contact ainsi conformée va être usée au bout de quelques heures de fonctionnement, en général après environ 50 heures de fonctionnement, et elle aura donc rempli son rôle d'augmenter temporairement la densité du courant traversant le contact balai/bague, par une diminution temporaire de la section de passage du courant dans le balai. Cette diminution temporaire de la section de passage du courant peut être obtenue principalement, mais non exclusivement, de trois manières différentes. Selon la première, on forme une face de contact comprenant des stries, selon la deuxième, on forme une face de contact comprenant des excroissances ponctuelles et selon la troisième, on forme une face de contact comprenant une crête. Les stries et les excroissances ponctuelles peuvent être disposées régulièrement ou irrégulièrement, et les stries et la crête peuvent avoir tout types d'orientation. Ainsi, notamment les stries d'un même balai peuvent être orientées parallèlement entre elles ou à des angles variés. 2868614 4 Grâce à cette disposition de l'invention, la patine se forme plus rapidement qu'auparavant, de manière plus homogène et avec une épaisseur satisfaisante. La patine se forme plus particulièrement pendant les toutes premières heures, lorsque l'aire de contact effective est encore la plus réduite. La silice contenue dans le liant des balais, qui se libère sous l'effet du frottement du balai sur la surface de la bague, est susceptible d'aider à la formation de la patine. Au fur et à mesure que les stries, la crête ou les excroissances ponctuelles s'usent, l'aire de contact effective augmente, compte tenu de la forme trapézoïdale ou pyramidale respectivement des stries, de la crête ou des excroissances, pour atteindre à la fin la surface complète de la face de contact du balai. Par la suite, la patine est entretenue par le courant de fonctionnement passant par le contact s'établissant entre la face de contact entière du balai et la face de contact de la bague par rapport à laquelle le balai se déplace. Pour réduire provisoirement la partie de la face de contact destinée à être en appui sur la bague de contact correspondante pendant les premières heures d'utilisation de la machine électrique, la face de contact comprend, selon un premier mode de réalisation de l'invention, des stries formant des lignes de contact orientées dans un sens prédéterminé par rapport à la direction de déplacement relatif du balai sur la bague. Ces stries peuvent être orientées parallèlement par rapport à la direction de déplacement du balai sur la bague, transversalement par rapport à la direction de déplacement du balai sur la bague ou en oblique par rapport à la direction de déplacement du balai sur la bague. Selon un deuxième mode de réalisation de l'invention, la face de contact comprend, à la place des stries, des excroissances ponctuelles formant des points 2868614 5 de contact. Ces excroissances peuvent avoir, par exemple, une forme correspondant approximativement à un tronc de pyramide. Ces excroissances peuvent être réparties régulièrement sur la face de contact du balai, selon différents motifs géométriques. Mais la face de contact peut également comprendre des excroissances irrégulièrement réparties, qu'elles aient des formes régulières ou irrégulières, qui confèrent à la face de contact une rugosité de l'ordre de 0,8 à 2,6. Selon un troisième mode de réalisation, la face de contact comprend, à la place des stries et des excroissances, une crête unique orientée suivant la direction de déplacement du balai sur une bague de contact ou transversalement ou en oblique par rapport à cette direction de déplacement. D'autres avantages et caractéristiques de la présente invention ressortiront de la description ci-après d'un mode de réalisation de l'invention. Cette description est faite en référence aux dessins dans lesquels: - la figure 1 rappelle la configuration d'un contact entre un balai et une bague de contact dans une machine électrique, - la figure 2 montre schématiquement les 25 proportions dimensionnelles de la face de contact d'un balai selon l'invention, - les figures 3 à 6 montrent différentes formes et orientations de stries sur la face de contact d'un balai selon un premier mode de réalisation de l'invention, - les figures 7 et 8 montrent schématiquement la disposition d'excroissances ayant approximativement la forme de troncs de pyramides formées sur un balai selon un deuxième mode de réalisation de l'invention, et - la figure 9 montre schématiquement la disposition d'une crête unique sur un balai selon un troisième mode de réalisation de l'invention. 2868614 6 Dans une machine électrique, par exemple un alternateur, avec un rotor monté tournant dans un stator, deux porte-balais 1 montés sur le stator, sont disposés de manière qu'un balai 2 logé coulissant dans chacun des porte-balai 1 soit maintenu en appui glissant sur une bague de contact 4 correspondante de deux bagues 4 montées sur le rotor de la machine électrique. Chaque balai 2 est maintenu en appui glissant sur la bague de contact correspondante 4 moyennant un ressort 3 prenant appui sur une paroi de fond du porte-balai. Le balai 2 comprend un corps 21 réalisé en un matériau électriquement conducteur, généralement en graphite et contenant éventuellement du cuivre, et présente deux faces d'extrémités opposées, l'une étant reliée au ressort 3 et l'autre, référencée 22, 23, étant destinée à venir en contact avec une surface de contact de la bague de contact 4. La face de contact 22, 23 porte cette double référence pour la raison suivante. Avant la première utilisation du balai 2, la face de contact du balai 2 n'est pas lisse, puisqu'elle est conformée lors de sa fabrication de façon qu'une partie seulement de celle-ci puisse prendre appui sur la bague de contact 4. Cette partie est référencée 22. L'autre partie de la face de contact du balai 2 reste en retrait et servira à la liaison balai/bague de contact seulement plus tard. Cette dernière partie est référencée 23. Avant la première utilisation du balai 2, la somme des deux faces de contact partielles 22 et 23 est inférieure à l'aire de la section transversale du corps 21 du balai 2. La différence entre ces deux valeurs s'explique, à l'aide de la figure 2, par le fait que les deux faces de contact partielles 22, 23 sont constituées par des segments entrelacés appartenant alternativement à l'une ou à l'autre de ces deux faces partielles et que les changements de niveau entre deux segments successifs 2868614 7 se font suivant des pentes résultant des besoins de la fabrication du balai. En effet, selon un premier mode de réalisation du balai 2 et ses variantes représentées sur les figures 3 à 6, la face de contact partielle 22 est constituée par des crêtes de stries 24. Selon un deuxième mode de réalisation et ses variantes représentées sur les figures 7 et 8, la face de contact partielle 22 est formée par les sommets d'excroissances ponctuelles 25 formant des points de contact. Et selon un troisième mode de réalisation du balai, la face de contact partielle 22 est constituée par le sommet d'une crête unique F. Les stries 24 du premier mode de réalisation et de ses variantes représentées sur les figures 3 à 6, peuvent être soit des stries usinées (figures 3 et 5) ou des stries obtenues par compression au moment de la fabrication du balai (figure 4). Les stries peuvent être orientées soit transversalement par rapport à la direction d'avancement du balai sur la bague de contact 4 (figures 3 et 4) ou parallèlement à la direction de déplacement du balai (figure 5) ou encore en oblique (figure 6). En ce qui concerne l'orientation oblique, toutes les inclinaisons sont possibles, à savoir inclinaison droite vers la gauche ou inclinaison gauche vers la droite, et cela selon différents angles par rapport à la direction de déplacement du balai. Quant aux dispositions inclinées représentées sur la figure 6, il convient de préciser que les stries peuvent être parallèles entre elles tout comme elles peuvent être orientées, chacune, selon un autre angle par rapport à la direction de déplacement du balai 2 sur la bague de contact 4. La hauteur A des stries 24 ou des excroissances 25 est comprise avantageusement entre 0,05 mm et 0,15 mm, la largeur B des stries 24 ou la côte B d'un point de contact carré 25 des excroissances ponctuelles est comprise entre 0 et 0,18 mm, la largeur de fond D entre deux stries 24 ou excroissances 25 avoisinantes est comprise entre 0 et 0,20 mm, et l'angle E de la pente des stries 24 ou des excroissances 25 par rapport à la perpendiculaire sur la face de contact 22, 23 est compris entre 10 et 75 , de préférence entre 20 et 60 . La distance C entre deux lignes représentant des lignes de symétrie de deux stries avoisinantes ou la distance entre deux excroissances ponctuelles 25 dépend des largeurs de crête et de fond respectivement B et D ainsi que de l'angle E de la pente. La section cumulée des stries ou des excroissances ponctuelles représente avantageusement entre environ 5% et 30% de l'aire de la section du balai ou de sa face de contact après rodage du balai. Selon une variante du deuxième mode de réalisation, non représentée sur les dessins, la face de contact 22, 23 peut comprendre des aspérités irrégulièrement réparties et de formes variées, conférant à la face de contact partielle 22 du balai 2 une rugosité initiale assez importante, par exemple de l'ordre de 10 à 20. Selon le troisième mode de réalisation d'un balai selon l'invention, représenté en une vue latérale sur la figure 9, la face de contact partielle 22 est constituée par le sommet de la crête unique F. Pour obtenir cette crête F, l'extrémité 22, 23 du balai 2 est pourvue de deux biseaux opposés ayant respectivement une pente d'angle G et une pente d'angle H par rapport à la face de contact partielle 22. Les deux biseaux peuvent s'étendre jusqu'aux bords latéraux du balai, comme représenté sur la figure 9. Mais une des deux pentes, ou les deux pentes, peut également s'arrêter avant le bord correspondant, de manière à donner à cette extrémité du balai une forme correspondant à celle des deux crêtes représentées sur la figure 2. La largeur initiale de la face de contact partielle 22 est comprise entre 0 et 0,20 mm. 2868614 9 La position de la crête F par rapport à la largeur du balai, exprimée par les distances I et J respectives des deux bords opposés du balai, peut être choisie librement entre les deux positions extrêmes qui sont celle caractérisée par l'absence d'une pente d'angle G et celle caractérisée par l'absence d'une pente d'angle H. La crête unique F peut donc être située, selon la représentation de la figure 9, sur le bord gauche, sur le bord droite ou entre les deux bords du balai. 2868614 10 REVENDICATIONS 1. Balai pour former un contact électrique entre un élément statique et un élément rotatif dans une machine électrique, le balai (2) ayant un corps (21) réalisé en un matériau électriquement conducteur avec une face de contact (22, 23) et destiné à être maintenu en appui glissant sur une bague de contact (4), le balai (2) et la bague de contact (4) étant destinés à être compris l'un dans l'élément statique et l'autre dans l'élément rotatif, caractérisé en ce que la face de contact (22, 23), avant la première utilisation du balai (2), est conformée de façon qu'une partie (22) seulement de celle-ci prenne appui sur la bague de contact (4). 2. Balai selon la revendication 1, caractérisé en ce que la face de contact (22, 23) comprend des stries (24) orientés dans un sens prédéterminé par rapport à la direction de déplacement du balai (2) sur la bague (4). 3. Balai selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la face de contact (22, 23) comprend des stries (24) orientés parallèlement par rapport à la direction de déplacement du balai (2) sur la bague (4). 4. Balai selon la revendication 1 ou 2, caractérisé 25 en ce que la face de contact (22, 23) comprend des stries (24) orientés transversalement par rapport à la direction de déplacement du balai (2) sur la bague (4). 5. Balai selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la face de contact (22, 23) comprend des stries (24) orientés en oblique par rapport à la direction de déplacement du balai (2) sur la bague (4). 6. Balai selon la revendication 1, caractérisé en ce que la face de contact (22, 23) comprend des excroissances ponctuelles (25) formant des points de contacts. 7. Balai selon la revendication 6, caractérisé en ce que les points de contacts (25) sont formés par des excroissances ayant approximativement la forme de troncs de pyramides. 8. Balai selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la partie (22) de la face de contact (22, 23) susceptible de prendre appui sur la bague de contact (4) lors de la première utilisation du balai (2) est comprise entre environ 5% et 30% de la face de contact après rodage du balai (2). 9. Balai selon la revendication 1, caractérisé en ce que la face de contact (22, 23) comprend des excroissances (25) irrégulièrement reparties, les excroissances (25) conférant à la face de contact (22, 23) une rugosité de l'ordre de 0,8 à 2,6. 10. Balai selon la revendication 1, caractérisé en 15 ce que la face de contact (22, 23) comprend une crête unique (F). 11. Machine électrique, caractérisée en ce qu'elle comprend un balai selon l'une quelconque des revendications 1 à 10.