Brevet FR2865858A1 — publié le 20050805

BALAIS POUR MOTEURS ELECTRIQUES FONCTIONNANT A HAUTE TEMPERATURE DOMAINE TECHNIQUE L'invention concerne les balais pour moteurs électriques, plus particulièrement ceux utilisés pour faire fonctionner les équipements montés à bord des automobiles (motoventilateurs (ventilateurs autonomes fixés directement sur le radiateur) et autres ventilateurs, alternateurs, moteurs auxiliaires, etc..), pour ro lesquels un rendement élevé est recherché. ETAT DE LA TECHNIQUE De tels moteurs électriques fonctionnent sous basse tension avec un courant élevé. En raison de ce courant élevé, les balais équipant ces moteurs doivent assurer un contact électrique frottant à température élevée, typiquement supérieure à 100 C, voire supérieure à 200 C, avec une densité de courant supérieure à 15 A/cm2. Les moteurs électriques embarqués concernés par l'invention ont des conditions de fonctionnement assez différentes de celles des démarreurs. Ces derniers sont appelés à fonctionner une centaine de milliers de fois pendant quelques millisecondes sous des densités de courant supérieures à 500 A/cm2. Ils sont certes soumis à des sollicitations violentes mais travaillent très peu en temps cumulé et de ce fait s'échauffent peu pendant la courte période où ils travaillent. Au contraire, des moteurs tels que les motoventilateurs, placés sous les capots des véhicules, soumis à des températures de plus en plus élevées, travaillent continûment, c'est-àdire tant que le moteur thermique fonctionne. Ils travaillent sous des densités de courant plus faibles, typiquement inférieures à 50 A/cm2, mais ils sont soumis à un échauffement par effet Joule et doivent fonctionner à des températures élevées, supérieures à 100 C, voire supérieures à 200 C pendant la durée de 2865858 2- vie de fonctionnement d'un véhicule automobile, à savoir plusieurs milliers d'heures, typiquement plus de 2000 heures. Les conditions de fonctionnement de plus en plus sévères imposées à ces 5 balais exigent une adaptation de ces derniers non seulement pour résister aux nouvelles sollicitations mais aussi pour augmenter leur durée de vie. Les balais pour moteurs électriques d'équipements montés à bord des automobiles (motoventilateurs, alternateurs, ventilateurs...) sont en général o constitués d'un mélange de particules de cuivre et de particules de graphoïdes. Les particules de cuivre peuvent provenir d'origines diverses: cuivre électrolytique (cuivre obtenu par dépôt électrolytique sur une cathode, l'anode étant en cuivre pur, l'électrolyte étant typiquement un mélange sulfate de cuivre, acide sulfurique et additifs), cuivre atomisé (cuivre fondu dispersé sous forme de fines gouttelettes sous l'effet d'un jet violent gazeux ou liquide) ou cuivre pilonné (cuivre atomisé broyé se présentant sous la forme de fines lamelles). Les graphoïdes comportent divers graphites, en général des graphites naturels, et des liants organiques. Le mélange ainsi constitué est traité à chaud puis broyé pour obtenir les particules de graphôides. A ces bases (particules de cuivre + graphoïdes), on rajoute des abrasifs en général conducteurs, typiquement des carbures - par exemple du carbure de silicium, ou des cokes, et des lubrifiants solides, typiquement du bisulfure de molydène (MoS2). La nature et la teneur pondérale de chacun de ces constituants est ajustée en fonction de l'application visée. Le matériau résultant du mélange a en général une résistivité électrique qui ne doit pas se dégrader 2865858 -3 dans le temps afin de ne pas perdre le rendement attendu de tels moteurs électriques. Or, lorsque le moteur fonctionne à des températures élevées, par exemple dans les motoventilateurs, où la température ambiante est souvent supérieure à 100 C au cours de son fonctionnement, le balai est porté à des températures pouvant atteindre, voire dépasser 200 C, et l'on observe une forte augmentation de la résistivité du matériau et une oxydation prononcée du cuivre. Ces phénomènes probablement corrélés peuvent provoquer une usure accélérée du balai et des pertes de rendement ou de vitesse du moteur, PROBLEME POSE La demanderesse a donc cherché à développer une méthode permettant d'obtenir un matériau de balai pour moteur électrique qui présente une résistance à l'usure améliorée lorsque le moteur fonctionne à une température supérieure à 100 C, typiquement voisine de 150 C, tout en permettant audit moteur de présenter une performance sensiblement constante tout au long de sa durée de vie. La durée de fonctionnement cumulée des moteurs concernés peut aller de quelques heures (lève-vitres, essuie-glaces) à plus de 2000 heures (motoventilateurs), OBJET DE L'INVENTION Un premier objet de l'invention est une pièce de contact glissant apte à transmettre un courant électrique de densité élevée, typiquement supérieure à A/cm2 et inférieure à 50 A/cm2, comprenant des particules de cuivre, des 3o particules de graphoïdes, issues du broyage d'un mélange de particules de graphites et de liants organiques, caractérisée en ce que le pourcentage pondéral des particules de cuivre est compris entre 20% et 60% et en ce que ladite pièce de contact comporte également des particules comprenant, sous forme de métal ou de composé dudit métal, un métal appartenant au groupe constitué des éléments suivants: zinc, manganèse et étain. La pièce est une pièce de contact glissant apte à transmettre un courant électrique, c'est-à-dire un élément frottant conducteur de courant, tel qu'un balai pour moteur électrique. La densité de courant transmise à travers le contact peut être supérieure à 15 A/cm2. L' application envisagée correspond o à la transmission d'un courant dont l'intensité, typiquement inférieure à 50 A/cm2, est inférieure à celle qui est nécessaire pour faire fonctionner un démarreur mais dont la valeur augmente sans cesse pour satisfaire aux exigences croissantes de puissance. Ce courant doit en effet alimenter un moteur électrique dont la puissance, typiquement inférieure au kilowatt, doit être de plus en plus grande. II doit l'alimenter sans interruption, ce qui se traduit par une température de fonctionnement de plus en plus élevée. Typiquement, les conditions utilisées pour tester l'endurance des matériaux constitutifs de balais pour moteurs électriques sont les suivantes: le balai doit transmettre pendant 2000 heures une densité de courant de 25 A/cm2, la température ambiante dans le moteur étant voisine de 150 C. Selon l'invention, on choisit de préférence une teneur pondérale en cuivre assez élevée, typiquement de l'ordre de 30%, comprise entre 20% et 60%, de préférence entre 20% et 30%. Le matériau résultant du mélange a en général une résistivité électrique faible (résistivité AG ou "against grain", c'est-à-dire dans la direction perpendiculaire à la plus grande dimension des grains), toutefois supérieure à 200 p cm (2 10-6 Qm) mais devant rester typiquement inférieure à 10 000 pS2cm (10-4 S2m), de préférence inférieure à 5 000 pS2cm (5 10-5 S2m), après 2000 h d'utilisation à 150 C. 2865858 -5- Les particules de cuivre peuvent être obtenues par mélange de particules d'origines diverses (cuivre électrolytique, cuivre atomisé, cuivre pilonné) et qui présentent une densité apparente typiquement comprise entre 0,3 g/cm3 et 4 g/cm3. De préférence, on emploie du cuivre électrolytique, de densité apparente comprise entre 0,6 et 0,9 g/cm3 ou un mélange de particules de cuivre électrolytique (65% à 100% en poids) et de cuivre pilonné (densité apparente comprise entre 0,9 et 1,2 g/cm3) (0% à 35% en poids). Les graphoïdes comportent de préférence des graphites naturels, et des liants w organiques, de préférence de type phénolique ou à base de polyamides ou encore de polyéthylène téréphtalate. Le lubrifiant solide, typiquement du bisulfure de molybdène peut être inclus dans la composition du graphoïde. On ajoute au mélange cuivre + graphoïde un abrasif conducteur, de préférence un mélange de coke et de carbure de silicium et un métal additionnel appartenant au groupe constitué des métaux et alliages à base de zinc, de manganèse ou d'étain. Ledit métal additionnel est ajouté dans le matériau sous forme de particules métalliques ou sous la forme d'un composé dudit métal, de préférence instable à la température de cuisson du mélange. Ainsi on choisira de préférence pour le zinc un oxyde, un carbonate ou un sulfate. La teneur pondérale en ce dit métal additionnel est avantageusement comprise entre 0,1 % et 20%, de préférence entre 0,5 et 10%. La demanderesse a en effet constaté que, de par sa présence, ledit métal additionnel permettait, par limitation de l'oxydation du cuivre, de ralentir la dégradation du balai. Un autre objet de l'invention est procédé de fabrication d'un moteur électrique à basse tension, typiquement destiné à fonctionner sous une tension inférieure ou égale à 60 volts pendant au moins 2000 heures avec une température ambiante voisine de 150 C, caractérisé en ce qu'on utilise un balai apte à 2865858 6- transmettre un courant électrique de densité élevée, typiquement supérieure à 15 A/cm2, ledit balai comprenant des particules de cuivre et des particules de graphoïdes, issues du broyage d'un mélange de particules de graphites et de liants organiques, le pourcentage pondéral des particules de cuivre étant compris entre 20% et 60% et ladite pièce de contact comportant également des particules comprenant, sous forme de métal ou de composé dudit métal, un métal appartenant au groupe constitué des éléments suivants: zinc, manganèse et étain. Un autre objet de l'invention est un procédé de fabrication d'une pièce de contact glissant apte à transmettre un courant électrique de densité élevée, typiquement supérieure à 15 A/cm2 et inférieure à 50 A/cm2, comprenant des particules de cuivre et des parficules de graphôide, issues du broyage d'un mélange de particules de graphites et de liants organiques, caractérisé en ce qu'on ajoute avant cuisson de l'ensemble, des particules comprenant, sous forme de métal ou de composé dudit métal, un métal appartenant au groupe constitué des éléments suivants: zinc, manganèse et étain, le mélange avant cuisson étant effectué de telle sorte que le pourcentage pondéral des particules de cuivre est compris entre 20% et 60%, en ce que le pourcentage pondéral des particules de graphôide est compris entre 45 et 75 %, et le pourcentage pondéral du métal additionnel ou de son composé est compris entre 0,5% et 20 %. Le graphôide résulte lui-même du mélange de graphite, de préférence naturel, de liant organique, de préférence phénolique, typiquement une résine bakélite, et de lubrifiant solide, typiquement du bisulfure de molybdène, l'ensemble ayant été mélangé de préférence par malaxage en milieu humide, le solvant étant ensuite évaporé et la poudre broyée et tamisée pour obtenir une granulométrie correspondant à un passant inférieur à 630 pm, de préférence compris entre 90 et 355 pm. 2865858 7 On peut également ajouter au mélange avant cuisson un abrasif conducteur tel qu'un mélange de carbure de silicium et de coke, en proportion pondérale comprise typiquement entre 0,05% et 1 %. Le mélange ainsi obtenu est porté à une température de cuisson comprise entre 250 C et 700 C, typiquement voisine de 400 C, pendant une durée comprise entre 0,5 et 10 heures, typiquement voisine de 4 heures, sous une atmosphère gazeuse réductrice, comprenant entre 5% et 50% d'hydrogène et le complément en azote ou en gaz neutre, typiquement un mélange à 40% 7o d'hydrogène et à 60% d'azote. Un autre objet de l'invention est l'utilisation d'une pièce de contact glissant apte à transmettre un courant électrique de densité élevée, typiquement supérieure à 15 A/cm2 et inférieure à 50 A/cm2, comprenant des particules de cuivre, des particules de graphoïdes, le pourcentage pondéral des particules de cuivre étant compris entre 20% et 60%, ladite pièce de contact comportant également des particules comprenant, sous forme de métal ou de composé dudit métal, un métal additionnel appartenant au groupe constitué des éléments suivants: zinc, manganèse et étain, caractérisée en ce que la dite pièce est utilisée comme balai d'un moteur électrique embarqué de véhicule automobile, tel qu'un motoventilateur, un moteur de lève-vitre, un moteur d'essuie-glace ou un alternateur. Les exemples donnés ci-après présentent quelques nuances élaborées dans le 25 cadre de l'invention et illustrent l'aptitude des balais obtenus à partir de ces nuances à mieux résister à l'usure et à l'oxydation. FIGURES La figure 1 a illustre une micrographie d'un balai en un matériau hors invention qui a fonctionné à 150 C pendant 620 heures: les particules de cuivre - 8 apparaissent fortement oxydées. La figure 1 b schématise les plages observées sur la micrographie de la figure la. La figure 2a illustre une micrographie d'un balai en un matériau semblable au matériau de la figure 1 mais auquel on a rajouté des particules d'un métal additionnel selon l'invention. La figure 2b schématise les plages observées sur la micrographie de la figure 2a. Le balai a fonctionné également à 150 C pendant 620 heures: les particules de cuivre n'apparaissent pas particulièrement oxydées. La figure 3 illustre, en regroupant les résultats des mesures sur un même graphique, l'évolution au cours du temps de la résistivité électrique AG de plusieurs matériaux de balai. EXEMPLES EXEMPLE 1: Observation de l'oxydation du cuivre sur deux nuances, l'une sans zinc, l'autre avec 2% de carbonate de zinc (Figures 1 et 2) Nous avons produit une poudre (nuance X1) contenant o 34 % de cuivre en poids (mélange de cuivre électrolytique à faible densité apparente et de cuivre pilonné), o 2% de carbonate de zinc, o 2% de bisulfure de molybdène MoS2, o 0.4% d'abrasif (mélange de coke et de carbure de silicium) o et 61,6% de graphoïde. Le graphoïde constitue un pré-mélangeage. II comprend 86% de graphite naturel, 5% de MoS2 et 9% de résine bakélite. Après malaxage en milieu humide, le solvant est évaporé et la poudre broyée et tamisée afin d'avoir une granulométrie comprise entre 90 et 355pm. 2865858 9 Pour pouvoir comparer avec une nuance hors invention, nous avons élaboré la nuance X2 avec les mêmes composants que ceux cités ci- dessus, présents avec les mêmes quantités dans le mélange, à l'exception du carbonate de zinc. Cette nuance X2 correspond à la nuance habituellement proposée par la demanderesse pour des moteurs de motoventilateurs avant la présente invention. Des balais ont ensuite été réalisés dans les deux nuances Xl et X2, cuits à 400 C sous 40% de H2 et 60% de N2. Deux séries de balais (nuance Xl et nuance X2) ont alors subi un test d'endurance à 150 C, sous 25A/cm2, pendant 620h. Deux micrographies représentatives ont été prélevées sur chacun des lots. Elles sont illustrées par les figures 1 a et 2a. On peut voir des plages 10 et 10' occupées par des particules de cuivre plus ou moins oxydé et des plages 20 occupées par des particules de graphoïdes, elles-mêmes comprenant des particules de graphite et des liants. Lorsqu'il n'est pas oxydé, le cuivre se présente sous forme de plages 10' nettement plus claires que les plages 20 de graphoïdes, alors que les plages 10 de cuivre oxydé présentent peu de contraste par rapport aux plages 20 de graphoïdes. On voit donc clairement la différence entre le fort degré d'oxydation du cuivre de la nuance X2 (plages 10 - figure 1 a) et le faible degré d'oxydation du cuivre de la nuance Xl (plages 10' - figure 2a). EXEMPLE 2: Mesure de la résistivité de balais en diverses nuances maintenus en étuve sous 155 C et 25 A/cm2 (Figure 3) La nuance Y1 contient 48% de cuivre et 0% de zinc. La nuance Y2 contient 52% de cuivre et 3% de carbonate de zinc. La nuance Y3 contient 48% de cuivre et 1% de carbonate de zinc. 2865858 -10- Plusieurs échantillons relatifs à chaque nuance ont fait l'objet de mesures de résistivité au cours du temps. On remarque sur la figure 3 l'influence de l'ajout de zinc sous sa forme de carbonate sur le maintien d'une résistivité constante lors de la durée de vie du balai. La résistivité AG de la nuance Y1, qui ne contient pas de zinc, augmente très 10 rapidement dans le temps: elle dépasse 10 000 pûcm après 500 heures de fonctionnement à 155 C. Suivant les échantillons, la résistivité de la nuance Y3, qui contient 1 % de carbonate de zinc, évolue moins rapidement. Nous sommes à la limite des caractéristiques recherchées dans le cadre de l'invention car certains échantillons (Y3.1 par exemple) voient leur résistivité évoluer trop rapidement, de telle sorte qu'il n'est pas possible de garantir que la résistivité de cette nuance ne va pas dépasser 10 000 pQcm après 2000 heures à 150 C. La résistivité de la nuance Y2, qui contient 3% de carbonate de zinc, est nettement plus stable dans le temps, ce qui lui permet de ne pas dépasser 10 000 pOcm au bout de 2000 heures à 150 C. Nous avons ensuite élaboré une nuance Y4, qui contient 50 % de cuivre et 2% 25 de carbonate de zinc et nous avons fait des mesures sur des balais réalisés dans cette nuance. Les essais ont donné des résultats conformes aux attentes. REVENDICATIONS 1) Pièce de contact glissant apte à transmettre un courant électrique de densité élevée, typiquement supérieure à 15 A/cm2 et inférieure à 50 A/cm2, comprenant des particules de cuivre, des particules de graphoïdes, issues du broyage d'un mélange de particules de graphite, de préférence du graphite naturel, et de liants organiques, caractérisée en ce que le pourcentage pondéral des particules de cuivre est compris entre 20% et 60% et en ce que ladite pièce de contact comporte également des lo particules comprenant, sous forme de métal ou de composé dudit métal, un métal additionnel appartenant au groupe constitué des éléments suivants: zinc, manganèse et étain. 2) Pièce de contact glissant selon la revendication 1 dans laquelle le 15 pourcentage pondéral des particules de cuivre est compris entre 20% et 30%. 3) Pièce de contact glissant selon la revendication 1 ou 2 dans laquelle les particules de cuivre sont des particules de cuivre électrolytique ou un mélange de cuivre électrolytique (100% à 65% en poids) et de cuivre pilonné (0% à 35% en poids). 4) Pièce de contact glissant selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 dans laquelle les particules de graphoTde proviennent du mélange de graphites naturels et de liants organiques, typiquement phénoliques ou à base de polyamides ou encore de polyéthylène téréphtalate. 5) Pièce de contact glissant selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 comprenant également des particules d'abrasif conducteur, typiquement 30 un mélange de coke et de carbure de silicium. - 12- 6) Pièce de contact glissant selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 dans laquelle ledit métal additionnel est présent dans la composition avec une concentration pondérale comprise entre 0,5 et 20%, de préférence entre 1 et 10 %. 7) Pièce de contact glissant selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 dans laquelle ledit métal additionnel est le zinc, présent dans la composition sous forme de particules de métal, d'oxyde de zinc, de carbonate de zinc ou de sulfate de zinc. ro 8) Pièce de contact glissant selon la revendication 7 dans laquelle ledit zinc est présent sous forme de carbonate de zinc avec une concentration pondérale comprise entre 2 et 10 %. 9) Procédé de fabrication d'une pièce de contact glissant apte à transmettre un courant électrique de densité élevée, typiquement supérieure à 15 A/cm2 et inférieure à 50 A/cm2, comprenant des particules de cuivre et des particules de graphoïde, issues du broyage d'un mélange de particules de graphites et de liants organiques, caractérisé en ce qu'on ajoute avant cuisson de l'ensemble, des particules comprenant, sous forme de métal ou de composé dudit métal, un métal additionnel appartenant au groupe constitué des éléments suivants: zinc, manganèse et étain, le mélange avant cuisson étant effectué de telle sorte que le pourcentage pondéral des particules de cuivre est compris entre 20% et 60%, en ce que le pourcentage pondéral des particules de graphoïde est compris entre 45 % et 75 %, et le pourcentage pondéral du métal additionnel ou de son composé est compris entre 0,5% et 20 %. 10) Procédé de fabrication d'une pièce de contact glissant selon la 3o revendication 9 dans lequel l'ensemble des composants est porté après mélange à une température de cuisson comprise entre 250 C et 700 C, 2865858 -13- typiquement voisine de 400 C, pendant une durée comprise entre 0,5 et 10 heures, typiquement voisine de 4 heures, sous une atmosphère gazeuse réductrice, comprenant entre 5% et 50% d'hydrogène, le complément étant de l'azote ou un gaz neutre, typiquement un mélange comprenant 40% d'hydrogène et 60% d'azote. 11) Procédé de fabrication d'une pièce de contact glissant selon la revendication 9 ou 10, dans lequel ledit métal additionnel est ajouté dans le matériau sous forme de particules métalliques ou sous la forme d'un composé dudit métal, de préférence instable à la température de cuisson du mélange. 12) Procédé de fabrication d'une pièce de contact glissant selon l'une quelconque des revendications 9 à 11, dans lequel ledit graphoïde résulte du mélange de graphites, de préférence naturels, de liant organique, de préférence phénolique, typiquement une résine bakélite, et de lubrifiant solide, typiquement du bisulfure de molybdène, l'ensemble ayant été mélangé de préférence par malaxage en milieu humide, le solvant étant évaporé et la poudre broyée et tamisée de façon à obtenir un passant inférieur à 630 pm, de préférence compris entre 90 et 355 pm. 13) Procédé de fabrication d'une pièce de contact glissant selon l'une quelconque des revendications 9 à 12, dans lequel on ajoute au mélange avant cuisson un abrasif conducteur tel qu'un mélange de carbure de silicium et de coke, en proportion pondérale comprise typiquement entre 0, 05% et 1 %. 14) Procédé de fabrication d'un moteur électrique fonctionnant sous basse tension, typiquement destiné à fonctionner sous une tension inférieure ou égale à 60 volts pendant au moins 2000 heures avec une température ambiante voisine de 150 C, caractérisé en ce qu'on utilise un balai apte à transmettre un courant électrique de densité élevée, typiquement supérieure à 15 A/cm2 et inférieure à 50 A/cm2, ledit balai comprenant des particules de cuivre et des particules de graphoïde, issues du broyage d'un mélange de particules de graphites et de liants organiques, le s pourcentage pondéral des particules de cuivre étant compris entre 20% et 60% et ladite pièce de contact comportant également des particules comprenant, sous forme de métal ou de composé dudit métal, un métal appartenant au groupe constitué des éléments suivants: zinc, manganèse et étain. 15) Pièce de contact glissant selon l'une quelconque des revendications 1 à 8 caractérisée en ce qu'elle est un balai de moteur électrique fonctionnant sous basse tension, typiquement destiné à fonctionner sous une tension inférieure ou égale à 42 volts pendant au moins 2000 heures avec une 1s température ambiante voisine de 150 C, sa résistivité électrique AG restant comprise entre 200 gS2cm et 10000 pS2cm (entre 2 10-6 S2m et 10-4 S2m) pendant 2000 heures à une température de 150 C. 16) Utilisation d'une pièce de contact glissant apte à transmettre un courant électrique de densité élevée, typiquement supérieure à 15 A/cm2 et inférieure à 50 A/cm2, comprenant des particules de cuivre, des particules de graphoïdes, le pourcentage pondéral des particules de cuivre étant compris entre 20% et 60%, ladite pièce de contact comportant également des particules comprenant, sous forme de métal ou de composé dudit métal, un métal additionnel appartenant au groupe constitué des éléments suivants: zinc, manganèse et étain, caractérisée en ce que la dite pièce est utilisée comme balai d'un moteur électrique embarqué de véhicule automobile, tel qu'un motoventilateur, un moteur de lève-vitre, un moteur d'essuie-glace ou un alternateur.