Brevet FR2914791A1 — publié le 20081010

Témoin d'usure de balai d'une machine électrique L'invention concerne une machine électrique à rotor bobiné. Ce type de rotor nécessite la mise en oeuvre d'un collecteur appartenant au rotor et de balais appartenant au stator de la machine électrique. Ce type de machine peut être utilisé en génératrice ou en moteur. Le stator peut être configuré de différentes façons comme par exemple un stator à aimant permanent ou bobiné. Les machines électriques à collecteur et balais présentent de nombreux inconvénients connus comme par exemple la création d'étincelles entre les balais et le collecteur ainsi que le frottement du balai sur le collecteur. Le frottement est nécessaire pour assurer un bon contact électrique entre les balais et le collecteur mais entraîne tout comme les étincelles l'usure des balais. Les balais sont généralement poussés vers le collecteur par exemple par des ressorts, d'une part pour assurer une pression suffisante du balai sur le collecteur et d'autre part pour rattraper l'usure des balais. L'usure des balais impose un remplacement périodique des balais. Actuellement le repérage de l'usure se fait par démontage de la machine et par observation des balais pour en mesurer le degré d'usure. Le démontage est coûteux en temps d'intervention et génère des risques de dégradation de la fiabilité de la machine électrique. Dans le domaine des machines électriques embarquées, par exemple à bord d'aéronefs, la vérification de l'usure des balais ne peut se faire que lorsque le porteur de la machine électrique est à l'arrêt et il est important de prévoir une marge de sécurité permettant le fonctionnement de la machine électrique entre le moment ou l'atteinte d'une cote d'usure est détectée et le moment où le remplacement du ou des balais usés est possible. La détection peut par exemple avoir lieu lors d'une escale où aucune pièce détachée n'est disponible. La marge de sécurité doit être suffisante pour atteindre une autre escale où le remplacement est possible. L'invention à pour but de rendre possible le test des balais sans démontage de la machine électrique et de renseigner un opérateur chargé cle la maintenance de la machine sur une date avant laquelle il devra impérativement changer le balai usé. A cet effet, l'invention a pour objet une machine électrique comportant un stator et un rotor, le stator comprenant au moins un balai en appui à une première de ses extrémités contre un collecteur du rotor pour transmettre un courant vers le collecteur, le balai pouvant s'user au contact clu collecteur suivant une direction, caractérisé en ce que la machine électrique comporte des moyens de mémorisation de l'atteinte d'une cote d'usure déterminée suivant la direction. L'invention peut tout aussi bien être mise en oeuvre dans une machine électrique à courant continu ou alternatif, machine utilisée en générateur ou en moteur. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à la lecture de la description détaillée d'un mode de réalisation donné à titre d'exemple, description illustrée par le dessin joint dans lequel : la figure 1 représente schématiquement un balai en contact sur un collecteur ; la figure 2 représente une machine électrique équipée de plusieurs balais associés à des moyens de mémorisation de l'usure des balais ; la figure 3 représente une machine électrique équipée d'un seul voyant indiquant l'état d'usure de ses balais ; la figure 4 représente une machine électrique permettant le renvoi d'une information concernant l'usure de ses balais ; les figures 5a et 5b représentent des boîtiers déportés comportant des voyants indiquant l'état d'usure de balais. Par souci de clarté, les mêmes éléments porteront les mêmes 25 repères dans les différentes figures. La figure 1 représente schématiquement un balai 1 en contact sur un collecteur 2. le balai 1 appartient à un stator d'une machine électrique et le collecteur appartient à un rotor de la machine électrique. Le balai 1 est 30 destiné à transmettre un courant électrique au collecteur 2 pour alimenter des enroulements du rotor. Le balai 1 s'usant au contact du collecteur 2, on définit une cote d'usure u suivant une direction principale du balai 1. Cette direction principale est portée par un axe 3. II s'agit de la direction dans laquelle un 35 effort est exercé sur le balai 1 pour le maintenir en appui contre le collecteur 2. Un palier opposé au bout d'arbre de la machine électrique comporte des guides dans lesquels peut coulisser le balai 1 suivant l'axe 3. Un ressort peut par exemple pousser le balai 1 dans la glissière. Généralement, l'axe 3 coupe un axe 4 de rotation du rotor. L'axe 4 est perpendiculaire au plan de la figure 1. La cote u est définie à partir d'une extrémité 5 du balai, extrémité en appui sur le collecteur 2. Le balai 1 peut comporter un fil 6 noyé dans un matériau du balai 1 et s'étendant depuis une extrémité 7 du balai 1, jusqu'à la cote d'usure u déterminée suivant la direction principale 3 du balai 1. L'extrémité 7 est opposée à l'extrémité 5. Lorsque le balai 1 s'use, la cote u diminue jusqu'à s'annuler laissant ainsi le fil 6 frotter contre le collecteur 2. On peut exploiter électriquement le contact entre le fil 6 et le collecteur 2 pour récupérer une information sur le niveau d'usure du balai 1. On peut mettre en oeuvre un fil 6 monobrin, mais avantageusement, le fil 6 est multibrin. Ce type de fil n'use pas plus le collecteur 2 que le frottement du balai 1 sur le collecteur 2. Un fil monobrin a tendance à créer un sillon dans le collecteur 2 qui risque de l'endommager. Le collecteur 2 est généralement réalisé au moyen d'un assemblage de contacts radiaux en cuivre séparés par des isolants. Les contacts en cuivre sont proéminents par rapport à l'isolant et on a constaté que les contacts du collecteur 2 découpent les brins d'un fil 6 multibrin sans créer de rainure dans les contacts. Les morceaux de brins découpés par les contacts du collecteur 2 peuvent ensuite être évacués par une ventilation assurant le refroidissement de la machine électrique. Le fil 6 peut être isolé. Ainsi, il sera aisé de détecter une modification d'un signal électrique appliquée au fil 6. Tant que l'isolant du fil 6 est intact, le signal n'est pas altéré. Lorsque le balai 1 s'use au point de couper l'isolant et de mettre le fil 6 à nu, le balai 1,collecteur 2 et le fil 6 sont alors en contact et on peut détecter une modification du signal électrique appliquée au fil 6. Avantageusement, le fil 6 forme une boucle 8 à l'intérieur du balai 1. La boucle 8 s'étend depuis l'extrémité 7 jusqu'à la cote d'usure u. Le fil 6 comportent deux extrémités 9 et 10 extérieures au balai 1. Ainsi, le fil 6 n'a aucune extrémité à l'intérieur du balai 1 ce qui facilite son isolement. On peut ainsi utiliser un fil standard que l'on peut acheter isolé. Plusieurs types d'isolants peuvent convenir. On s'est néanmoins rendu compte qu'il était préférable d'éviter un matériau d'isolant à base de silicone qui a tendance à user les contacts du collecteur 2 lorsque ceux-ci sont réalisés en cuivre. On peut par exemple mettre en oeuvre un fil 6 isolé comportant un isolant PVC. Pour ne pas surcharger les différentes figures, les connexions des balais pour alimenter le rotor de la machine électrique ne sont pas représentées. La figure 2 représente une machine électrique dont le stator 20 est équipé de quatre balais 21 à 24 destinés à être en contact avec un collecteur 26 d'un rotor 25 de la machine électrique. Sur la figure 2;, seuls deux balais 21 et 22 sont équipés de fils 6. Il est bien entendu possible d'équiper les quatre balais 21 à 24 de fils 6. Le fil 6 du balai 22 est relié à une borne positive 27 fournissant par exemple une tension continue 28V par I intermédiaire d'une bobine 28 d'un relais 29. Le fil 6 du balai 21 est relié à une masse 30, ou borne négative fournissant la tension continue. Le relais 29 comporte un contact 31 commandé par la bobine 28. Le contact 31, lorsqu'il est activé par la bobine 28, alimente un voyant 32, par exemple rnagnétique, en tension continue 28V. Le fil 6, le relais 29 et le voyant 32 forment un exemple de moyens de mémorisation de l'atteinte d'une cote d'usure déterminée par au moins un des balais 21 à 24 suivant la direction 3. Lorsque le ou les fils 6 forment une boucle à l'intérieur des balais 21 ou 22 respectifs, on peut ne connecter qu'une seule des extrémités 9 ou 10 à l'une des bornes 27 ou 30. On peut également connecter ensemble les deux extrémités 9 et 10 de chaque fil 6. Cette deuxième alternative permet d'isoler facilement l'ensemble de l'équipotentielle à laquelle appartient le fil 6 sans avoir à isoler une extrémité non connectée du fil 6. Le voyant 32 peut prendre deux positions, une première indiquant que la cote d'usure u n'est pas atteinte et une seconde position indiquant que la cote d'usure est atteinte ou dépassée. Tant que la cote d'usure u des balais 21 et 22 n'est pas atteinte, aucun courant ne circule dans la bobine 28, le relais 29 reste au repos et le voyant 32 est dans sa première position. Lorsque la cote d'usure u est atteinte ou dépassée, un courant circule dans la bobine 28 en passant par les balais 21 et 22 ainsi que par le collecteur 25. Avantageusement, le relais 29 peut verrouiller le contact 31 dès la première fois où le courant circule dans la bobine 28 ce qui permet un verrouillage de la première fois que la cote d'usure u est atteinte. Ce verrouillage permet d'éviter des battements dans la détection de l'usure des balais 21 et 22. Un tel battement est essentiellement du au passage des balais 21 et 22 sur les différentes lames du collecteur 25. Le voyant 32 reste ainsi verrouillé dans sa seconde position. Il reste néanmoins possible de déverrouiller le voyant en coupant l'alimentation en tension continue ce qui permet de laisser retomber le contact 31 du relais 29. Un connecteur 33 peut prélever la tension présente en sortie du contact 31 et alimentant directement le voyant 32. Ceci permet d'exploiter la détection d'usure des balais 21 et 22 par un système de surveillance extérieur à la machine électrique. Le schéma de la figure 2 n'est donné qu'à titre d'exemple et d'autres réalisations sont bien entendues possible, par exemple en associant les fils 6 des quatre balais 21 à 24 en série dans le circuit reliant la bobine 28 à la masse 30. On peut également ne prévoir de fil 6 que sur l'un des balais uniquement en raccordant la masse 30 au matériau du balai retenu. On supposera, dans ce cas, que l'usure de tous les balais de la machine électrique est homogène et que la détection d'usure de l'un des balais nécessite le remplacement de tous les balais de la machine électrique Avantageusement, les moyens de mémorisation déclenchent un compteur d'une période au cours de laquelle la machine électrique doit être révisée. La période peut par exemple être un nombre d'heure de fonctionnement de la machine électrique. Le compteur peut être activé par le connecteur 33. La figure 3 représente une machine électrique équipée d'un seul voyant 32 indiquant l'état d'usure de ses balais. Le voyant 32 est situé sur un boîtier 35 disposé sur une enveloppe 36 de la machine électrique. Sur le boîtier 35 est également situé le connecteur 33. La disposition du boîtier 35 sur l'enveloppe 36 est fonction de l'accessibilité visuelle du voyant 32 lorsque la machine électrique est montée dans son environnement. La figure 4 représente une machine électrique sans voyant 32 disposé sur son enveloppe 36 mais permettant le renvoi d'une information 35 concernant l'usure de ses balais au moyen du connecteur 33. La figures 5a représente un boîtier 35 déporté comportant un voyant 32 indiquant l'état d'usure de balais de la machine électrique. La figures 5b représente un boîtier 35 déporté comportant trois voyants 32. On peut en effet mettre en oeuvre l'invention sur un avion comportant trois rnachines électriques. REVENDICATIONS 1. Machine électrique comportant un stator (20) et un rotor (26), le stator (20) comprenant au moins un balai (1 ; 21, 22, 23, 24) en appui à une première de ses extrémités (5) contre un collecteur (2 ; 25) du rotor (26) pour transmettre un courant vers le collecteur (2 ; 25), le balai (1 ; 21, 22, 23, 24) pouvant s'user au contact du collecteur (2 ; 25) suivant une direction (3), caractérisé en ce que la machine électrique comporte des moyens de mémorisation (6, 29, 32) de l'atteinte d'une cote d'usure (u) déterminée suivant la direction (3). 2. Machine électrique selon la revendication 1, caractérisée en ce que le balai (1 ; 21, 22, 23, 24) comporte un fil (6) noyé dans un matériau du balai (1 ; 21, 22, 23, 24) et s'étendant depuis une seconde extrémité (7) du balai (1 ; 21, 22, 23, 24) suivant la direction (3) jusqu'à la cote d'usure (u) déterminée. 3. Machine électrique selon la revendication 2, caractérisé en ce que le fil (6) est multibrins. 4. Machine électrique selon l'une des revendications 2 ou 3, 20 caractérisé en ce que le fil (6) est isolé. 5. Machine électrique selon l'une des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que le fil (6) comporte deux extrémités (9, 10) extérieures au balai (1 ; 21, 22, 23, 24) et en ce que le fil (6) forme une boucle (8) à 25 l'intérieur du balai (1 ; 21, 22, 23, 24), la boucle (8) s'étendant jusqu'à la cote d'usure (u) déterminée. 6. Machine électrique selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens de mémorisation (6, 29, 32) comportent un 30 verrouillage (29) de la première fois que la cote d'usure (u) est atteinte. 7. Machine électrique selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens de mémorisation déclenchent un compteur d'une période au cours de laquelle la machine électrique doit être révisée.