Brevet FR2911728A1 — publié le 20080725

BALAI POUR MACHINE ELECTRIQUE TOURNANTE ET MACHINE COMPORTANT UN TEL BALAI La présente invention se rapporte au domaine des machines électriques tournantes à collecteurs à bagues collectrices et balais et à tension d'excitation continue. Elle concerne plus particulièrement la conception et la réalisation des balais pour de telles machines, et peut, en particulier, être appliquée aux alternateurs ou alterno-démarreurs placés dans les véhicules automobiles, ainsi qu'à toute machine tournante du io type précité placée dans de tels véhicules. De manière connue, de tels balais ont pour fonction principale de réaliser un contact électrique avec les bagues collectrices, placées sur un arbre de sortie du rotor, de la machine tournante, pour assurer l'alimentation électrique du bobinage dudit rotor. Pour optimiser les is performances électriques de l'ensemble "balais û bagues collectrices", il est recherché une résistance de contact aussi faible que possible entre ces deux éléments. Concomitamment, le contact entre les balais et les bagues collectrices, tournantes, étant un contact par frottement, les balais devront présenter une résistance mécanique, en particulier une résistance 20 à l'usure par frottement, suffisante pour assurer une durée de vie correcte au regard de l'application de la machine tournante. Afin de satisfaire ces deux exigences, il est connu de réaliser de tels balais dans des matériaux composites à base de carbone et de cuivre. Les proportions de cuivre dans les balais dépendent généralement des dimensions de ceux-ci, 25 notamment de leur section, mais restent typiquement inférieures dans les machines actuelles à des valeurs de l'ordre de 30% de manière à obtenir un compromis acceptable entre la résistance électrique et la résistance mécanique de ces balais. Il est également connu que, lors des premières heures de mise 30 en service de telles machines tournantes, des phénomènes transitoires peuvent se produire. Ces phénomènes résultent de variations transitoires de la résistance de contact entre balais et bagues collectrices, et se traduisent par des instabilités du courant d'excitation passant dans les balais et donc des instabilités du courant débité par la machine. Ces instabilités du courant d'excitation sont également connues sous la dénomination d'effets de "chattering". Disparaissant d'eux-mêmes au bout de quelques heures à quelques dizaines d'heures de fonctionnement, et ne réapparaissant plus ultérieurement lors de l'utilisation de la machine, ces phénomènes transitoires sont aléatoires et non répétables d'un essai à l'autre et d'une machine à une autre. Ils imposent donc aux fabricants de réaliser de coûteux rodages de la machine tournante, seule solution actuellement connue et mise en oeuvre pour assurer aux clients la io fourniture d'un équipement dont le fonctionnement sera stabilisé et reproductible. Le but de la présente invention est de proposer un balai pour une machine tournante à tension d'excitation continue, permettant de réduire autant que possible, voire de supprimer les effets de "chattering" is résultant des phénomènes transitoires lors de la mise en service de ladite machine tournante, sans pour autant dégrader la fiabilité du balai. Dans ce but, l'invention a pour objet un balai pour une machine électrique tournante à tension d'excitation continue, ledit balai comportant notamment une face terminale apte à venir en contact frottant avec la 20 surface extérieure d'une bague collectrice tournante de ladite machine pour établir un contact électrique avec ladite bague collectrice tournante, caractérisé en ce que ladite face terminale est revêtue d'une couche tampon réalisée dans un matériau apte à réduire la résistance électrique de contact avec le matériau constituant ladite surface extérieure de ladite 25 bague collectrice. Le balai selon l'invention est ainsi formé d'un corps apte, en particulier, à être relié à des moyens de connexion au circuit de courant d'excitation du rotor de la machine tournante, et dont la face terminale destinée à entrer en contact avec ladite bague collectrice, opposée à la 30 partie dudit corps apte à être reliée auxdits moyens de connexion, est revêtue de ladite couche tampon. Selon une autre caractéristique de l'invention, le matériau constituant ladite couche tampon a une résistivité électrique sensiblement inférieure à celle du matériau constituant le corps du balai. 3 Selon un mode de réalisation particulier de l'invention, le corps du balai est sensiblement parallélépipédique et ladite face terminale est la face sensiblement perpendiculaire à l'axe longitudinal du corps dudit balai située à l'extrémité dudit balai la plus proche de la bague collectrice. Lors des premières heures de mise en service de la machine tournante comportant un balai selon l'invention, la faible résistance électrique de contact entre le balai et la bague collectrice, résultant de la présence de la couche tampon, permettra de faciliter l'établissement rapide d'un contact électrique de qualité. Ceci aura pour conséquence io principale de limiter ainsi au maximum, voire de supprimer totalement les effets indésirables de "chattering" évoqués plus haut, causés par les variations transitoires de la résistance électrique de contact entre ledit balai et la bague collectrice, et constatés avec un balai conventionnel. Selon une caractéristique de l'invention, la résistance mécanique 15 du matériau constituant la couche tampon est sensiblement inférieure à la résistance mécanique du matériau constituant le corps du balai. Il en résulte que ladite couche tampon connaîtra une usure comparativement plus rapide que l'usure que connaîtrait le corps du balai dans les mêmes conditions, réduisant ainsi le temps nécessaire à l'établissement entre le 20 balai et la bague collectrice d'une couche optimisant le contact, couche appelée communément patine . Avantageusement, l'épaisseur de la couche tampon sera dimensionnée de telle manière que la durée nécessaire à sa consommation, sous l'effet de l'usure mécanique liée au frottement contre 25 la bague conductrice, corresponde sensiblement à la durée de la période nécessaire de rodage de la machine tournante, période de rodage au-delà de laquelle les phénomènes transitoires précédemment mentionnés ne sont plus constatés, ainsi que leurs conséquences indésirables de "chattering". Une fois la couche tampon entièrement consommée, le 30 contact sera alors établi de manière conventionnelle entre le balai selon l'invention et la bague collectrice, le matériau constituant le corps du balai présentant, ainsi qu'il a été mentionné plus haut, un compromis satisfaisant entre résistance électrique de contact avec ladite bague collectrice et résistance mécanique à l'usure par frottement. D'autres caractéristiques du balai selon l'invention se rapportent plutôt à la composition de la couche tampon et à ses dimensions. Selon l'une de ces caractéristiques, la couche tampon est réalisée dans un matériau composite à base de carbone et d'un matériau présentant une conductivité électrique importante, avantageusement un matériau métallique. Selon un mode de réalisation particulier de l'invention, ce dernier matériau est du cuivre. Ce choix a pour avantage supplémentaire de faciliter l'accrochage de la couche tampon sur le corps du balai, dans le cas classique de balais électro-graphitiques. io Selon ce mode de réalisation particulier de l'invention, la quantité de cuivre présente dans le matériau constituant la couche tampon est sensiblement supérieure à la quantité de cuivre présente dans le matériau composite à base de carbone et de cuivre constituant typiquement le corps d'un balai électro-graphitique. Ainsi, alors que cette 15 dernière est, ainsi qu'il a été mentionné plus haut, sensiblement inférieure à des valeurs de l'ordre de 30%, la quantité de cuivre préférentiellement contenue dans le matériau constituant la couche tampon sera sensiblement supérieure à 30%. Il a également été mentionné plus haut que l'épaisseur de la 20 couche tampon sera dimensionnée de telle manière que celle-ci soit sensiblement consommée durant la période de rodage de la machine tournante : selon une autre caractéristique de l'invention, la couche tampon aura une épaisseur sensiblement comprise entre quelques dixièmes de millimètre et quelques millimètres. Selon un mode de 25 réalisation particulier, afin de cumuler de manière optimale les avantages liés à la présence de la couche tampon et les performances du matériau constituant le corps du balai selon l'invention, l'épaisseur de ladite couche tampon est inférieure à 1,5 millimètre, préférentiellement, mais de manière non limitative, sensiblement comprise entre 0,2 millimètre et 1,5 millimètre. 30 Avantageusement également, la couche tampon du balai selon l'invention sera élaborée par un procédé similaire au procédé utilisé pour l'élaboration du corps dudit balai, par exemple et de manière non exclusive, par un procédé de frittage. L'invention sera maintenant plus complètement décrite dans le cadre de caractéristiques préférées et de leurs avantages, en faisant référence aux figures annexées, dans lesquelles : - la figure 1 illustre le phénomène de "chattering" auquel l'invention 5 se propose d'apporter une solution ; -la figure 2 est une vue schématique de principe des principaux éléments d'une machine tournante pouvant accueillir un ou plusieurs balais selon l'invention ; - la figure 3 est une vue schématique en coupe, selon un plan io sensiblement perpendiculaire à l'axe de rotation des bagues collectrices de la machine tournante, d'un balai selon l'invention. La figure 1 est un détail d'une courbe caractéristique de test d'une machine électrique tournante à bagues collectrices et balais et à tension d'excitation continue, lors des premières heures de sa mise en 15 service. La machine électrique tournante est ici un alternateur A dont les différents éléments énoncés ci-dessus sont repérés sur la figure 2. Pour réaliser ce test, la vitesse de rotation du rotor 1 de la machine est progressivement augmentée par paliers, et le courant de débit fourni par la machine est enregistré en fonction du temps. L'instant zéro, 20 non représenté à la figure 1 sur l'échelle du temps, correspond au démarrage de la première mise en service de la machine. La courbe illustrant la variation de la vitesse de rotation du rotor 1 est représentée en trait discontinu sur la figure 1, et le courant de débit de la machine A est représenté par la courbe en trait plein sur la même 25 figure. Il apparaît clairement à la figure 1 que le courant de débit de la machine subit des fluctuations F dont l'amplitude peut varier de quelques ampères à plus de dix ampères. Ces fluctuations aléatoires du courant de débit sont dues aux variations transitoires de la résistance de contact 30 entre les balais 2 et les bagues collectrices 3 de la machine qui provoquent des instabilités du courant d'excitation alimentant le rotor 1 de la machine. Ce phénomène est couramment désigné par le terme de "chattering" qui est utilisé dans la suite de la présente description. 6 La figure 1 montre également clairement que la fréquence de ce phénomène de "chattering" est relativement basse, au regard, par exemple, de la fréquence qu'aurait un phénomène de type "saut de balai". Typiquement, le "chattering" peut être détecté au moyen d'un appareil présentant une fréquence d'acquisition de l'ordre d'une dizaine de Hertz. Lié aux variations transitoires de la résistance de contact entre balai 2 et bague collectrice 3, ce phénomène de "chattering" disparaît de lui-même au bout de quelques dizaines d'heures de fonctionnement, et ne réapparaît ensuite plus au cours de la durée de vie de la machine io électrique tournante. Selon l'invention, le phénomène de "chattering" peut être considérablement réduit, et même supprimé, par la réalisation d'un balai 2 dont la face terminale 20 la plus proche de la bague collectrice 3 de la machine tournante A est revêtue d'une couche tampon 4 d'un matériau M1 15 approprié, différent du matériau M constituant le corps 21 du balai 2 : un tel balai est schématiquement représenté sur la figure 3. Il comporte, outre le corps 21 et la couche tampon 4 précités, des moyens appropriés 5 tels qu'une tresse de connexion électrique et un ressort (représentés schématiquement la figure 3), pour son montage dans un ensemble porte- 20 balai 6 représenté schématiquement à la figure 2. De manière classique, l'ensemble porte-balai 6 comporte des moyens appropriés (non représentés) assurant une connexion électrique des balais 2 au circuit d'excitation du rotor 1 de la machine A. Selon un mode de réalisation particulier de l'invention, 25 représenté par la figure 3, le corps 21 du balai 2 est sensiblement parallélépipédique, et la face terminale 20 revêtue de la couche tampon 4 est la face terminale sensiblement perpendiculaire à son axe de révolution, située à l'extrémité du corps 21 la plus proche de la bague collectrice 3, à l'opposé de la partie dudit balai 2 comportant les moyens de montage 5 30 évoqués ci-dessus. Le matériau M1 constituant la couche tampon 4 du balai selon l'invention est choisi de telle manière que la résistance électrique de contact entre ladite couche tampon 4 et la surface extérieure 30 de la bague collectrice 3 soit sensiblement inférieure à la résistance électrique 35 de contact créée par le matériau M avec ladite surface 30. Conformément à l'invention, cette caractéristique peut être obtenue, mais non exclusivement, en choisissant un matériau M1 constituant la couche tampon 4 ayant une résistivité électrique sensiblement inférieure à la résistivité électrique du matériau M constituant le corps du balai. Ainsi, lors des premières heures de mise en service de la machine tournante A, la durée nécessaire à l'établissement d'un contact électrique satisfaisant entre la couche tampon 4 et la bague collectrice 3 sera réduite, ainsi que les variations transitoires de ladite résistance électrique de contact. Il en résulte que l'impact de ces éventuelles io variations transitoires sur le courant d'excitation passant, par l'intermédiaire de la couche tampon 4, entre le balai 2 et la bague collectrice 3 sera fortement limité, ayant pour conséquence principale la suppression du phénomène de "chattering". Conformément à des modes de réalisation particuliers de 15 l'invention, le matériau M1 est un matériau composite à base de carbone et d'un matériau présentant une conductivité électrique élevée, ce dernier matériau étant préférentiellement, ainsi qu'il a été mentionné plus haut, un matériau métallique. Avantageusement, ce dernier matériau est du cuivre. Les constituants de base du matériau M1 sont ainsi sensiblement 20 analogues aux composants classiquement utilisés pour la réalisation du matériau M constituant le corps d'un balai 2 de type électro-graphitique. Un tel choix contribue, par ailleurs, à simplifier la réalisation d'un tel balai, en particulier au regard de la facilité d'accrochage et de l'adhésion de la couche tampon 4 sur la face terminale 20 du balai 2. Toutefois, alors que 25 la quantité de cuivre dans le matériau M constituant le corps 21 du balai 2 n'excède pas, classiquement, des valeurs de l'ordre de 30%, la quantité de cuivre dans le matériau M1 sera sensiblement plus élevée, et, avantageusement, sensiblement supérieure à 30% tout en restant de préférence inférieure à 50%. En effet, en deçà de ces valeurs, les 30 performances électriques du matériau M1 ne permettent pas d'atteindre correctement l'objectif que s'est fixé l'invention, et au-delà de ces valeurs, la réalisation d'un matériau M1 présentant une cohésion suffisante au regard de l'application souhaitée devient plus difficile, donc plus coûteuse. Il résulte de la composition du matériau M1 telle qu'elle vient 35 d'être présentée que la résistance mécanique de ce matériau sera 8 sensiblement plus faible que la résistance mécanique du matériau M constituant le corps du balai 2 selon l'invention, en particulier au regard de l'usure par frottement. La couche tampon 4 aura donc tendance à être consommée relativement rapidement, facilitant ainsi le contact mécanique avec la surface extérieure 30 de la bague collectrice 3 : le profil 41 réalisé en trait discontinu sur la figure 3 illustre ce phénomène. En effet, lors de la première mise en service de la machine tournante A comportant un balai 2 selon l'invention, le contact entre la couche tampon 4 et la surface extérieure 30 de la bague collectrice 3 est tangentiel. Durant les premières io heures de fonctionnement, l'érosion relativement rapide de la couche tampon 4, sous l'effet de son frottement contre la surface extérieure 30 de la bague collectrice 3, tournante (la rotation de la bague collectrice 3 est indiquée par la flèche R sur la figure 3) modifiera le profil de la surface de contact avec la bague collectrice 3 et contribuera à rendre plus rapidement 15 complémentaires les profils de contact respectivement de la couche tampon 4 et de la surface 30 de la bague collectrice 3 : le contact électrique entre le balai 2 comportant la couche tampon 4 et la bague collectrice 3 s'en trouvera alors favorisé. Selon un mode de réalisation particulier de l'invention, 20 l'épaisseur initiale E de la couche tampon 4 est optimisée au regard du point qui vient d'être décrit. Cette épaisseur E est, en particulier, dimensionnée de telle manière que la couche tampon 4 sera sensiblement totalement consommée à l'issue de la période durant laquelle les effets de "chattering" peuvent survenir, c'est-à-dire au bout de quelques dizaines 25 d'heures environ, lors de la première mise en service de la machine tournante équipée d'un balai 2 selon l'invention. En d'autres termes, l'épaisseur initiale E de la couche tampon 4 est sensiblement supérieure ou égale à l'épaisseur de couche de matériau M1 consommée par usure par frottement contre la surface extérieure 30 de la bague collectrice 3 30 durant le laps de temps de quelques heures à quelques dizaines d'heures au cours duquel les effets de "chattering" peuvent être constatés. Plus précisément, l'épaisseur E de la couche tampon 4 sera, préférentiellement mais de manière non limitative, comprise entre quelques dixièmes de millimètre et quelques millimètres. Selon un mode de réalisation particulier 35 de l'invention, non exclusif, cette épaisseur sera avantageusement comprise entre 0,2 et 1,5 millimètre. Il résulte de ce qui précède que, une fois écoulé le laps de temps durant lequel les effets de "chattering" 9 peuvent être constatés, laps de temps qui correspond sensiblement, actuellement, à la durée du rodage de la machine tournante, le contact sera établi entre le corps 21 du balai 2 et la bague collectrice 3, le matériau M constituant ledit corps du balai offrant, ainsi qu'il a été précédemment mentionné, un compromis satisfaisant entre performances électriques et comportement mécanique dans le temps. Il est à noter que la réalisation de la couche tampon 4 d'un balai 2 selon l'invention ne présente pas de difficulté particulière, un procédé analogue aux procédés de frittage classiquement utilisés pour réaliser des io balais électro-graphitiques connus pouvant être mis en oeuvre pour l'obtention de ladite couche. Il est toutefois également à noter que tout procédé permettant la réalisation d'une couche tampon telle qu'elle a été décrite précédemment et assurant que ladite couche adhère au corps 21 d'un balai 2 selon l'invention tel qu'il a été également précédemment 15 évoqué, pourra être utilisé sans qu'il nuise à l'invention. L'invention permet donc, par la mise en oeuvre de la couche tampon 4 qui vient d'être décrite, de réaliser un balai 2 pour une machine tournante à bagues collectrices et balais et à tension d'excitation continue ne présentant pas les effets de "chattering" habituellement constatés lors 20 des premières heures de sa mise en service. Elle contribue ainsi à réduire le coût d'une telle machine, en limitant, en particulier, la durée des phases de rodage et de test de celle-ci. Sa mise en oeuvre étant, en outre, simple, son surcoût éventuel est faible au regard des gains de fiabilité, de reproductibilité, et des avantages qu'elle apporte. 25 Il ressort néanmoins de ce qui précède que l'invention n'est pas limitée aux modes de mise en oeuvre qui ont été spécifiquement décrits et représentés sur les figures, et, en particulier, qu'elle s'étend au contraire à toute variante passant par le biais de moyens équivalents. Il est ainsi, en particulier, à noter, que si le cuivre sera préférentiellement utilisé comme 30 matériau de base présentant une forte conductivité électrique dans le matériau M1 constituant la couche tampon 4, tout autre matériau présentant une conductivité électrique appropriée pourra également être utilisé sans qu'il nuise à l'invention. REVENDICATIONS 1. Balai (2) pour une machine électrique tournante (A) à tension d'excitation continue, ledit balai (2) comportant notamment une face terminale (20) apte à venir en contact frottant avec la surface extérieure (30) d'une bague collectrice tournante (3) de ladite machine (A) pour établir un contact électrique avec ladite bague collectrice tournante (3), caractérisé en ce que ladite face terminale (20) est revêtue d'une couche tampon (4) réalisée dans un matériau (Ml) apte à réduire la résistance électrique de contact avec le matériau constituant ladite io surface extérieure (30) de ladite bague collectrice (3). 2. Balai selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit matériau (M1) constituant la couche tampon (4) a une résistivité électrique sensiblement inférieure à la résistivité électrique du matériau (M) constituant le corps (21) du balai (2). is 3. Balai (2) selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la résistance mécanique dudit matériau (Ml) constituant la couche tampon (4) est sensiblement inférieure à la résistance mécanique du matériau (M) constituant le corps (21) du balai (2) à l'extrémité duquel est située la face terminale (20) accueillant la couche tampon (4). 20 4. Balai (2) selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ledit matériau (M1) constituant la couche tampon (4) est un matériau composite à base de carbone et d'un composé métallique à conductivité électrique élevée. 5. Balai (2) selon la revendication 4, caractérisé en ce que ledit 25 matériau (M1) constituant la couche tampon (4) est un matériau composite à base de carbone et de cuivre. 6. Balai (2) selon la revendication 5, caractérisé en ce que la quantité de cuivre contenue dans ledit matériau (M1) est sensiblement supérieure à 30%. 7. Balai (2) selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'épaisseur initiale (E) de la couche tampon (4) est sensiblement supérieure ou égale à l'épaisseur de couche de matériau (M1) consommée par usure par frottement contre la surface extérieure de la bague collectrice (3) durant un laps de temps de quelques heures à quelques dizaines d'heures. io 8. Balai (2) selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'épaisseur initiale (E) de la couche tampon (4) est sensiblement comprise entre quelques dixièmes de millimètre et quelques millimètres. 9. Balai (2) selon la revendication 7 ou 8, caractérisé en ce que l'épaisseur initiale (E) de la couche tampon (4) est inférieure à 1,5 is millimètre. 10. Balai (2) selon la revendication 9, caractérisé en ce que l'épaisseur initiale (E) de la couche tampon (4) est de l'ordre à 0,2 millimètre. 11. Balai (2) selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, 20 caractérisé en ce qu'il est composé d'un corps (21) sensiblement parallélépipédique et d'une couche tampon (4) déposée sur la face terminale (20) dudit corps de balai (21) sensiblement perpendiculaire à l'axe de révolution dudit corps de balai (21) et située, lors du montage dudit balai (2) dans un porte-balai (6) d'une machine électrique 25 tournante (A), à l'extrémité dudit corps de balai (21) la plus proche d'une bague collectrice (3) de ladite machine électrique tournante (A). 12 12. Procédé de réalisation d'un balai (2) selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce qu'il comporte une étape de dépôt par frittage, sur la face terminale (20) du corps (21) dudit balai (2) la plus proche d'une bague collectrice (3) d'une machine électrique tournante (A) comportant ledit balai (2), d'une couche tampon (4) dudit matériau (Ml). 13. Machine électrique tournante (A) à tension d'excitation continue, caractérisée en ce qu'elle comporte au moins un balai (2) selon l'une quelconque des revendications 1 à 11 pour assurer le Io passage du courant électrique d'excitation du rotor (1) vers une bague collectrice (3) de ladite machine électrique tournante (A).