Brevet FR2972082A1 — publié le 20120831

BALAI DE CONTACT L'invention se rapporte au domaine des balais destinés à assurer un contact électrique entre une pièce / élément fixe et une pièce / élément en rotation dans une machine électrique tournante. Cette pièce tournante peut par exemple être une partie de collecteur d'un moteur électrique ou une bague d'une génératrice d'éolienne. Ces balais sont généralement composés de graphite. Il est connu, notamment pour des applications correspondant à des courants forts, ou à des signaux précis, de fabriquer des balais à partir d'un mélange de poudres de graphite et d'argent. L'argent permet de conférer aux contacts électriques glissants une relativement faible chute de tension au contact avec la pièce tournante et une conductivité électrique élevée, ce qui améliore la dissipation thermique. En outre, pendant le fonctionnement, il se forme des oxydes d'argent qui ont la particularité d'être de bons conducteurs électriques (en comparaison aux autres oxydes métalliques). Néanmoins, l'argent est une matière première relativement chère et peu disponible sur le marché. De plus, il s'est avéré que les propriétés du balai dépendent relativement étroitement de la qualité de la poudre d'argent utilisée. I1 existe donc un besoin pour un balai meilleur marché et pour lequel la reproductibilité serait améliorée. Il est proposé un balai destiné à assurer un contact électrique entre une pièce fixe et une pièce en mouvement, ce balai comprenant une couche composée principalement de carbone, d'argent et d'un autre métal distinct de l'argent. Par carbone, on entend tout composé contenant l'élément carbone, avantageusement le graphite qui est un carbone présentant à la fois des propriétés électriques et des propriétés de friction. Ainsi, ce balai est moins onéreux que les balais de l'art antérieur, et l'approvisionnement en argent est moins déterminant pour les propriétés du balai que dans l'art antérieur pour lequel, en cas de difficulté d'approvisionnement chez un fournisseur donné et de choix d'un autre fournisseur, il existe un risque de non reproductibilité des propriétés du balai. La couche peut comporter en outre au moins un liant et au moins un additif, dans des proportions habituelles pour l'homme du métier, par exemple autour de 100/0 en masse. Avantageusement et de façon non limitative, cet autre métal peut être choisi parmi l'aluminium, le zinc, le fer, le nickel, l'acier, l'étain et le cuivre. Le balai peut ainsi avoir une conduction, un coût et/ou une cohésion mécanique satisfaisant(s). En particulier, cet autre métal peut être du cuivre, ce qui peut permettre de conférer une relativement bonne conductivité au balai. Avantageusement, l'argent et l'autre métal ne sont pas alliés. Les expériences effectuées par la demanderesse ont en effet montré qu'un mélange argent-cuivre non allié permettait d'obtenir de relativement bonnes propriétés mécaniques, et ce pour des propriétés électriques relativement satisfaisantes. En outre, l'utilisation d'argent et d'un autre métal non allié permet de limiter les détériorations de la pièce en mouvement du fait du contact avec le balai. Bien entendu, on pourrait alternativement choisir de fabriquer un balai tel que décrit ci-dessus, et pour lequel l'argent et l'autre métal, par exemple le cuivre, seraient alliés. Avantageusement, le balai comporte en outre au moins une couche supplémentaire, ce qui peut permettre d'adapter au mieux le balai aux diverses contraintes de fabrication et d'utilisation. Par exemple, la couche supplémentaire peut être dénuée d'argent, ou bien comprendre de l'argent en relativement faible quantité, par exemple moins de 50/0 en masse. Limiter ainsi encore la quantité d'argent dans le balai peut permettre de diminuer le prix et la dépendance à la qualité de la matière première argent. On pourra par exemple prévoir d'utiliser la couche décrite ci-dessus, avec du carbone, de l'argent et l'autre métal, en tant que couche d'usure, en contact avec une pièce tournante, tandis que la couche supplémentaire constituera une couche d'ancrage ou de connexion, permettant le raccordement électrique à la pièce fixe. On peut ainsi bénéficier des propriétés que l'argent apporte aux contacts glissants, notamment une relativement faible chute de tension au contact. Dans un mode de réalisation, le balai peut comporter plus de deux couches, par exemple trois couches ou davantage. Outre une couche d'usure et une couche d'ancrage, le balai peut ainsi comprendre une couche de commutation, une couche de rodage pour roder un collecteur, ou autre. L'invention n'est donc pas limitée par le nombre de couches, ni par leur disposition. En particulier, le balai peut être constitué d'une seule couche argentée, telle que décrite ci-dessus. L'invention n'est pas limitée par la composition de la couche supplémentaire. Cette couche peut par exemple être composée essentiellement de métal, par exemple de cuivre. Avantageusement, la couche supplémentaire peut être composée principalement de carbone et de métal, avantageusement de l'autre métal. L'utilisation du même métal, dit autre métal, d'une couche à l'autre, permet d'avoir des qualités mécaniques et électriques relativement satisfaisantes, mais il n'est bien entendu pas exclu de choisir un tiers métal pour cette couche supplémentaire. Outre le carbone et le métal, la couche peut comprendre au moins un liant et au moins un additif, dans des proportions habituelles pour l'homme du métier, par exemple autour de 100/0 en masse. Avantageusement, la couche supplémentaire peut avoir une composition proche de la couche décrite ci-dessus, en ce sens que les proportions de métal et de carbone peuvent être relativement proches d'une couche à l'autre. La couche supplémentaire peut notamment avoir une proportion de métal sensiblement identique à la proportion de métal (c'est-à-dire de l'ensemble argent plus l'autre métal) de la couche argentée décrite ci-dessus. Avantageusement, le carbone, ledit au moins un liant et/ ou ledit au moins un additif sont de nature identique et dans des proportions sensiblement égales d'une couche à l'autre. On utilise ainsi pour ces deux couches le ou les mêmes liant(s), le ou les méme(s) additif(s) et par exemple le même graphite, et dans des proportions sensiblement égales d'une couche à l'autre. Ceci permet d'avoir une relativement bonne cohésion mécanique entre ces deux couches, et de conférer au balai une durée de vie relativement élevée. Sans vouloir être lié par une théorie, il est possible que les coefficients de dilatation thermique des deux couches soient relativement proches, ce qui pourrait limiter la formation de contraintes à l'interface entre ces couches. Au sein de la couche argentée, l'argent et l'autre métal peuvent être présent dans des proportions relatives allant de 10/90 à 90/10, avantageusement de 20/80 à 80/20. Par exemple, l'argent et l'autre métal peuvent être présents dans une proportion relative de 70/30, 50/50, ou même de 30/70 respectivement. Par « couche composée principalement de tel et/ou tel composant », on comprendra que la masse de l'ensemble de ces tel et/ou tel composant représente plus de 70 % de la masse de la couche, avantageusement plus de 80 % de la masse de la couche et avantageusement environ 90 % de la masse de la couche. Par « environ 900/0 », on entend entre 850/0 et 950/0, et avantageusement entre 87 et 92%. Le reste de la masse de la couche est constitué d'additifs et de liants. La masse du ou des additif(s) peut représenter moins de 100/0 de la masse de la couche, avantageusement moins de 50/0 de la masse de la couche, et avantageusement plus de 20/0 de la masse de la couche. La masse du ou des liant(s) peut représenter moins de 20% de la masse de la couche, avantageusement moins de 100/0 de la masse de la couche, et avantageusement plus de 40/0 de la masse de la couche. Avantageusement, chacun de ces tel ou tel composant peut être présent dans la couche à plus de 50/0 en masse par rapport à la masse de la couche, avantageusement à plus de 100/0 en masse par rapport à la masse de la couche, avantageusement à plus de 150/0 en masse par rapport à la masse de la couche, avantageusement à plus de 200/0 en masse par rapport à la masse de la couche et avantageusement à moins de 800/0 en masse par rapport à la masse de la couche. Par exemple, la masse de l'ensemble argent cuivre graphite pourra représenter 900/0 de la masse de la couche d'usure, et la masse du cuivre seul pourra représenter entre 200/0 et 400/0 de la masse de la couche d'usure. Par exemple, la masse de l'ensemble cuivre graphite pourra représenter 900/0 de la masse de la couche d'ancrage. Il est également proposé un procédé de fabrication d'un balai, comprenant une étape de mélange d'une poudre de graphite, d'une poudre métallique, cette poudre métallique étant composée principalement d'argent et d'un autre métal différent de l'argent. Cette poudre métallique peut par exemple avoir elle-même été obtenue en mélangeant une poudre d'argent et une poudre de cet autre métal. Ce procédé peut permettre d'obtenir un balai tel que décrit ci- dessus. Il est en outre proposé d'utiliser le balai obtenu pour une génératrice d'éolienne, ou bien encore pour une autre application. L'invention sera mieux comprise en référence en mode de réalisation décrit ci-dessous. Dans ce mode de réalisation, un balai comportant deux couches, dit balai bicouche, comporte : - une couche d'usure dite couche argentée, couche fonctionnelle, ou bien encore couche de contact, et - une couche d'ancrage, dite également couche de connexion. La couche d'usure comprend principalement du carbone sous forme graphite, de l'argent, et du cuivre. La masse de l'argent présent dans la couche d'usure représente prés de 320/0 de la masse de la couche d'usure. La masse du cuivre présent dans la couche d'usure représente prés de 320/0 de la masse de la couche d'usure. La masse restante, soit 360/0 de la masse de la couche d'usure, est constituée principalement de graphite et comprend en outre un ou des liant(s) et additifs, dans des proportions habituelles pour l'homme du métier. Comme liant, on pourra par exemple choisir une résine phénolique. Par exemple, le graphite est présent à 260/0 en masse par rapport à la masse de la couche d'usure, le ou les additifs à 3,50/0 en masse, et la résine phénolique à 6,50/0 en masse. La couche d'ancrage comprend principalement du graphite et du cuivre. La masse du cuivre présent dans la couche d'ancrage représente prés de 640/0 de la masse de la couche d'ancrage. La masse restante, soit 36% de la masse de cette couche d'ancrage est constituée principalement de graphite et peut aussi comprendre un ou des liant(s) et additif(s) du type et dans des proportions habituelles pour l'homme du métier. Par exemple, le graphite est présent à 260/0 en masse par rapport à la masse de la couche d'ancrage, le ou les additifs à 3,50/0 en masse, et la résine phénolique à 6,50/0 en masse. Le graphite, les liants et additifs sont les mêmes d'une couche à l'autre. On pourra par exemple prévoir un approvisionnement de chacun de ces matériaux chez le même fournisseur. On pourra relever que la proportion en masse du cuivre dans la couche d'ancrage est sensiblement identique à la proportion en masse de métal (c'est-à-dire ici d'argent et de cuivre) dans la couche d'usure. Dans cet exemple, on a ainsi 64 % en masse de métal dans l'une et l'autre couche. Autrement dit, la proportion en masse du graphite additionné au(x) liant(s) et additif(s) est sensiblement identique dans la couche d'ancrage et dans la couche d'usure. Par sensiblement identique, on entend que la différence des masses de carbone dans l'une et l'autre couche représente moins de 50/0 de la masse de carbone de la couche d'usure ou de la couche d'ancrage, avantageusement moins de 20/0. Cette composition permet en effet une meilleure cohésion mécanique entre les deux couches après cuisson. La couche d'ancrage ou couche de connexion n'est pas destinée à être en contact avec la pièce tournante durant la durée de vie du balai. Sa fonction est d'assurer le logement des câbles ou autres éléments de connexion électrique et d'avoir les propriétés électriques et mécaniques nécessaires au bon fonctionnement du balai. Cette couche d'ancrage n'a donc pas besoin de comporter de l'argent dans sa composition. Cette couche est donc composée principalement de graphite et de cuivre. Cette couche d'ancrage présente le même taux de métal et le même taux de carbone que la couche d'usure dite également couche fonctionnelle ou couche de contact. Dans ce mode de réalisation, au sein de la couche d'usure l'argent et le cuivre sont présents dans des proportions relatives de 50/50. En variante, on pourrait prévoir qu'au sein de cette couche d'usure, la proportion relative d'argent rapportée à la proportion relative de cuivre soit de 70/30. Selon une autre variante, on pourrait prévoir qu'au sein de cette couche d'usure, la proportion relative d'argent rapportée à la proportion relative de cuivre soit de 30/70. Les proportions 50/50 sont particulièrement avantageuses en ce sens qu'elles permettent une réduction de 68 % du coût du balai par rapport à un balai de l'art antérieur composé principalement de graphite et d'argent. Lorsque les proportions d'argent et de cuivre sont de 70/30, la réduction de coût est d'environ 30 % par rapport à l'art antérieur. Dans ce mode de réalisation, on a choisi d'utiliser du cuivre. Ce métal est avantageux car relativement conducteur. Néanmoins, on pourrait envisager de choisir un autre métal, en particulier de l'aluminium, du fer, de l'acier ou du zinc qui peuvent se révéler avantageux d'un point de vue coûts. Est maintenant décrit succinctement un procédé de fabrication de ce balai. Pour obtenir la couche d'usure, on peut par exemple mélanger dans un premier temps la résine phénolique au graphite. La résine phénolique enrobe alors les particules de graphite. Dans un deuxième temps, le graphite ainsi enrobé est broyé et tamisé de mainère à obtenir une répartition granulométrique habituelle pour l'homme du métier. Enfin ce prémix est mélangé à de la poudre d'argent, à de la poudre de cuivre et à un ou des additif(s). Pour réaliser la couche d'ancrage, on pourra là aussi prévoir de mélanger le même prémix à de la poudre de cuivre. Le balai bicouche peut ensuite être réalisé en utilisant un procédé tel que décrit dans le document FR2709611. Par exemple, le mélange composé principalement de cuivre et de graphite d'une part, et le mélange composé principalement de cuivre, d'argent et de graphite d'autre part, sont amenés dans un moule via une trémie cloisonnée, guidée par un fond mobile de type piston. Les poudres dans le moule sont ensuite comprimées à l'aide d'un piston supérieur. L'invention n'est pas limitée par une application donnée. On pourra notamment citer : - des applications liées au transfert de puissance électrique, par exemple dans le domaine des génératrices d'éoliennes, 10 des phares, des machines-outils, ou autres, - des applications liées au transfert de signaux, par exemple dans le domaine des tachymètres, du captage de courant de mesure (thermocouples, sondes thermométriques...), des petits moteurs de précision pour l'horlogerie, ou autre, 15 - des applications sous atmosphère très peu humide, par exemple dans le domaine de l'aéronautique. 20 20 REVENDICATIONS1. Balai destiné à assurer un contact électrique entre une pièce fixe et une pièce en mouvement, ledit balai comprenant une couche composée principalement de carbone, d'argent, et d'un autre métal différent de l'argent. 2. Balai selon la revendication 1, dans lequel l'autre métal est choisi parmi l'aluminium, le zinc, le fer, le nickel, l'acier, l'étain et le cuivre. 3. Balai selon l'une des revendications 1 ou 2, dans lequel l'argent et l'autre métal sont non alliés. 4. Balai selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel 15 l'argent et l'autre métal sont présents au sein de la couche dans une proportion relative choisie parmi 70/30, 50/50, 30/70. 5. Balai selon l'une quelconque des revendication 1 à 4 comportant en outre au moins une couche supplémentaire. 6. Balai selon la revendication 5, dans lequel la couche supplémentaire est dénuée d'argent. 7. Balai selon l'une des revendications 5 ou 6, dans lequel la couche 25 supplémentaire est composée principalement de carbone et de métal. 8. Balai selon la revendication 7, dans lequel la couche supplémentaire et la couche comprenant de l'argent et de l'autre métal comportent en outre au moins un liant et au moins un additif, 30 caractérisé en ce que le carbone, ledit au moins un liant et ledit au moins un additif sont de nature identique et dans des proportions sensiblement égales d'une couche à l'autre. 9. Utilisation du balai selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, 35 pour un générateur d'éolienne. 2972082 io 10. Utilisation du balai selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, pour une application de transfert de signal. 11. Procédé de fabrication d'un balai, comprenant une étape de 5 mélange d'une poudre de graphite, d'une poudre métallique, ladite poudre métallique étant composée principalement d'argent et d'un autre métal différent de l'argent.